Sistema servo de eixo linear

Os sistemas servo CA atuais são muito diferentes daqueles construídos há 10 anos. Processadores mais rápidos e encoders de maior resolução estão permitindo que os fabricantes implementem avanços incríveis na tecnologia de ajuste. O Controle Preditivo de Modelo e a supressão de vibração são dois desses avanços que podem ser aplicados com sucesso até mesmo em sistemas servo complexos.

O ajuste de servo, no que se refere a sistemas servo CA, é o ajuste da resposta do sistema de controle elétrico a um sistema mecânico conectado. Um sistema de controle elétrico consiste em um CLP ou controlador de movimento, que envia sinais ao servoamplificador, fazendo com que o servomotor acione o sistema mecânico.

O servomotor — um dispositivo eletromecânico — serve como o componente crítico que une os dois sistemas. Muito pode ser feito dentro do sistema de controle elétrico para prever o comportamento do sistema mecânico.

Neste artigo, exploraremos duas técnicas de tecnologia moderna de ajuste de servo — controle preditivo de modelo (MPC) e supressão de vibração — e suas considerações em nível de aplicação.

Velocidade da CPU — mais rápida do que nunca

Velocidades de CPU mais rápidas estão em toda parte, e servoamplificadores não são exceção. CPUs que antes tinham um custo proibitivo agora fazem parte do projeto de servoamplificadores, permitindo algoritmos de ajuste mais complexos e eficazes. Dez anos atrás, era comum ver larguras de banda de 100 ou 200 Hz no loop de velocidade, enquanto as velocidades atuais podem estar bem acima de 1.000 Hz.

Além de resolver malhas de controle, processadores mais rápidos permitem que servoamplificadores realizem análises integradas em tempo real de torque, velocidade e posição, a fim de descobrir propriedades da máquina que antes não podiam ser detectadas. Modelos matemáticos complexos agora podem ser implementados de forma econômica em um servoamplificador, aproveitando algoritmos avançados de controle de ajuste que vão muito além do ajuste PID padrão.

Além disso, um processador mais rápido também pode processar os dados de um codificador de resolução mais alta, embora a resolução aprimorada não ofereça ao sistema um desempenho de posicionamento melhor. O fator limitante de posicionamento geralmente é o sistema mecânico, não o codificador — mas um codificador de resolução mais alta permite que o sistema de controle veja micromovimentos no sistema mecânico que seriam indetectáveis ​​com um codificador de resolução mais baixa. Esses pequenos movimentos são frequentemente o resultado de vibrações ou ressonância e, se detectados, podem fornecer dados importantes para a compreensão, previsão e compensação do comportamento do sistema mecânico.

Noções básicas de controle preditivo de modelo

Em resumo, o Controle Preditivo por Modelo utiliza o perfil comandado no passado para prever torque e velocidade futuros. Se a velocidade e o torque para um determinado movimento forem conhecidos aproximadamente, não há necessidade de forçar cegamente o perfil de movimento através dos circuitos PID, que respondem apenas a erros. Em vez disso, a ideia é fornecer a velocidade e o torque previstos como feed-forward para os circuitos de controle do servo e deixar que os circuitos respondam ao menor erro restante.

Para que isso funcione corretamente, o amplificador deve ter um modelo matemático válido da máquina, baseado em propriedades como inércia, atrito e rigidez. Em seguida, o torque e o perfil de velocidade do modelo podem ser injetados nos circuitos servo, para maior desempenho. Esses modelos utilizam funções matemáticas complexas, mas, graças aos processadores mais rápidos no servoamplificador, a indústria de controle de movimento está começando a ver sua implementação.

Apesar de seus muitos benefícios, o Controle Preditivo por Modelo tem uma desvantagem: funciona muito bem para posicionamento ponto a ponto, mas à custa de um atraso de tempo durante o movimento. O elemento tempo é inerente ao Controle Preditivo por Modelo, pois o movimento passado recente é usado para prever a resposta futura. Devido a esse atraso, o perfil exato de comando do controlador pode não ser seguido; em vez disso, um perfil semelhante é gerado, produzindo um tempo de posicionamento rápido ao final do movimento.

Supressão de vibração

Um dos aspectos mais úteis do MPC é a capacidade de modelar, prever e suprimir vibrações de baixa frequência na máquina. A vibração pode ocorrer em uma máquina em frequências que variam de um dígito de Hz a milhares de Hz. Vibrações de baixa frequência na faixa de 1s e 10s de Hz — frequentemente perceptíveis no início e no final de um movimento — são particularmente problemáticas, pois estão dentro da frequência de operação da máquina.

Certas configurações de equipamentos (por exemplo, uma máquina com um braço de garra longo e fino) tendem a apresentar essa baixa frequência de ressonância mais do que outras. Esses projetos propensos à vibração podem ser necessários devido ao comprimento, talvez para inserir uma peça através de uma abertura. Máquinas grandes também são propensas à vibração, pois tendem a ser feitas de peças grandes que oscilam em frequências mais baixas. Nesses tipos de aplicações, a oscilação aparece na posição de fim de curso do motor. A tecnologia de supressão de vibração no servoamplificador reduz significativamente essa oscilação da máquina.

MPC em um sistema servo de motor duplo

A aplicação do MPC a um atuador de eixo único é simples, e o desvio do perfil exato comandado não é importante para o movimento ponto a ponto. No entanto, quando um eixo servo é mecanicamente conectado a outro, seus perfis de movimento afetam um ao outro. Um atuador de fuso de esferas com motor duplo é uma dessas configurações.

Essa configuração de motor duplo pode ser vantajosa em aplicações maiores, nas quais o torque necessário para acelerar o rotor do motor é significativo e um único motor maior seria incapaz de fornecer o torque e a aceleração necessários. Do ponto de vista do ajuste, o fator crítico é que dois servomotores relativamente grandes estão posicionando uma carga pesada e operando com torque e velocidade nominais quase máximos. Se os motores ficarem dessincronizados, seus torques serão desperdiçados, essencialmente disputando posição entre si. No entanto, se os ganhos de ambos os servomotores forem iguais, os atrasos do Controle Preditivo do Modelo também serão iguais e os motores permanecerão sincronizados entre si.

O primeiro passo para ajustar uma aplicação como esta é remover fisicamente um dos motores e ajustar o sistema como de costume, com apenas um motor. Um servomotor é suficiente para o controle estável do eixo, mas não o torque suficiente para executar o perfil necessário. Neste caso, a sequência de autoajuste do fabricante é usada, o que define um parâmetro de inércia e habilita o recurso de Controle Preditivo do Modelo. Nota: O ganho do sistema encontrado com um motor deve, em última análise, ser compartilhado igualmente por ambos os motores. O parâmetro de inércia facilita esta etapa porque atua como um fator de escala para os ganhos do loop do servo e, portanto, é definido como metade do resultado do ajuste original em cada amplificador. O restante do resultado do ajuste pode então ser copiado do eixo um para o eixo dois. O ajuste final é remover o componente de integração do eixo dois — atribuindo ao segundo motor a função de "assistência de aceleração" e deixando as pequenas correções de integração apenas para o motor um.

O conceito de ajuste para tal aplicação envolve duas fases. A primeira fase consiste em ajustar cada eixo individualmente, utilizando o recurso de autoajuste fornecido pelo fabricante como ponto de partida, e habilitar o Controle Preditivo do Modelo. A supressão de vibração também é aplicada. Ao final desta fase, cada eixo apresenta uma resposta limpa e suave, com vibração mínima.

Na segunda fase, os eixos são operados em conjunto, monitorando o erro durante um "teste" da perspectiva do controlador. Partindo dos ganhos de MPC definidos como iguais, o método de tentativa e erro determinará as melhores configurações para um ganho de MPC que equilibre erro de posição baixo, erro de posição igual e movimento suave. O conceito é que, se o erro de posição for o mesmo, ambos os eixos são atrasados ​​pelo mesmo tempo, e a peça é cortada nas dimensões corretas, mesmo que o erro de posição seja alto durante o movimento.