Doğrusal Eksen Servo Sistemi

Günümüzün AC servo sistemleri, 10 yıl önce üretilenlerden bile çok farklı. Daha hızlı işlemciler ve daha yüksek çözünürlüklü kodlayıcılar, üreticilerin ayar teknolojisinde inanılmaz ilerlemeler kaydetmesini sağlıyor. Model Tahminli Kontrol ve titreşim bastırma, karmaşık servo sistemlerinde bile başarıyla uygulanabilen bu tür gelişmelerden ikisidir.

AC servo sistemlerine ilişkin servo ayarı, bağlı bir mekanik sisteme elektrik kontrol sistemi tepkisinin ayarlanmasıdır. Elektrik kontrol sistemi, servo amplifikatöre sinyaller gönderen ve servo motorun mekanik sistemi hareket ettirmesini sağlayan bir PLC veya hareket kontrolöründen oluşur.

Elektromekanik bir cihaz olan servomotor, iki sistemi birleştiren kritik bileşen görevi görür. Elektrik kontrol sistemi içinde, mekanik sistemin davranışını tahmin etmek için çok şey yapılabilir.

Bu makalede, modern servo ayarlama teknolojisinin iki tekniğini (model öngörülü kontrol (MPC) ve titreşim bastırma) ve bunların uygulama düzeyindeki değerlendirmelerini inceleyeceğiz.

CPU hızı — her zamankinden daha hızlı

Daha hızlı CPU hızları her yerde ve servo amplifikatörler de bir istisna değil. Bir zamanlar maliyeti çok yüksek olan CPU'lar, servo amplifikatör tasarımına girerek daha karmaşık ve etkili ayar algoritmalarına olanak sağladı. On yıl önce, hız döngüsünde 100 veya 200 Hz bant genişliği yaygınken, günümüzün hızları 1.000 Hz'nin oldukça üzerinde olabiliyor.

Kontrol döngülerini çözmenin ötesinde, daha hızlı işlemciler servo amplifikatörlerin tork, hız ve konumun yerleşik gerçek zamanlı analizini yaparak daha önce tespit edilemeyen makine özelliklerini keşfetmesini sağlar. Karmaşık matematiksel modeller artık standart PID ayarının çok ötesine geçen gelişmiş ayar kontrol algoritmalarından yararlanmak için bir servo amplifikatör içinde uygun maliyetli bir şekilde uygulanabilir.

Dahası, daha hızlı bir işlemci, daha yüksek çözünürlüklü bir kodlayıcıdan gelen verileri de işleyebilir, ancak gelişmiş çözünürlük sisteme daha iyi bir konumlandırma performansı sağlamaz. Konumlandırmayı sınırlayan faktör genellikle kodlayıcı değil, mekanik sistemdir; ancak daha yüksek çözünürlüklü bir kodlayıcı, kontrol sisteminin mekanik sistemdeki, daha düşük çözünürlüklü bir kodlayıcıyla algılanamayan mikro hareketleri görmesini sağlar. Bu küçük hareketler genellikle titreşimlerin veya rezonansın bir sonucudur ve algılanırsa, mekanik sistemin davranışını anlamak, tahmin etmek ve telafi etmek için önemli veriler sağlayabilir.

Model tahmin kontrolünün temelleri

Özetle, Model Tahmini Kontrol, gelecekteki tork ve hızı tahmin etmek için geçmişte komut verilen profili kullanır. Belirli bir hareketin hızı ve torku kabaca biliniyorsa, hareket profilini yalnızca hataya yanıt veren PID döngülerinden körü körüne zorlamaya gerek yoktur. Bunun yerine, amaç, öngörülen hız ve torku servo kontrol döngülerine ileri besleme olarak sağlamak ve döngülerin kalan minimum hataya yanıt vermesini sağlamaktır.

Bunun doğru çalışması için, amplifikatörün atalet, sürtünme ve sertlik gibi özelliklere dayalı geçerli bir makine matematiksel modeline sahip olması gerekir. Daha sonra, modelin tork ve hız profili servo döngülerine enjekte edilerek performans artırılabilir. Bu modeller karmaşık matematiksel fonksiyonlar kullanır, ancak servo amplifikatördeki daha hızlı işlemciler sayesinde hareket kontrol endüstrisi de bu modellerin uygulamalarını görmeye başlamıştır.

Model Tahmini Kontrol'ün birçok avantajına rağmen bir dezavantajı vardır: Noktadan noktaya konumlandırma için harika çalışır, ancak hareket sırasında zaman gecikmesi pahasına. Zaman unsuru, Model Tahmini Kontrol'ün doğasında vardır çünkü yakın geçmişteki hareket, gelecekteki tepkiyi tahmin etmek için kullanılır. Bu gecikme nedeniyle, denetleyiciden gelen tam komut profili izlenmeyebilir; bunun yerine, hareketin sonunda hızlı konumlandırma süresi sağlayan benzer bir profil oluşturulur.

Titreşim bastırma

MPC'nin en kullanışlı yönlerinden biri, makinedeki düşük frekanslı titreşimleri modelleme, tahmin etme ve bastırma yeteneğidir. Titreşim, bir makinede tek haneli Hz'den binlerce Hz'e kadar frekanslarda meydana gelebilir. 1'ler ve 10'lar seviyesindeki düşük frekanslı titreşimler (genellikle bir hareketin başında ve sonunda fark edilir) makinenin çalışma frekansı içinde olduğu için özellikle sorunludur.

Belirli ekipman konfigürasyonları (örneğin, uzun ve ince bir tutucu kola sahip bir makine), bu düşük rezonans frekansını diğerlerinden daha fazla sergileme eğilimindedir. Bu tür titreşime yatkın tasarımlar, örneğin bir parçayı bir açıklıktan geçirmek için uzunluk açısından gerekli olabilir. Titreşime yatkın olan diğer bir grup ise, genellikle daha düşük frekanslarda salınım yapan büyük parçalardan oluşan büyük makinelerdir. Bu tür uygulamalarda, salınım, hareket sonu motor konumunda ortaya çıkar. Servo amplifikatördeki titreşim bastırma teknolojisi, bu tür makine salınımlarını önemli ölçüde azaltır.

Çift motorlu servo sisteminde MPC

MPC'nin tek eksenli bir aktüatöre uygulanması basittir ve noktadan noktaya hareket için tam olarak komut edilen profilden sapmak önemli değildir. Ancak, bir servo ekseni diğerine mekanik olarak bağlandığında, hareket profilleri birbirini etkiler. Çift motorlu bilyalı vidalı aktüatör de bu konfigürasyonlardan biridir.

Bu çift motor konfigürasyonu, motorun rotorunu hızlandırmak için gereken torkun önemli olduğu ve tek bir büyük motorun gereken tork ve ivmeyi sağlayamayacağı daha büyük uygulamalarda avantajlı olabilir. Ayarlama açısından kritik faktör, nispeten büyük iki servo motorun ağır bir yüke konumlanması ve neredeyse tam nominal tork ve hızda çalışmasıdır. Motorlar senkronize olmazsa, torkları esasen konum için birbirleriyle mücadele ederek boşa harcanacaktır. Ancak, her iki servonun kazançları eşitse, Model Tahminli Kontrol gecikmeleri de eşit olur ve motorlar birbirleriyle senkronize kalır.

Bu gibi bir uygulamayı ayarlamanın ilk adımı, motorlardan birini fiziksel olarak çıkarmak ve sistemi her zamanki gibi yalnızca bir motorla ayarlamak. Kararlı eksen kontrolü için bir servo motor yeterlidir, ancak gerekli profili çalıştırmak için yeterli tork yoktur. Bu durumda, üreticinin atalet parametresini ayarlayan ve Model Tahmini Kontrol özelliğini etkinleştiren otomatik ayarlama dizisi kullanılır. Not: Bir motorla bulunan sistem kazancı nihayetinde her iki motor tarafından eşit olarak paylaşılmalıdır. Atalet parametresi bu adımı kolaylaştırır çünkü servo döngü kazançlarına bir ölçek faktörü gibi davranır ve bu nedenle her amplifikatörde orijinal ayarlama sonucunun yarısına ayarlanır. Ayarlama sonucunun geri kalanı daha sonra eksen birden eksen ikiye kopyalanabilir. Son ayarlama, entegrasyon bileşenini eksen ikiden çıkarmaktır; ikinci motora "ivmelenme yardımı" rolünü atar ve küçük entegrasyon düzeltmelerini yalnızca motor bire bırakır.

Böyle bir uygulama için ayarlama konsepti iki aşamadan oluşur. İlk aşama, üreticinin sağladığı otomatik ayarlama özelliğini başlangıç noktası olarak kullanarak her ekseni ayrı ayrı ayarlamak ve Model Tahmini Kontrolünü etkinleştirmektir. Titreşim bastırma da uygulanır. Bu aşamanın sonunda, her eksen minimum titreşimle temiz ve pürüzsüz bir tepkiye sahip olur.

İkinci aşamada, eksenler birlikte çalıştırılır ve hata, kontrolörün bakış açısından bir "deneme çalışması" sırasında izlenir. MPC kazançları eşit olarak ayarlandıktan sonra, deneme yanılma yöntemiyle düşük konum hatası, eşit konum hatası ve akıcı hareket arasında denge kuran bir MPC kazancı için en iyi ayarlar belirlenir. Buradaki konsept, konum hatası aynıysa, her iki eksenin de aynı süre kadar geciktirilmesi ve hareket sırasında konum hatası yüksek olsa bile parçanın doğru boyutlarda kesilmesidir.