Сервосистема с линейной осью

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

Настройка сервоприводов, 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 перемещать механическую систему.

Серводвигатель — электромеханическое устройство — служит важнейшим компонентом, объединяющим две системы. В электрической системе управления можно многое сделать, чтобы предсказать поведение механической системы.

В этой статье мы рассмотрим два метода современной технологии настройки сервоприводов — управление с прогнозированием модели (MPC) и подавление вибрации — и их аспекты на уровне приложения.

Скорость процессора — быстрее, чем когда-либо

Более высокая скорость процессора присутствует повсюду, и сервоусилители не являются исключением. Процессоры, которые когда-то были непомерно дорогими, нашли свое применение в конструкции сервоусилителей, что позволяет использовать более сложные и эффективные алгоритмы настройки. Десять лет назад в контуре скорости было обычным явлением полоса пропускания 100 или 200 Гц, тогда как сегодняшние скорости могут значительно превышать 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 можно эффективно реализовать в сервоусилителях, используя преимущества усовершенствованных алгоритмов управления настройкой, которые выходят далеко за рамки стандартной настройки ПИД-регулятора.

Более того, более быстрый процессор также может обрабатывать данные от кодера с более высоким разрешением, хотя повышенное разрешение не дает системе лучшей производительности позиционирования. Ограничивающим фактором позиционирования обычно является механическая система, а не энкодер, но энкодер с более высоким разрешением позволяет системе управления видеть микродвижения в механической системе, которые невозможно обнаружить с помощью энкодера с более низким разрешением. Эти небольшие движения часто являются результатом вибраций или резонанса и, если их обнаружить, могут предоставить важные данные для понимания, прогнозирования и компенсации поведения механической системы.

Основы прогнозного управления моделью

Короче говоря, Model Predictive Control использует прошлый заданный профиль для прогнозирования будущего крутящего момента и скорости. Если скорость и крутящий момент для определенного хода примерно известны, то нет необходимости слепо проталкивать профиль перемещения через контуры ПИД-регулирования, которые реагируют только на ошибку. Вместо этого идея состоит в том, чтобы передать прогнозируемую скорость и крутящий момент в качестве прямой связи с контурами сервоуправления и позволить контурам реагировать на любую оставшуюся минимальную ошибку.

Чтобы это работало правильно, усилитель должен иметь действительную математическую модель машины, основанную на таких свойствах, как инерция, трение и жесткость. Затем профиль крутящего момента и скорости модели можно ввести в контуры сервоприводов для повышения производительности. В этих моделях используются сложные математические функции, но благодаря более быстрым процессорам в сервоусилителях индустрия управления движением начинает видеть их реализацию.

Несмотря на множество преимуществ, у Model Predictive Control есть недостаток: он отлично работает для позиционирования «точка-точка», но за счет временной задержки во время перемещения. Элемент времени присущ модели прогнозирующего управления, поскольку движение недавнего прошлого используется для прогнозирования будущей реакции. Из-за этой задержки точный профиль команд от контроллера может не соблюдаться; вместо этого создается аналогичный профиль, который обеспечивает быстрое позиционирование в конце перемещения.

Подавление вибрации

Одним из наиболее полезных аспектов MPC является способность моделировать, прогнозировать и подавлять низкочастотную вибрацию в машине. Вибрация может возникать в машине на частотах от однозначных до тысяч Гц. Низкочастотная вибрация в пределах 1 и 10 Гц, часто заметная в начале и в конце движения, особенно неприятна, поскольку находится в пределах рабочей частоты машины.

Определенные конфигурации оборудования (например, машина с длинным и тонким захватным рычагом) склонны проявлять эту низкую резонансную частоту больше, чем другие. Такие подверженные вибрации конструкции могут потребоваться по длине, например, для вставки детали через отверстие. Также подвержены вибрации большие машины, которые, как правило, состоят из крупных деталей, колеблющихся на более низких частотах. В таких случаях в конечном положении двигателя появляются колебания. Технология подавления вибрации в сервоусилителе значительно снижает такие колебания машины.

MPC в двухмоторной сервосистеме

Применение MPC к одноосному приводу является простым, 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. Шарико-винтовой привод с двумя двигателями является одной из таких конфигураций.

Такая конфигурация с двумя двигателями может быть выгодна в более крупных приложениях, где крутящий момент, необходимый для ускорения ротора двигателя, значителен, а один, более крупный двигатель не способен обеспечить требуемый крутящий момент и ускорение. С точки зрения настройки решающим фактором является то, что два относительно больших серводвигателя несут большую нагрузку и работают почти с полным номинальным крутящим моментом и скоростью. Если двигатели станут несинхронизированными, их крутящие моменты будут потрачены впустую 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.

Первым шагом в настройке такого приложения является физическое удаление одного из двигателей и настройка системы, как обычно, с использованием только одного двигателя. Одного серводвигателя достаточно для стабильного управления осью, но недостаточно крутящего момента для запуска необходимого профиля. В этом случае используется последовательность автонастройки производителя, которая устанавливает параметр инерции и включает функцию прогнозного управления моделью. Примечание. Коэффициент усиления системы, полученный для одного двигателя, в конечном итоге должен равномерно распределяться между обоими двигателями. Параметр инерции упрощает этот шаг, поскольку он действует как масштабный коэффициент усиления контура сервопривода, поэтому в каждом усилителе он устанавливается равным половине исходного результата настройки. Оставшуюся часть результата настройки можно затем скопировать с первой оси на вторую ось. Последняя корректировка заключается в удалении компонента интеграции из второй оси, назначении второму двигателю роли «вспомогательного средства ускорения» и оставлении небольших поправок интеграции только для первого двигателя.

Концепция настройки такого приложения включает два этапа. На первом этапе необходимо настроить каждую ось индивидуально, используя в качестве отправной точки предоставленную производителем функцию автоматической настройки, и включить прогнозирующее управление моделью. Также применяется подавление вибрации. В конце этой фазы каждая ось имеет чистый и плавный отклик с минимальной вибрацией.

На втором этапе оси работают вместе, отслеживая ошибку во время «пробного прогона» с точки зрения контроллера. Начиная с установки коэффициентов усиления MPC равными, методом проб и ошибок будут определены лучшие настройки усиления MPC, которые уравновешивают низкую ошибку положения, ошибку равного положения и плавное движение. Идея заключается в том, что если ошибка положения одинакова, то обе оси задерживаются на одинаковое время, и деталь разрезается до правильных размеров, даже если ошибка положения во время движения велика.