Doğrusal Eksen Servo Sistemi

Günümüzün AC servo sistemleri, 10 yıl öncesine göre bile çok farklı. Daha hızlı işlemciler ve daha yüksek çözünürlüklü enkoderler, üreticilerin ayarlama teknolojisinde inanılmaz ilerlemeler kaydetmelerini sağlıyor. Model Tahminli Kontrol ve titreşim bastırma, karmaşık servo sistemlerinde bile başarıyla uygulanabilen bu tür iki ilerlemedir.

AC servo sistemlerinde servo ayarı, bağlı bir mekanik sisteme elektrik kontrol sisteminin tepkisinin ayarlanmasıdır. Elektrik kontrol sistemi, servo motorun mekanik sistemi hareket ettirmesini sağlayan sinyalleri servo amplifikatöre gönderen bir PLC veya hareket kontrol cihazından oluşur.

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

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

İşlemci hızı — her zamankinden daha hızlı

Daha yüksek işlemci hızı her yerde karşımıza çıkıyor ve servo amplifikatörler de bunun istisnası değil. Bir zamanlar maliyeti çok yüksek olan işlemciler, servo amplifikatör tasarımında yerini alarak daha karmaşık ve etkili ayarlama algoritmalarına olanak sağlıyor. On yıl önce, hız döngüsünde 100 veya 200 Hz bant genişliği görmek yaygındı, oysa günümüzdeki hızlar 1000 Hz'nin çok üzerinde olabiliyor.

Daha hızlı işlemciler, kontrol döngülerini çözmenin ötesinde, servo amplifikatörlerin daha önce tespit edilemeyen makine özelliklerini keşfetmek için tork, hız ve konumun gerçek zamanlı analizini yapmalarını sağlar. Karmaşık matematiksel modeller artık, standart PID ayarlamasının çok ötesine geçen gelişmiş ayarlama kontrol algoritmalarından yararlanmak için servo amplifikatör içinde uygun maliyetle uygulanabilir.

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

Model tabanlı öngörücü kontrolün temelleri

Özetle, Model Tahminli Kontrol, geçmişte verilen komut profilini kullanarak gelecekteki tork ve hızı tahmin eder. Belirli bir hareket için hız ve tork kabaca biliniyorsa, yalnızca hataya tepki veren PID döngülerinden hareket profilini körü körüne geçirmeye gerek yoktur. Bunun yerine, tahmin edilen hız ve torku servo kontrol döngülerine ileri besleme olarak sağlamak ve döngülerin kalan minimum hataya tepki vermesine izin vermek amaçlanır.

Bunun doğru çalışması için, amplifikatörün atalet, sürtünme ve sertlik gibi özelliklere dayalı geçerli bir matematiksel makine modeline sahip olması gerekir. Daha sonra modelin tork ve hız profili, performansı artırmak için servo döngülerine enjekte edilebilir. Bu modeller karmaşık matematiksel fonksiyonlar kullanır, ancak servo amplifikatöründeki daha hızlı işlemciler sayesinde hareket kontrol endüstrisi bunların uygulanmaya başlandığını görmeye başlıyor.

Birçok avantajına rağmen, Model Tahminli Kontrolün bir dezavantajı vardır: Noktadan noktaya konumlandırma için harika çalışır, ancak hareket sırasında zaman gecikmesine neden olur. Zaman unsuru, Model Tahminli Kontrolün doğasında vardır çünkü yakın geçmişteki hareket, gelecekteki yanıtı tahmin etmek için kullanılır. Bu gecikme nedeniyle, kontrol cihazından gelen tam komut profili izlenmeyebilir; bunun yerine, hareketin sonunda hızlı konumlandırma süresi üreten benzer bir profil oluşturulur.

Titreşim bastırma

MPC'nin en faydalı yönlerinden biri, makinedeki düşük frekanslı titreşimi modelleme, tahmin etme ve bastırma yeteneğidir. Titreşim, bir makinede tek haneli Hz'den binlerce Hz'ye kadar frekanslarda meydana gelebilir. Hz'nin 1'li ve 10'lu kısımlarındaki düşük frekanslı titreşim (genellikle bir hareketin başında ve sonunda fark edilir), makinenin çalışma frekansı aralığında olduğu için özellikle sorunludur.

Bazı ekipman konfigürasyonları (örneğin, uzun ve ince bir kavrama koluna sahip bir makine) diğerlerine göre bu düşük rezonans frekansını daha fazla sergileme eğilimindedir. Bu tür titreşime yatkın tasarımlar, uzunluk nedeniyle, belki de bir parçayı bir açıklıktan geçirmek için gerekli olabilir. Ayrıca, düşük frekanslarda titreşen büyük parçalardan oluşan büyük makineler de titreşime yatkındır. Bu tür uygulamalarda, titreşim hareketin son aşamasındaki motor pozisyonunda ortaya çıkar. Servo amplifikatöründeki titreşim bastırma teknolojisi, bu tür makine titreşimini önemli ölçüde azaltır.

Çift motorlu servo sistemde MPC

MPC'nin tek eksenli bir aktüatöre uygulanması basittir ve noktadan noktaya hareket için tam olarak komut edilen profilden sapma önemsizdir. Bununla birlikte, bir servo ekseni mekanik olarak diğerine bağlı olduğunda, hareket profilleri birbirini etkiler. Çift motorlu bilyalı vidalı aktüatör, bu tür 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, iki nispeten büyük servo motorun ağır bir yükü konumlandırması ve neredeyse tam nominal tork ve hızda çalışmasıdır. Motorlar senkronize olmazsa, torkları esasen birbirleriyle konum için mücadele ederek boşa harcanacaktır. Bununla birlikte, her iki servonun kazançları eşitse, Model Tahminli Kontrol gecikmeleri de eşit olur ve motorlar birbirleriyle senkronize kalır.

Bu tür bir uygulamayı ayarlamanın ilk adımı, motorlardan birini fiziksel olarak çıkarmak ve sistemi her zamanki gibi sadece bir motorla ayarlamaktır. Bir servo motor, kararlı eksen kontrolü için yeterlidir, ancak gerekli profili çalıştırmak için yeterli tork sağlamaz. Bu durumda, üreticinin otomatik ayarlama dizisi kullanılır; bu dizi bir atalet parametresi belirler ve Model Tahminli Kontrol özelliğini etkinleştirir. Not: Bir motorla bulunan sistem kazancı, nihayetinde her iki motor tarafından eşit olarak paylaşılmalıdır. Atalet parametresi, servo döngüsü kazançlarına bir ölçek faktörü görevi gördüğü için bu adımı kolaylaştırır ve bu nedenle her amplifikatörde orijinal ayarlama sonucunun yarısına ayarlanır. Ayarlama sonucunun geri kalanı daha sonra birinci eksenden ikinci eksene kopyalanabilir. Son ayarlama, ikinci eksenden entegrasyon bileşenini kaldırmaktır; ikinci motora "ivme desteği" rolü atanır ve küçük entegrasyon düzeltmeleri yalnızca birinci motora bırakılır.

Bu tür bir uygulama için ayarlama konsepti iki aşamadan oluşmaktadır. Birinci 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 tepki verir.

İkinci aşamada, eksenler birlikte çalıştırılır ve kontrolörün bakış açısından bir "deneme çalıştırması" sırasında hata izlenir. MPC kazançları eşit olarak ayarlanarak başlanır ve deneme yanılma yöntemiyle düşük konum hatası, eşit konum hatası ve düzgün hareket arasında denge sağlayan en iyi MPC kazanç ayarları belirlenir. Buradaki temel fikir, konum hatası aynıysa, her iki eksenin de aynı süre kadar geciktirilmesi ve hareket sırasında konum hatası yüksek olsa bile parçanın doğru boyutlarda kesilmesidir.