Sistema Servo de Eixo Linear

Os sistemas servo CA atuais são muito diferentes daqueles construídos há apenas 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 por Modelo e a supressão de vibração são dois desses avanços que podem ser aplicados com sucesso até mesmo em sistemas servo complexos.

A sintonia de servos em sistemas servo CA consiste no ajuste da resposta do sistema de controle elétrico a um sistema mecânico conectado. Um sistema de controle elétrico consiste em um CLP (Controlador Lógico Programável) ou controlador de movimento, que envia sinais ao servoamplificador, fazendo com que o servomotor movimente o sistema mecânico.

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 da tecnologia moderna de ajuste de servomotores — o controle preditivo baseado em modelo (MPC) e a supressão de vibração — e suas considerações em nível de aplicação.

Velocidade da CPU — mais rápida do que nunca

A maior velocidade dos processadores está por toda parte, e os servoamplificadores não são exceção. Processadores que antes tinham um custo proibitivo agora são utilizados no projeto de servoamplificadores, permitindo algoritmos de ajuste mais complexos e eficazes. Há dez anos, era comum encontrar larguras de banda de 100 ou 200 Hz no circuito de controle de velocidade, enquanto hoje as velocidades podem ultrapassar os 1.000 Hz.

Além de solucionar problemas de malhas de controle, processadores mais rápidos permitem que servoamplificadores realizem análises 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 para aproveitar algoritmos avançados de controle de sintonia que vão muito além da sintonia PID padrão.

Além disso, um processador mais rápido também consegue lidar com os dados de um encoder de maior resolução, embora a resolução aprimorada não proporcione ao sistema um melhor desempenho de posicionamento. O fator limitante do posicionamento geralmente é o sistema mecânico, não o encoder — mas um encoder de maior resolução permite que o sistema de controle detecte micromovimentos no sistema mecânico que seriam indetectáveis ​​com um encoder de menor resolução. 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 baseado em modelos.

Em resumo, o Controle Preditivo por Modelo utiliza o perfil de comando passado para prever o torque e a 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 laços PID, que respondem apenas ao erro. Em vez disso, a ideia é fornecer a velocidade e o torque previstos como um sinal de antecipação para os laços de controle do servo e deixar que os laços respondam a qualquer erro mínimo restante.

Para que isso funcione corretamente, o amplificador deve possuir 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 inserido nos circuitos de servocontrole, para um desempenho aprimorado. Esses modelos utilizam funções matemáticas complexas, mas graças aos processadores mais rápidos presentes nos servoamplificadores, a indústria de controle de movimento está começando a ver sua implementação.

Apesar de suas muitas vantagens, o Controle Preditivo por Modelo (MPC) apresenta uma desvantagem: funciona muito bem para posicionamento ponto a ponto, mas à custa de um atraso durante o movimento. O fator tempo é inerente ao MPC, pois o movimento recente é usado para prever a resposta futura. Devido a esse atraso, o perfil de comando exato do controlador pode não ser seguido; em vez disso, um perfil semelhante é gerado, resultando em 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. Vibrações podem ocorrer em uma máquina em frequências que variam de alguns Hz a milhares de Hz. Vibrações de baixa frequência na faixa de 1 e 10 Hz — frequentemente perceptíveis no início e no final de um movimento — são particularmente problemáticas porque 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 compostas por peças grandes que oscilam em frequências mais baixas. Nesses tipos de aplicações, a oscilação ocorre na posição final 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 direta, e o desvio do perfil comandado exato é irrelevante para movimentos ponto a ponto. No entanto, quando um servoeixo está mecanicamente conectado a outro, seus perfis de movimento se afetam mutuamente. Um atuador de fuso de esferas com dois motores é um exemplo dessa configuração.

Essa configuração com dois motores 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 próximos ao máximo. Se os motores ficarem dessincronizados, seus torques serão desperdiçados, essencialmente competindo entre si pela posição. No entanto, se os ganhos de ambos os servomotores forem iguais, os atrasos do Controle Preditivo de Modelo (MPC) também serão iguais e os motores permanecerão sincronizados.

O primeiro passo para ajustar uma aplicação como esta 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 tem torque suficiente para executar o perfil necessário. Nesse caso, utiliza-se a sequência de autoajuste do fabricante, que define um parâmetro de inércia e habilita o recurso de Controle Preditivo de Modelo (MPC). Observação: o ganho do sistema obtido com um motor deve ser compartilhado igualmente entre os dois motores. O parâmetro de inércia facilita essa etapa, pois atua como um fator de escala para os ganhos do laço de servo, sendo 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 consiste em 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 para o motor um.

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

Na segunda fase, os eixos são operados simultaneamente, monitorando o erro durante um "teste a seco" da perspectiva do controlador. Começando com os ganhos do MPC definidos como iguais, o método de tentativa e erro determinará as melhores configurações para um ganho de MPC que equilibre baixo erro de posição, erro de posição igual e 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 nas dimensões corretas, mesmo que o erro de posição seja alto durante o movimento.