Сервосистема лінійної осі

Сучасні сервосистеми змінного струму значно відрізняються від тих, які створювали навіть 10 років тому. Швидші процесори та кодери з вищою роздільною здатністю дозволяють виробникам впроваджувати дивовижні досягнення в технології налаштування. Прогнозне керування моделлю та придушення вібрації – два таких досягнення, які можна успішно застосувати навіть у складних сервосистемах.

Налаштування сервоприводу, що стосується сервосистем змінного струму, — це налаштування реакції електричної системи керування на підключену механічну систему. Електрична система керування складається з ПЛК або контролера руху, який посилає сигнали на сервопідсилювач, змушуючи серводвигун рухати механічну систему.

Сервомотор — електромеханічний пристрій — служить критичним компонентом, що об’єднує дві системи. Багато чого можна зробити в електричній системі керування, щоб передбачити поведінку механічної системи.

У цій статті ми розглянемо дві методики сучасної технології налаштування сервоприводів — передбачуваний контроль моделі (MPC) і придушення вібрації — і їх міркування на рівні застосування.

Швидкість ЦП — швидше, ніж будь-коли

Висока швидкість ЦП повсюдна, і сервопідсилювачі не є винятком. ЦП, які колись були непомірно дорогими, знайшли свій шлях до розробки сервопідсилювачів, дозволяючи створювати складніші та ефективніші алгоритми налаштування. Десять років тому було звично бачити смугу пропускання 100 або 200 Гц у петлі швидкості, тоді як сьогоднішні швидкості можуть значно перевищувати 1000 Гц.

Крім вирішення контурів керування, швидші процесори дозволяють сервопідсилювачам виконувати вбудований аналіз крутного моменту, швидкості та положення в реальному часі, щоб виявити властивості машини, які раніше не могли бути виявлені. Тепер складні математичні моделі можна економічно ефективно реалізувати в сервопідсилювачі, щоб скористатися перевагами розширених алгоритмів керування налаштуванням, які виходять далеко за рамки стандартного налаштування ПІД.

Більше того, швидший процесор також може обробляти дані з кодера з вищою роздільною здатністю, хоча покращена роздільна здатність не дає системі кращої продуктивності позиціонування. Обмежуючим чинником позиціонування зазвичай є механічна система, а не кодер, але кодер з вищою роздільною здатністю дозволяє системі керування бачити мікрорухи в механічній системі, які неможливо помітити кодером з нижчою роздільною здатністю. Ці невеликі рухи часто є результатом вібрації або резонансу і, якщо їх виявлено, можуть надати важливі дані для розуміння, прогнозування та компенсації поведінки механічної системи.

Основи модельного прогнозного керування

Коротше кажучи, Model Predictive Control використовує попередньо заданий профіль для прогнозування майбутнього крутного моменту та швидкості. Якщо швидкість і крутний момент для певного переміщення приблизно відомі, то немає потреби сліпо примусово проганяти профіль переміщення через цикли ПІД, які реагують лише на помилки. Замість цього ідея полягає в тому, щоб забезпечити передбачувану швидкість і крутний момент як пряму передачу в контури керування сервоприводом і дозволити контурам реагувати на будь-яку мінімальну помилку, що залишилася.

Щоб це працювало правильно, підсилювач повинен мати дійсну математичну модель машини, засновану на таких властивостях, як інерція, тертя та жорсткість. Потім профіль крутного моменту та швидкості моделі можна ввести в контури сервоприводу для підвищення продуктивності. У цих моделях використовуються складні математичні функції, але завдяки швидшим процесорам у сервопідсилювачі індустрія управління рухом починає бачити їх впровадження.

Незважаючи на численні переваги, у моделі Predictive Control є компроміс: він чудово працює для позиціонування точка-точка, але за рахунок затримки часу під час переміщення. Елемент часу є невід’ємним елементом прогнозного керування моделлю, оскільки рух у недавньому минулому використовується для прогнозування майбутньої реакції. Через цю затримку точний профіль команд від контролера може не дотримуватися; натомість генерується подібний профіль, який забезпечує швидкий час позиціонування в кінці руху.

Придушення вібрації

Одним із найбільш корисних аспектів MPC є здатність моделювати, прогнозувати та пригнічувати низькочастотну вібрацію в машині. Вібрація може виникати в машині на частотах від однозначних Гц до тисяч Гц. Низькочастотна вібрація в 1 і 10 с Гц — часто помітна на початку та в кінці руху — особливо неприємна, оскільки вона знаходиться в межах робочої частоти машини.

Певні конфігурації обладнання (наприклад, машина з довгим і тонким захватом) схильні демонструвати цю низьку резонансну частоту більше, ніж інші. Такі конструкції, схильні до вібрації, можуть знадобитися для довжини, можливо, для вставлення частини через отвір. Також до вібрації схильні великі машини, які, як правило, складаються з великих частин, які коливаються на низьких частотах. У цих типах додатків коливання з’являються в положенні двигуна в кінці руху. Технологія придушення вібрації в сервопідсилювачі значно зменшує такі коливання машини.

MPC в сервосистемі з двома двигунами

Застосування MPC до одноосьового приводу є простим, і відхилення від точно заданого профілю неважливе для руху від точки до точки. Однак, коли одна вісь сервоприводу механічно пов’язана з іншою, їхні профілі руху впливають один на одного. Однією з таких конфігурацій є кульково-гвинтовий привід із подвійним двигуном.

Ця конфігурація з подвійним двигуном може бути вигідною у великих застосуваннях, для яких крутний момент, необхідний для прискорення ротора двигуна, є значним, а один, більший двигун не зможе досягти необхідного крутного моменту та прискорення. З точки зору налаштування, критичним фактором є те, що два відносно великі серводвигуни розміщують велике навантаження та працюють майже з повним номінальним крутним моментом і швидкістю. Якщо двигуни стануть несинхронізованими, їхні крутні моменти витрачатимуться на фактичну боротьбу один з одним за позицію. Однак, якщо посилення обох сервоприводів рівні, то затримки прогнозованого керування моделлю також однакові, і двигуни залишаються синхронними один з одним.

Першим кроком у налаштуванні такої програми є фізичне видалення одного з двигунів і налаштування системи, як зазвичай, лише з одним двигуном. Одного серводвигуна достатньо для стабільного керування віссю, але недостатньо крутного моменту для запуску необхідного профілю. У цьому випадку використовується послідовність автоматичного налаштування виробника, яка встановлює параметр інерції та вмикає функцію прогнозованого керування моделлю. Примітка. Коефіцієнт підсилення системи, отриманий з одним двигуном, врешті-решт повинен порівну розподілятися між обома двигунами. Параметр інерції робить цей крок легким, оскільки він діє як масштабний коефіцієнт для підсилення петлі сервоприводу, тому він встановлюється на половину вихідного результату налаштування в кожному підсилювачі. Потім решту результату налаштування можна скопіювати з осі один на вісь два. Останнє коригування полягає у видаленні компонента інтеграції з осі два — призначаючи другому двигуну роль «помічника прискорення», і залишаючи невеликі коригування інтеграції лише для одного двигуна.

Концепція налаштування для такої програми включає два етапи. Перший етап — налаштувати кожну вісь окремо, використовуючи надану виробником функцію автоматичного налаштування як початкову точку, і ввімкнути прогнозований контроль моделі. Також застосовано придушення вібрації. Наприкінці цієї фази кожна вісь має чисту та плавну реакцію з мінімальною вібрацією.

На другому етапі осі запускаються разом, контролюючи помилку під час «сухого ходу» з точки зору контролера. Починаючи з рівних коефіцієнтів підсилення MPC, метод проб і помилок визначатиме найкращі параметри підсилення MPC, які врівноважують помилку низького положення, помилку рівного положення та плавний рух. Концепція полягає в тому, що якщо похибка позиції однакова, то обидві осі затримуються на однакову кількість часу, і деталь вирізається до правильних розмірів, навіть якщо похибка позиції велика під час руху.