Lineer Eksenli Servo Sistem

Günümüzün ac servo sistemleri 10 yıl önce üretilenlerden bile çok farklıdır. Daha hızlı işlemciler ve daha yüksek çözünürlüklü kodlayıcılar, üreticilerin ayar teknolojisinde inanılmaz ilerlemeler uygulamasına olanak tanıyor. Model Tahminli Kontrol ve titreşim bastırma, karmaşık servo sistemlerde bile başarıyla uygulanabilecek iki ilerlemedir.

Servo ayarlama, ac servo sistemlerle ilgili olarak, elektrik kontrol sisteminin bağlı bir mekanik sisteme tepkisinin ayarlanmasıdır. Bir elektrik kontrol sistemi, servo amplifikatöre sinyaller göndererek servo motorun mekanik sistemi hareket ettirmesini sağlayan bir PLC veya hareket kontrol cihazından oluşur.

Elektromekanik bir cihaz olan servo motor, iki sistemi birleştiren kritik bileşen olarak hizmet eder. Mekanik sistemin davranışını tahmin etmek için elektrik kontrol sistemi içerisinde pek çok şey yapılabilir.

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

CPU hızı — her zamankinden daha hızlı

Daha hızlı CPU hızı her yerdedir ve servo amplifikatörler de istisna değildir. Bir zamanlar maliyeti çok yüksek olan CPU'lar, daha karmaşık ve etkili ayarlama algoritmalarına olanak tanıyarak servo amplifikatör tasarımında yerini aldı. On yıl önce hız döngüsünde 100 veya 200 Hz bant genişliğini görmek yaygındı, oysa bugünün hızları 1.000 Hz'in çok üzerinde olabiliyor.

Daha hızlı işlemciler, kontrol döngülerini çözmenin ötesinde, daha önce tespit edilemeyen makine özelliklerini keşfetmek için servo amplifikatörlerin tork, hız ve konumun yerleşik gerçek zamanlı analizini yapmasına olanak tanır. Karmaşık matematiksel modeller artık standart PID ayarının çok ötesine geçen gelişmiş ayar kontrol algoritmalarından yararlanmak için bir servo amplifikatörde uygun maliyetli bir şekilde uygulanabiliyor.

Dahası, daha hızlı bir işlemci, daha yüksek çözünürlüklü bir kodlayıcıdan gelen verileri de işleyebilir; ancak gelişmiş çözünürlük, sisteme daha iyi bir konumlandırma performansı sağlamaz. Sınırlayıcı konumlandırma faktörü genellikle kodlayıcı değil mekanik sistemdir; ancak daha yüksek çözünürlüklü bir kodlayıcı, kontrol sisteminin, daha düşük çözünürlüklü bir kodlayıcıyla tespit edilemeyen mekanik sistemdeki mikro hareketleri görmesine olanak tanır. Bu küçük hareketler genellikle titreşimlerin veya rezonansın sonucudur ve tespit edilirse mekanik sistemin davranışının anlaşılması, tahmin edilmesi ve telafi edilmesi için önemli veriler sağlayabilir.

Model öngörülü kontrolün temelleri

Özetle, Model Tahminli 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 döngüleri boyunca körü körüne zorlamaya gerek yoktur. Bunun yerine amaç, tahmin edilen 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 olarak makinenin geçerli bir matematiksel modeline sahip olması gerekir. Daha sonra performansı artırmak için modelin tork ve hız profili servo döngülere enjekte edilebilir. Bu modeller karmaşık matematiksel fonksiyonlar kullanır, ancak servo amplifikatördeki daha hızlı işlemciler sayesinde hareket kontrol endüstrisi bunların uygulanmaya başladığını görmeye başlıyor.

Pek çok avantajına rağmen, Model Tahminli Kontrolün bir dezavantajı vardır: Noktadan noktaya konumlandırma için harika çalışır, ancak hareket sırasında zaman gecikmesi pahasına. Zaman unsuru Model Tahminli Kontrol'ün doğasında vardır çünkü yakın geçmişteki hareket gelecekteki tepkiyi tahmin etmek için kullanılır. Bu gecikme nedeniyle denetleyiciden gelen komut profilinin tamamı izlenemeyebilir; bunun yerine, hareketin sonunda hızlı konumlandırma süresi üreten benzer bir profil oluşturulur.

Titreşim bastırma

MPC'nin en kullanışlı yönlerinden biri, makinedeki düşük frekanslı titreşimi modelleme, tahmin etme ve bastırma yeteneğidir. Bir makinede tek haneli Hz'den binlerce Hz'e kadar frekanslarda titreşim meydana gelebilir. 1'ler ve 10'lar Hz'lik düşük frekanslı titreşim (çoğunlukla bir hareketin başında ve sonunda fark edilir) makinenin çalışma frekansı dahilinde olduğu için özellikle sorun yaratır.

Belirli ekipman konfigürasyonları (örneğin, uzun ve ince kavrama koluna sahip bir makine), bu düşük rezonans frekansını diğerlerinden daha fazla sergileme eğilimindedir. Bu tür titreşime eğilimli tasarımlar uzunluk açısından, belki de bir parçanın bir açıklıktan yerleştirilmesi için gerekli olabilir. Düşük frekanslarda salınan büyük parçalardan yapılma eğiliminde olan büyük makineler de titreşime yatkındır. Bu tür uygulamalarda hareket sonu motor konumunda salınım meydana gelir. 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 tam olarak komut verilen profilden sapma, noktadan noktaya hareket için önemsizdir. Ancak bir servo ekseni diğerine mekanik olarak bağlandığında hareket profilleri birbirini etkiler. Çift motorlu bilyalı vidalı aktüatör böyle bir konfigürasyondur.

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

Bunun gibi bir uygulamayı ayarlamanın ilk adımı, motorlardan birini fiziksel olarak çıkarmak ve sistemi her zamanki gibi yalnızca bir motorla ayarlamaktır. Stabil eksen kontrolü için bir servo motor yeterlidir, ancak gerekli profili çalıştırmak için yeterli tork yoktur. Bu durumda, bir atalet parametresi ayarlayan ve Model Tahminli Kontrol özelliğini etkinleştiren üreticinin otomatik ayarlama dizisi kullanılır. Not: Bir motorda bulunan sistem kazancı sonuçta her iki motor tarafından eşit olarak paylaşılmalıdır. Atalet parametresi bu adımı kolaylaştırır çünkü servo döngü kazançları için bir ölçek faktörü görevi görür ve böylece her amplifikatörde orijinal ayarlama sonucunun yarısına ayarlanır. Ayarlama sonucunun geri kalanı daha sonra birinci eksenden ikinci eksene kopyalanabilir. Son ayarlama, entegrasyon bileşenini ikinci eksenden çıkarmaktır; ikinci motora "hızlanma desteği" rolü atanır ve küçük entegrasyon düzeltmeleri yalnızca birinci motora bırakılır.

Böyle bir uygulamaya yönelik ayar konsepti iki aşamayı içerir. İlk aşama, üreticinin sağladığı otomatik ayarlama özelliğini başlangıç ​​noktası olarak kullanarak her ekseni ayrı ayrı ayarlamak ve Model Tahminli Kontrolü etkinleştirmektir. Titreşim bastırma da uygulanır. Bu aşamanın sonunda her eksen minimum titreşimle temiz ve düzgün bir tepkiye sahip olur.

İkinci aşamada, eksenler birlikte çalıştırılır ve "prova çalışması" sırasındaki hata kontrolörün bakış açısından izlenir. MPC kazançlarının eşit olarak ayarlanmasıyla başlayarak deneme yanılma, düşük konum hatasını, eşit konum hatasını ve yumuşak hareketi dengeleyen bir MPC kazancı için en iyi ayarları belirleyecektir. Buradaki kavram, eğer konum hatası aynıysa, her iki eksen de aynı süre kadar geciktirilir ve hareket sırasında konum hatası yüksek olsa bile parça doğru boyutlarda kesilir.