Сервосистема с линейной осью

Современные сервосистемы переменного тока значительно отличаются от тех, что создавались даже 10 лет назад. Более быстрые процессоры и энкодеры с более высоким разрешением позволяют производителям внедрять удивительные достижения в технологии настройки. Модель прогнозирующего управления и подавление вибраций — два таких достижения, которые могут быть успешно применены даже в сложных сервосистемах.

Настройка сервоприводов в системах переменного тока — это корректировка реакции электрической системы управления на подключенную механическую систему. Электрическая система управления состоит из ПЛК или контроллера движения, который посылает сигналы на сервоусилитель, заставляя серводвигатель приводить механическую систему в движение.

Сервомотор — электромеханическое устройство — является важнейшим компонентом, объединяющим две системы. В рамках электрической системы управления можно многое сделать для прогнозирования поведения механической системы.

В этой статье мы рассмотрим две современные технологии настройки сервоприводов — модель прогнозирующего управления (MPC) и подавление вибраций — и аспекты их применения.

Скорость процессора — выше, чем когда-либо.

Более высокая скорость работы процессоров наблюдается повсюду, и сервоусилители не являются исключением. Процессоры, которые когда-то были слишком дорогими, нашли применение в проектировании сервоусилителей, что позволяет создавать более сложные и эффективные алгоритмы настройки. Десять лет назад полоса пропускания в контуре управления скоростью была обычным явлением — 100 или 200 Гц, тогда как сегодня скорость может значительно превышать 1000 Гц.

Помимо решения задач управления контурами, более быстрые процессоры позволяют сервоусилителям проводить бортовой анализ крутящего момента, скорости и положения в реальном времени, чтобы обнаруживать свойства машины, которые ранее были недоступны для обнаружения. Сложные математические модели теперь могут быть экономически эффективно реализованы в сервоусилителе, чтобы использовать преимущества передовых алгоритмов управления настройкой, которые значительно превосходят стандартную настройку ПИД-регулятора.

Более того, более быстрый процессор также может обрабатывать данные от энкодера с более высоким разрешением, хотя улучшенное разрешение не обеспечивает системе более высокой точности позиционирования. Ограничивающим фактором позиционирования обычно является механическая система, а не энкодер, — но энкодер с более высоким разрешением позволяет системе управления обнаруживать микроскопические перемещения в механической системе, которые невозможно обнаружить с помощью энкодера с более низким разрешением. Эти небольшие перемещения часто являются результатом вибраций или резонанса и, если их обнаружить, могут предоставить важные данные для понимания, прогнозирования и компенсации поведения механической системы.

Основы модельного прогнозирующего управления

Вкратце, модель прогнозирующего управления использует заданный ранее профиль для прогнозирования будущего крутящего момента и скорости. Если скорость и крутящий момент для определенного движения приблизительно известны, то нет необходимости слепо навязывать профиль движения через ПИД-регуляторы, которые реагируют только на ошибку. Вместо этого идея заключается в том, чтобы подавать прогнозируемые скорость и крутящий момент в качестве опережающей обратной связи в контуры сервоуправления и позволять контурам реагировать на любую оставшуюся минимальную ошибку.

Для корректной работы усилителя необходима корректная математическая модель машины, основанная на таких свойствах, как инерция, трение и жесткость. Затем профиль крутящего момента и скорости модели может быть передан в сервоконтуры для повышения производительности. Эти модели используют сложные математические функции, но благодаря более быстрым процессорам в сервоусилителях, в индустрии управления движением начинает появляться возможность их применения.

Несмотря на многочисленные преимущества, у системы управления с прогнозированием модели есть и обратная сторона: она отлично подходит для позиционирования от точки к точке, но за счет задержки по времени во время перемещения. Временной элемент присущ системе управления с прогнозированием модели, поскольку для прогнозирования будущей реакции используется недавнее предыдущее перемещение. Из-за этой задержки точный профиль команд от контроллера может не совпадать; вместо этого генерируется аналогичный профиль, обеспечивающий быстрое позиционирование в конце перемещения.

Подавление вибрации

Одним из наиболее полезных аспектов MPC является возможность моделирования, прогнозирования и подавления низкочастотных вибраций в станке. Вибрации в станке могут возникать на частотах от нескольких герц до тысяч герц. Низкочастотные вибрации в диапазоне 1-10 Гц — часто заметные в начале и конце движения — особенно проблематичны, поскольку находятся в пределах рабочей частоты станка.

Некоторые конфигурации оборудования (например, машина с длинным и тонким захватным рычагом) склонны проявлять эту низкую резонансную частоту сильнее, чем другие. Такие подверженные вибрации конструкции могут быть необходимы, например, для вставки детали через отверстие. Также подвержены вибрации крупные машины, которые, как правило, состоят из больших деталей, колеблющихся на более низких частотах. В таких приложениях колебания возникают в положении двигателя в конце перемещения. Технология подавления вибрации в сервоусилителе значительно снижает такие колебания машины.

MPC в двухмоторной сервосистеме

Применение MPC к одноосевому актуатору не представляет сложности, и отклонение от точно заданного профиля не имеет значения для перемещения от точки к точке. Однако, когда одна сервоось механически связана с другой, их профили движения влияют друг на друга. Двухмоторный шариковинтовой актуатор — одна из таких конфигураций.

Такая двухмоторная конфигурация может быть выгодна в более крупных приложениях, где крутящий момент, необходимый для разгона ротора двигателя, значителен, и один, более крупный двигатель не смог бы обеспечить требуемый крутящий момент и ускорение. С точки зрения настройки, критическим фактором является то, что два относительно больших серводвигателя позиционируют тяжелую нагрузку и работают почти на полной номинальной мощности и скорости. Если двигатели рассинхронизируются, их крутящий момент будет потрачен впустую на борьбу друг с другом за позицию. Однако, если коэффициенты усиления обоих серводвигателей равны, то задержки в системе прогнозирующего управления также равны, и двигатели остаются синхронизированными друг с другом.

Первый шаг в настройке подобного приложения — физическое удаление одного из двигателей и настройка системы обычным способом с использованием только одного двигателя. Одного сервомотора достаточно для стабильного управления осью, но недостаточно для выполнения требуемого профиля крутящего момента. В этом случае используется последовательность автоматической настройки производителя, которая устанавливает параметр инерции и включает функцию прогнозирующего управления моделью. Примечание: коэффициент усиления системы, полученный с помощью одного двигателя, в конечном итоге должен быть равномерно распределен между обоими двигателями. Параметр инерции упрощает этот шаг, поскольку он действует как масштабный коэффициент для коэффициентов усиления контура сервопривода, поэтому он устанавливается равным половине исходного результата настройки в каждом усилителе. Оставшуюся часть результата настройки затем можно скопировать с оси один на ось два. Последняя настройка заключается в удалении компонента интегрирования с оси два — назначая второму двигателю роль «помощника ускорения», а небольшие корректировки интегрирования оставляя на двигателе один.

Концепция настройки для такого приложения включает два этапа. Первый этап заключается в индивидуальной настройке каждой оси с использованием предоставленной производителем функции автоматической настройки в качестве отправной точки и включении управления на основе прогнозирования модели. Также применяется подавление вибраций. По завершении этого этапа каждая ось обеспечивает плавную и четкую реакцию с минимальной вибрацией.

На втором этапе оси перемещаются одновременно, при этом ошибка отслеживается во время «пробного запуска» с точки зрения контроллера. Начиная с одинаковых коэффициентов усиления MPC, методом проб и ошибок определяются оптимальные настройки коэффициента усиления MPC, обеспечивающие баланс между низкой ошибкой позиционирования, одинаковой ошибкой позиционирования и плавным движением. Суть в том, что если ошибка позиционирования одинакова, то обе оси задерживаются на одинаковое время, и деталь вырезается с правильными размерами, даже если ошибка позиционирования высока во время движения.