Линейная осевая сервосистема

Сегодняшние сервосистемы переменного тока сильно отличаются от тех, что были созданы даже 10 лет назад. Более быстрые процессоры и энкодеры с более высоким разрешением позволяют производителям внедрять удивительные достижения в технологии настройки. Управление с прогнозированием моделей и подавление вибрации — два таких достижения, которые можно успешно применять даже в сложных сервосистемах.

Настройка сервопривода, относящаяся к сервосистемам переменного тока, представляет собой настройку реакции электрической системы управления на подключенную механическую систему. Электрическая система управления состоит из ПЛК или контроллера движения, который посылает сигналы на сервоусилитель, заставляя серводвигатель заставлять механическую систему двигаться.

Серводвигатель — электромеханическое устройство — служит критическим компонентом, объединяющим две системы. Многое можно сделать в рамках электрической системы управления, чтобы предсказать поведение механической системы.

В этой статье мы рассмотрим два метода современной технологии настройки сервоприводов — управление на основе прогнозных моделей (MPC) и подавление вибраций — и особенности их применения.

Скорость ЦП — быстрее, чем когда-либо

Более высокая скорость ЦП есть везде, и сервоусилители не являются исключением. ЦП, которые когда-то были непомерно дорогими, нашли свое место в конструкции сервоусилителей, позволяя использовать более сложные и эффективные алгоритмы настройки. Десять лет назад было обычным видеть полосу пропускания в 100 или 200 Гц в контуре скорости, тогда как сегодняшние скорости могут быть значительно выше 1000 Гц.

Помимо решения контуров управления, более быстрые процессоры позволяют сервоусилителям выполнять встроенный анализ крутящего момента, скорости и положения в реальном времени, чтобы обнаружить свойства машины, которые ранее не могли быть обнаружены. Сложные математические модели теперь могут быть экономически эффективно реализованы в сервоусилителях, чтобы воспользоваться преимуществами расширенных алгоритмов управления настройкой, которые выходят далеко за рамки стандартной настройки ПИД.

Более того, более быстрый процессор также может обрабатывать данные с кодировщика с более высоким разрешением, хотя улучшенное разрешение не дает системе более высокой производительности позиционирования. Ограничивающим фактором позиционирования обычно является механическая система, а не кодировщик, но кодировщик с более высоким разрешением позволяет системе управления видеть микродвижения в механической системе, необнаруживаемые кодировщиком с более низким разрешением. Эти небольшие движения часто являются результатом вибраций или резонанса и, если они обнаружены, могут предоставить важные данные для понимания, прогнозирования и компенсации поведения механической системы.

Основы модельного предиктивного управления

В двух словах, Model Predictive Control использует прошлый заданный профиль для прогнозирования будущего крутящего момента и скорости. Если скорость и крутящий момент для определенного движения приблизительно известны, то нет необходимости слепо проталкивать профиль движения через контуры ПИД, которые реагируют только на ошибку. Вместо этого идея заключается в том, чтобы подавать прогнозируемую скорость и крутящий момент в качестве прямой связи в контуры сервоуправления и позволять контурам реагировать на любую оставшуюся минимальную ошибку.

Для корректной работы усилитель должен иметь действительную математическую модель машины, основанную на таких свойствах, как инерция, трение и жесткость. Затем крутящий момент и профиль скорости модели можно ввести в сервоконтуры для повышения производительности. Эти модели используют сложные математические функции, но благодаря более быстрым процессорам в сервоусилителях отрасль управления движением начинает видеть их реализацию.

Несмотря на многочисленные преимущества, у Model Predictive Control есть компромисс: он отлично подходит для позиционирования точка-точка, но за счет задержки во время перемещения. Элемент времени присущ Model Predictive Control, поскольку недавнее прошлое перемещение используется для прогнозирования будущего ответа. Из-за этой задержки точный профиль команды от контроллера может не соблюдаться; вместо этого генерируется похожий профиль, который обеспечивает быстрое время позиционирования в конце перемещения.

Подавление вибрации

Одним из самых полезных аспектов MPC является способность моделировать, прогнозировать и подавлять низкочастотную вибрацию в машине. Вибрация может возникать в машине на частотах от единиц Гц до тысяч Гц. Низкочастотная вибрация в пределах единиц и десятков Гц — часто заметная в начале и конце движения — особенно неприятна, поскольку она находится в пределах рабочей частоты машины.

Определенные конфигурации оборудования (например, машина с длинной и тонкой рукой захвата) имеют тенденцию демонстрировать эту низкорезонансную частоту больше, чем другие. Такие конструкции, подверженные вибрации, могут потребоваться для длины, возможно, для вставки детали через отверстие. Также подвержены вибрации большие машины, которые, как правило, состоят из больших деталей, которые колеблются на более низких частотах. При таких типах применения колебания возникают в положении двигателя в конце хода. Технология подавления вибрации в сервоусилителе значительно снижает такие колебания машины.

MPC в двухмоторной сервосистеме

Применение MPC к одноосному приводу простое, и отклонение от точного заданного профиля не имеет значения для движения от точки к точке. Однако, когда одна сервоось механически связана с другой, их профили движения влияют друг на друга. Одной из таких конфигураций является двухмоторный шарико-винтовой привод.

Такая конфигурация с двумя двигателями может быть выгодной в более крупных приложениях, для которых крутящий момент, необходимый для ускорения ротора двигателя, значителен, а один более крупный двигатель не сможет обеспечить требуемый крутящий момент и ускорение. С точки зрения настройки критическим фактором является то, что два относительно больших серводвигателя позиционируют большую нагрузку и работают с почти полным номинальным крутящим моментом и скоростью. Если двигатели рассинхронизируются, их крутящие моменты будут тратиться впустую, по сути, на борьбу друг с другом за положение. Однако, если коэффициенты усиления обоих сервоприводов равны, то задержки Model Predictive Control также равны, и двигатели остаются синхронизированными друг с другом.

Первый шаг в настройке такого приложения — физически удалить один из двигателей и настроить систему как обычно, используя только один двигатель. Одного серводвигателя достаточно для стабильного управления осью, но недостаточно крутящего момента для работы требуемого профиля. В этом случае используется последовательность автонастройки производителя, которая устанавливает параметр инерции и включает функцию Model Predictive Control. Примечание: коэффициент усиления системы, найденный для одного двигателя, в конечном итоге должен быть разделен поровну между обоими двигателями. Параметр инерции упрощает этот шаг, поскольку он действует как масштабный коэффициент для коэффициентов усиления контура сервопривода, и поэтому он устанавливается равным половине исходного результата настройки в каждом усилителе. Затем оставшуюся часть результата настройки можно скопировать с оси один на ось два. Последняя настройка заключается в удалении компонента интеграции из оси два — назначении второму двигателю роли «помощника при ускорении» и оставлении небольших поправок интеграции только для двигателя один.

Концепция настройки для такого приложения включает в себя две фазы. Первая фаза заключается в индивидуальной настройке каждой оси с использованием предоставленной производителем функции автоматической настройки в качестве отправной точки и включении Model Predictive Control. Также применяется подавление вибрации. В конце этой фазы каждая ось имеет чистый и плавный отклик с минимальной вибрацией.

На втором этапе оси запускаются вместе, отслеживая ошибку во время «холостого хода» с точки зрения контроллера. Начиная с коэффициентов усиления MPC, установленных равными, методом проб и ошибок будут определены наилучшие настройки для коэффициента усиления MPC, которые уравновешивают низкую ошибку положения, равную ошибку положения и плавное движение. Концепция заключается в том, что если ошибка положения одинакова, то обе оси задерживаются на одинаковое количество времени, и деталь разрезается до правильных размеров, даже если ошибка положения высока во время движения.