Sistema Servo de Eixo Linear

Os servossistemas CA atuais são muito diferentes daqueles construídos há 10 anos. Processadores mais rápidos e codificadores de resolução mais alta estão permitindo que os fabricantes implementem avanços surpreendentes na tecnologia de ajuste. O controle preditivo de modelo e a supressão de vibração são dois desses avanços que podem ser aplicados com sucesso mesmo em sistemas servo complexos.

O ajuste do servo, no que se refere aos 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 servo amplificador, fazendo com que o servomotor faça o sistema mecânico se mover.

O servomotor – um dispositivo eletromecânico – serve como 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

A velocidade mais rápida da CPU está em toda parte, e os servoamplificadores não são exceção. CPUs que antes tinham custos proibitivos chegaram ao design de servo amplificadores, permitindo algoritmos de ajuste mais complexos e eficazes. Há dez anos, era comum ver largura 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 façam análises integradas em tempo real de torque, velocidade e posição, a fim de descobrir propriedades da máquina que anteriormente não podiam ser detectadas. Modelos matemáticos complexos agora podem ser implementados de maneira econômica em um servo amplificador para aproveitar as vantagens de algoritmos de controle de sintonia avançados que vão muito além do ajuste PID padrão.

Além do mais, um processador mais rápido também pode lidar com os dados de um codificador de resolução mais alta, embora a resolução aprimorada não proporcione ao sistema melhor desempenho de posicionamento. 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 indetectáveis ​​com um codificador de resolução mais baixa. Esses pequenos movimentos são frequentemente resultado de vibrações ou ressonância e, se detectados, podem fornecer dados importantes para a compreensão, previsão e compensação do comportamento do sistema mecânico.

Os princípios básicos do controle preditivo de modelo

Resumindo, o Model Predictive Control usa o perfil comandado no passado para prever o torque e a velocidade futuros. Se a velocidade e o torque para um determinado movimento forem conhecidos aproximadamente, então não há necessidade de forçar cegamente o perfil do movimento através dos loops PID, que respondem apenas a erros. Em vez disso, a ideia é fornecer a velocidade e o torque previstos como feed-forward para as malhas de servocontrole e deixar as malhas responderem a qualquer erro mínimo 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 perfil de torque e velocidade do modelo pode ser injetado nos circuitos servo, para aumentar o desempenho. Esses modelos usam funções matemáticas complexas, mas graças aos processadores mais rápidos no servo amplificador, a indústria de controle de movimento está começando a ver sua implementação.

Apesar de seus muitos benefícios, o Model Predictive Control tem uma desvantagem: funciona muito bem para posicionamento ponto a ponto, mas às custas do atraso durante a movimentação. O elemento tempo é inerente ao Controle Preditivo do Modelo porque o movimento passado recente é usado para prever a resposta futura. Devido a esse atraso, o perfil exato do comando do controlador pode não ser seguido; em vez disso, é gerado um perfil semelhante que produz um tempo de posicionamento rápido no 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 de Hz de um dígito até milhares de Hz. A vibração de baixa frequência na ordem de 1s e 10s de Hz – muitas vezes perceptível no início e no final de um movimento – é particularmente problemática porque está dentro da frequência operacional da máquina.

Certas configurações de equipamento (por exemplo, uma máquina com um braço de pinça longo e delgado) tendem a exibir esta frequência de baixa ressonância mais do que outras. Esses projetos propensos a vibrações podem ser necessários para o comprimento, talvez para inserir uma peça através de uma abertura. Também propensas à vibração estão as máquinas grandes, que tendem a ser feitas de peças grandes que oscilam em frequências mais baixas. Com estes tipos de aplicações, a oscilação aparece na posição do motor no final do movimento. A tecnologia de supressão de vibração no servo amplificador 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 direta e o desvio do perfil exato comandado não é importante para o movimento ponto a ponto. No entanto, quando um servo-eixo está mecanicamente ligado a outro, os seus perfis de movimento afetam-se mutuamente. Um atuador de parafuso esférico de motor duplo é uma dessas configurações.

Esta configuração de motor duplo pode ser vantajosa em aplicações maiores para as 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 completos. Se os motores ficarem dessincronizados, seus torques serão desperdiçados essencialmente lutando entre si por posição. No entanto, se os ganhos de ambos os servos 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 essa é remover fisicamente um dos motores e ajustar o sistema normalmente com apenas um motor. Um servomotor é suficiente para um controle estável do eixo, mas não há torque suficiente para executar o perfil necessário. Neste caso, é utilizada a sequência de autoajuste do fabricante, que configura um parâmetro de inércia e habilita o recurso Controle Preditivo do Modelo. Nota: O ganho do sistema encontrado com um motor deve ser dividido igualmente por ambos os motores. O parâmetro de inércia facilita esta etapa porque atua como um fator de escala para os ganhos do circuito servo e, portanto, é definido como metade do resultado de sintonia 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 à 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 é ajustar cada eixo individualmente usando o recurso de autoajuste fornecido pelo fabricante como ponto de partida e ativar o Controle Preditivo do Modelo. A supressão de vibração também é aplicada. No final desta fase, cada eixo apresenta uma resposta limpa e suave com vibração mínima.

Na segunda fase, os eixos são executados juntos, monitorando o erro durante um “ensaio” da perspectiva do controlador. Começando com os ganhos MPC definidos como iguais, a tentativa e erro determinarão as melhores configurações para um ganho MPC que equilibre o erro de posição baixo, o erro de posição igual e o movimento suave. O conceito é que, se o erro de posição for o mesmo, ambos os eixos serão atrasados ​​pela mesma quantidade de tempo e a peça será cortada para corrigir as dimensões, mesmo que o erro de posição seja alto durante o movimento.