선형 축 서보 시스템

오늘날의 AC 서보 시스템은 10년 전에 구축된 시스템과 많이 다릅니다. 더 빠른 프로세서와 더 높은 해상도의 인코더를 통해 제조업체는 튜닝 기술의 놀라운 발전을 구현할 수 있습니다. 모델 예측 제어와 진동 억제는 복잡한 서보 시스템에도 성공적으로 적용할 수 있는 두 가지 발전 기능입니다.

AC 서보 시스템과 관련된 서보 튜닝은 연결된 기계 시스템에 대한 전기 제어 시스템 응답을 조정하는 것입니다. 전기 제어 시스템은 서보 증폭기에 신호를 보내 서보 모터가 기계 시스템을 움직이게 하는 PLC 또는 모션 컨트롤러로 구성됩니다.

전기 기계 장치인 서보모터는 두 시스템을 통합하는 중요한 구성 요소 역할을 합니다. 기계 시스템의 동작을 예측하기 위해 전기 제어 시스템 내에서 많은 작업을 수행할 수 있습니다.

이 기사에서는 현대 서보 튜닝 기술의 두 가지 기술인 모델 예측 제어(MPC)와 진동 억제를 살펴보고 해당 기술의 애플리케이션 수준 고려 사항을 살펴보겠습니다.

CPU 속도 - 그 어느 때보다 빠릅니다.

더 빠른 CPU 속도는 어디에나 있으며 서보 증폭기도 예외는 아닙니다. 한때 가격이 비싸던 CPU가 서보 증폭기 설계에 도입되어 더욱 복잡하고 효과적인 튜닝 알고리즘이 가능해졌습니다. 10년 전에는 속도 루프에서 100Hz 또는 200Hz 대역폭을 보는 것이 일반적이었지만 오늘날의 속도는 1,000Hz를 훨씬 초과할 수 있습니다.

제어 루프를 해결하는 것 외에도 더 빠른 프로세서를 통해 서보 증폭기는 이전에는 감지할 수 없었던 기계 속성을 발견하기 위해 토크, 속도 및 위치에 대한 온보드 실시간 분석을 수행할 수 있습니다. 이제 복잡한 수학적 모델을 서보 증폭기 내에서 비용 효율적으로 구현하여 표준 PID 튜닝을 훨씬 능가하는 고급 튜닝 제어 알고리즘을 활용할 수 있습니다.

더욱이, 향상된 해상도가 시스템에 더 나은 포지셔닝 성능을 제공하지는 않지만 더 빠른 프로세서는 더 높은 해상도 인코더의 데이터를 처리할 수도 있습니다. 위치 제한 요소는 일반적으로 엔코더가 아닌 기계 시스템입니다. 그러나 고해상도 엔코더를 사용하면 제어 시스템이 저해상도 엔코더로는 감지할 수 없는 기계 시스템의 미세한 움직임을 볼 수 있습니다. 이러한 작은 움직임은 진동이나 공진의 결과인 경우가 많으며, 감지되면 기계 시스템의 동작을 이해, 예측 및 보상하는 데 중요한 데이터를 제공할 수 있습니다.

모델 예측 제어의 기본

간단히 말해서, 모델 예측 제어는 과거에 명령된 프로필을 사용하여 미래의 토크와 속도를 예측합니다. 특정 이동에 대한 속도와 토크가 대략적으로 알려진 경우 오류에만 반응하는 PID 루프를 통해 이동 프로필을 맹목적으로 강제할 필요가 없습니다. 대신, 예측된 속도와 토크를 서보 제어 루프에 대한 피드포워드로 제공하고 루프가 남은 최소 오류에 응답하도록 하는 것입니다.

이것이 올바르게 작동하려면 증폭기에는 관성, 마찰 및 강성과 같은 속성을 기반으로 하는 기계의 유효한 수학적 모델이 있어야 합니다. 그런 다음 성능 향상을 위해 모델의 토크 및 속도 프로필을 서보 루프에 주입할 수 있습니다. 이러한 모델은 복잡한 수학 함수를 사용하지만 서보 증폭기의 더 빠른 프로세서 덕분에 모션 제어 업계에서 이러한 모델이 구현되기 시작했습니다.

많은 이점에도 불구하고 모델 예측 제어에는 장단점이 있습니다. 지점 간 위치 지정에는 효과적이지만 이동 중 시간 지연이 발생합니다. 최근 과거의 움직임이 미래의 반응을 예측하는 데 사용되기 때문에 시간 요소는 모델 예측 제어에 내재되어 있습니다. 이러한 지연으로 인해 컨트롤러의 정확한 명령 프로필을 따르지 못할 수 있습니다. 대신 이동이 끝날 때 빠른 위치 지정 시간을 생성하는 유사한 프로필이 생성됩니다.

진동 억제

MPC의 가장 유용한 측면 중 하나는 기계의 저주파 진동을 모델링, 예측 및 억제하는 기능입니다. 진동은 한 자릿수 Hz에서 수천Hz까지의 주파수로 기계에서 발생할 수 있습니다. 움직임의 시작과 끝에서 종종 눈에 띄는 1초와 10초의 저주파 진동은 기계의 작동 주파수 내에 있기 때문에 특히 문제가 됩니다.

특정 장비 구성(예: 길고 가는 그리퍼 암이 있는 기계)은 다른 장비보다 이러한 낮은 공진 주파수를 더 많이 나타내는 경향이 있습니다. 이러한 진동에 취약한 설계는 길이, 아마도 개구부를 통해 부품을 삽입하는 데 필요할 수 있습니다. 또한 진동이 발생하기 쉬운 대형 기계는 낮은 주파수에서 진동하는 큰 부품으로 만들어지는 경향이 있습니다. 이러한 유형의 애플리케이션에서는 이동 끝 모터 위치에 진동이 나타납니다. 서보 앰프의 진동 억제 기술은 이러한 기계 진동을 크게 줄입니다.

듀얼 모터 서보 시스템의 MPC

단일 축 액추에이터에 MPC를 적용하는 것은 간단하며 정확한 명령 프로파일과의 편차는 지점 간 모션에 중요하지 않습니다. 그러나 하나의 서보 축이 다른 서보 축에 기계적으로 연결되면 모션 프로필이 서로 영향을 미칩니다. 이중 모터 볼스크류 액츄에이터가 그러한 구성 중 하나입니다.

이러한 듀얼 모터 구성은 모터 회전자를 가속하는 데 필요한 토크가 상당하고 더 큰 단일 모터로는 필요한 토크와 가속을 감당할 수 없는 대규모 애플리케이션에 유리할 수 있습니다. 튜닝 관점에서 중요한 요소는 상대적으로 큰 두 개의 서보모터가 무거운 부하를 배치하고 거의 최대 정격 토크와 속도로 작동한다는 것입니다. 모터가 동기화되지 않으면 본질적으로 위치를 놓고 서로 싸우는 데 토크가 낭비됩니다. 그러나 두 서보의 게인이 동일하면 모델 예측 제어 지연도 동일하며 모터는 서로 동기화된 상태를 유지합니다.

이와 같은 애플리케이션을 조정하는 첫 번째 단계는 모터 중 하나를 물리적으로 제거하고 모터 하나만 사용하여 평소처럼 시스템을 조정하는 것입니다. 하나의 서보모터는 안정적인 축 제어에 충분하지만 필요한 프로필을 실행하기에는 토크가 충분하지 않습니다. 이 경우 관성 매개변수를 설정하고 모델 예측 제어 기능을 활성화하는 제조업체의 자동 튜닝 시퀀스가 ​​사용됩니다. 참고: 하나의 모터에서 발견된 시스템 게인은 궁극적으로 두 모터에서 동일하게 공유되어야 합니다. 관성 매개변수는 서보 루프 게인에 대한 배율 인자로 작용하고 각 증폭기의 원래 튜닝 결과의 절반으로 설정되므로 이 단계를 쉽게 만듭니다. 그런 다음 나머지 튜닝 결과를 축 1에서 축 2로 복사할 수 있습니다. 최종 조정은 축 2에서 통합 구성 요소를 제거하는 것입니다. 즉, 두 번째 모터에 "가속 지원" 역할을 할당하고 작은 통합 수정 사항은 모터 1에만 남겨 두는 것입니다.

이러한 애플리케이션의 튜닝 개념에는 두 단계가 포함됩니다. 첫 번째 단계는 제조업체가 제공하는 자동 튜닝 기능을 시작점으로 사용하여 각 축을 개별적으로 튜닝하고 모델 예측 제어를 활성화하는 것입니다. 진동 억제도 적용됩니다. 이 단계가 끝나면 각 축은 진동을 최소화하면서 깨끗하고 부드러운 반응을 보입니다.

두 번째 단계에서는 축이 함께 실행되어 컨트롤러의 관점에서 "모의 실행" 중에 오류를 모니터링합니다. 동일하게 설정된 MPC 게인부터 시작하여 시행착오를 통해 낮은 위치 오류, 등위 위치 오류 및 부드러운 동작의 균형을 맞추는 MPC 게인에 대한 최상의 설정을 결정합니다. 개념은 위치 오류가 동일하면 두 축이 같은 시간만큼 지연되고 동작 중 위치 오류가 높더라도 부품이 치수를 수정하기 위해 절단된다는 것입니다.