Design bedre servo systemer

med "Motion First" tilgang i automatisering af dine maskiner

Design eller omdesign? Hvad er bedst?

Beregningstiden

En vigtig faktor at overveje - i et nyt system - er beregningstiden. Et digitalt system fungerer i tre serielle, målbare trin – Dvs.: Måle, beregne og give output.

Controlleren kræver specifikke tidsintervaller for at gennemføre disse tre funktioner. Beregningsperioden kan være så lang, at systemet når at komme ud af kontrol.

Et analogt system har ikke denne ulempe i samme grad. Til sammenligning beregner, måler og giver det et analogt system output næsten samtidigt og kontinuerligt. Typisk er forsinkelsen derfor ikke nær så alvorlig som beregningsforsinkelserne i et samplesystem.

Nyt systemdesign defineres på to måder

Både nye systemer og erstatningssystemer følger de samme grundlæggende fysiske love – men forskellige reguleringslove – så designmetoden og indkøbslisten over hardware kan være meget forskellig fra system til system. For eksempel kan et nyt systemdesign defineres på to måder.

Den første er ligetil, hvor ingeniøren selv designer et komplet system fra bunden. Han definerer fuldstændigt systemet og bestiller de komponenter, der er nødvendige for at udføre opgaven. Han bærer alene ansvaret for resultatet med tanke for Motion First, idet bevægelseskvalitet, dynamik og synkronisering afgør maskinens performance.

Eller et nyt system kan involvere en kunde, som har en fastansat ingeniør, der hjælper med at definere systemparametre og vælge komponenter. Den eksterne specialist i bevægelseskontrol kan hjælpe med at designe kundens nye system, efter at den fastansatte ingeniør allerede har valgt nogle få nøglekomponenter.

Den fastansatte ingeniør kan have fastlagt belastninger, hastigheder og momenter ud fra faktiske målinger, beregninger eller simulationer baseret på visse antagelser. Han kan også have købt nogle hovedkomponenter – f.eks. motorer og transmissioner – ud fra disse vurderinger, inden han engagerer konsulenten.

Konsulentens udgangspunkt er at antage, at de komponenter, som den fastansatte ingeniør har valgt, er fuldt ud egnede. Desværre er dette nogle gange ikke tilfældet. Antagelser kan være blevet foretaget under statiske forhold, når de burde have været dynamiske – især når det gælder belastningen. Resultatet er, at konsulenten nu ikke har andet valg end at revidere modellen, så de rette parametre indgår.

Strategi og båndbredde

Beregningstidsforsinkelse er især problematisk, når et styresystem indeholder flere akser. I et tre-aksers pick-and-place-system skal x-, y- og z-akserne f.eks. alle konvergere samtidigt på et bestemt punkt.

Hvis der opstår en forsinkelse i én eller flere akser, kan komponentdelen enten blive placeret det forkerte sted eller forsinket så meget, at det påvirker maskinens gennemløb. For at undgå dette må man først bestemme systemets båndbredde. Mål lastens inerti, afgør hvor hurtigt den skal bevæge sig, og – endnu vigtigere – hvor hurtigt den skal falde til ro.

Netop tiden for indsvingningen er afgørende for båndbredden. Båndbredde bestemmer ikke hastigheden; den afgør, hvor hurtigt og præcist lasten stopper eller følger en kontur.

Båndbredden defineres ud fra sit –3 dB-punkt og et faseskift på 45°

Man må ikke favorisere den ene parameter frem for den anden; overskrides både –3 dB-punktet og faseskiftet på 45°, er systemet ude af kontrol. Hvis det lukkede kredsløb f.eks. ligger på –3 dB, men har et faseskift på 60°, så var det allerede betydeligt ude af kontrol længe inden, det nåede –3 dB-punktet.

I digitale systemer påvirker andre funktioner fasevinklen, hvilket nogle gange overrasker kunden. Det vedrører strømloopets båndbredde; den beregnes digitalt, og beregningsforsinkelserne bliver tydelige. Selvom forsinkelsen er værre end et faseskift, er det i bund og grund det samme;

dvs. fase er tid i frekvensdomænet. Det digitale system har måske ikke optimerede reguleringsalgoritmer til at beregne strøm, hastighed eller position. I så fald kan det digitale system få en beregningsforsinkelse, der er større, end systemet kan tåle; dermed nåede det ikke den tiltænkte båndbredde.

Højtydende drev tilbyder sample-rater for strøm og hastighed, som genereres i en FPGA (Field-Programmable Gate Array). Det er en integreret kreds, der kan konfigureres af brugeren eller designeren efter produktionen. Dette minimerer effekten af sample and hold-fejl og beregningsforsinkelser, da FPGA’en arbejder langt hurtigere end en typisk processor. Kombinationen af DSP (Digital Signal Processing) og FPGA-teknologi er et skridt foran standardprocessering.

DSP’er håndterer virkelige signaler som tale, lyd, video, temperatur, tryk eller position, der er blevet digitaliseret, og manipulerer dem matematisk. En DSP er designet til at udføre matematiske funktioner som “plus,” “minus,” “gange” og “divider” meget hurtigt. Kilde: Analog Devices, Inc. Ydeevnen nærmer sig nu de analoge systemer, hvilket gør udskiftning og retrofit lettere.

Modellering

En del af designarbejdet udføres ved hjælp af modellering med forskellige softwarepakker.
Systemer kan modelleres i digitalt format for ikke blot at bestemme båndbredden, men også positionsnøjagtigheden. Modellen kan gøres så detaljeret, som det er nødvendigt.

Almindeligt anvendte softwarepakker inkluderer VisSim, LabView, Mathcad, Matlab og Motioneering – den sidste er tilgængelig fra Kollmorgen.

VisSim er en udbredt simuleringssoftwarepakke; en prøveversion kan downloades gratis fra deres hjemmeside. Den kan køre og ændre modellen, men i den begrænsede version kan modellen ikke gemmes.

LabView fra National Instruments kan bruges både til modellering og til at styre et EtherCat-baseret drev; dette er værdifuldt til breadboard-applikationer.

Matlab har visse tilvalg som Simulink, der hjælper med modellering af styresystemer. Dette er også grundlaget for Mechaware-modellerne i SynqNet-styresystemerne fra Kollmorgen.

Mathcad er en anden matematisk baseret modelleringssoftware, som mange designere benytter.

Motioneering er gratis og fastlægger, hvor meget strøm og effekt motoren behøver for at fungere korrekt.

Figur: Skærmsimulering af et PIV-styresystems respons ved hjælp af VisSim-modelleringssoftware. Den ideelle trinrespons-kurve eller referenceværdi, vist med sort, sammenlignes med feedback-respons-signalet (i rød), når systemet programmeres med konstanterne: proportionalforstærkning på 1,0, integrator-forstærkning på 50, hastighedsforstærkning på 0,1 og en belastningskraft på 10.

Når man modellerer kan det være svært at beslutte, hvornår man skal stoppe.
Efterhånden som designere opnår tilstrækkelig erfaring, kan de dog genkende, hvornår visse parametre ikke er relevante nok til at medtage. Hvis man starter med en grundlæggende motor-/last-med-dæmpning-model, kan man derefter tilføje de parametre, der generelt er relevante for styresystemet. Dette, for at sikre bedst mulige bevægelseskvalitet - Motion First.

I begyndelsen bør man afprøve alle parametre på listen og derefter indsnævre det til de få parametre, der er nødvendige for at modellere systemet tilstrækkeligt. Eventuelle justeringer herefter er som regel små. Stop, når yderligere detaljer ikke gør modellen bedre eller ikke giver flere fordele i designet.

Figur: Simulation, der viser et skærmbillede af et blokfunktionsdiagram for et lukket kredsløbssystem.

Grafen til venstre viser positionsfejlen i rød og encoder-feedback i sort. Lastens hastighed (omdrejninger pr. minut) i forhold til tiden vises i grafen til højre. Resultatet af forskellige forstærknings-, accelerations- og hastighedskonstanter kan ses, efterhånden som de ændres.

Ofte vender designere tilbage til modellen, efter at systemet ikke har levet op til specifikationerne, og opdager fejl. De gennemgår systemet og kan opdage, at de burde have taget højde for andre parametre, som var vigtigere. Forsøg altid at validere modellen, for den er kun så god som de informationer, der er lagt ind i den. Nogle informationer er van-skelige at bestemme matematisk og må findes empirisk. Dog er empiri-ske data, der anvendes i modellen, ikke altid tilstrækkelige, så benyt flere formater – både frekvensdomænet og tidsdomænet. VisSim og Mathcad fungerer f.eks. godt sammen til dette, så udnyt dem.

Validering

Når modellen er færdig, er hardwaren måske endnu ikke tilgængelig.
Kunden kan have et breadboard til rådighed og dermed afprøve, at leverandørens produkter vil fungere i hans system, men konsulenten har måske ikke kontrol over, hvor tæt breadboardet ligger på det virkelige system. Han kan anvende modellen, som den er leveret, eller revidere den og opdage ændringer i remskiveudvekslinger, motorer, inertier eller fejlagtigt beregnede inertier.

Antag dog, at det fysiske breadboard er tilstrækkeligt til at modellere og validere systemet. I næste trin implementerer kunden nu alfa- eller beta-fasen af projektet og køber de nødvendige komponenter.

I tilfælde, hvor systemet ikke lever op til forventningerne, skyldes det nogle gange en fejlagtig beregning.
Systemet var forventet at fungere under visse forhold, men kunne måske ikke. Modellen burde have vist, hvor meget headroom der var og hvor tæt på grænsen det befandt sig. Hvis ikke, kan det være nødvendigt at konstruere et Bode-diagram eller køre en Fast Fourier Transform (FFT)-algoritme for at finde ud af, hvorfor systemet vibrerer, resonerer eller ikke undertrykker forstyrrelsen.

Systemets evne til at afvise forstyrrelser er en kvalitetsparameter, der rækker ud over blot et tal; den er intuitiv. Det er gennem feedback, at forstyrrelser bliver afvist. Det rette feedback-loop vil sikre, at lasten når den tilsigtede position. Dette kan involvere hastigheds-, positions- eller moment-feedback. Feedback-loopets natur afhænger af den specifikke funktion, der er nødvendig – f.eks. moment eller strøm ved bearbejdningsoperationer.

Under opbygningsfaserne (breadboard, prototype, alfa, beta og første prøveeksemplar) bør modellen løbende tages op til revision for at verificere og tilpasse den i forhold til empiriske data eller korrektioner af det fysiske system til validering.

Den største faldgrube er at lade modellen blive forældet af empiriske tests; i de senere faser af udviklingen kan der opstå problemer, hvor modellen faktisk kan levere nyttige data. Modellen er værktøjet til at validere hvert trin i projektet op mod den oprindelige specifikation og intention.

Feedback

Feedback-systemets kompleksitet varierer med applikationen; det kan være så simpelt som en inkrementel encoder eller en resolver og der er forskellige grunde til at vælge den ene frem for den anden.

En resolver er ekstrem robust og kan tåle barske miljøer godt. Den kan være en sin/cos-enkoder, som kan håndtere meget høj båndbredde, men den fungerer typisk ikke godt i et miljø med høj vibration og høj temperatur.

Nogle systemer bliver mere komplekse, når en sekundær feedback-enhed er nødvendig. For eksempel kan et system kræve en feedback-enhed monteret direkte på motoren og en anden tættere på lasten. Feedback-enheden på motoren kan anvendes til hastighedskontrol, mens feedback-enheden på lasten bruges til den endelige positionering.

Det lyder måske ikke så kompliceret, men jo længere feedback-enheden er placeret væk fra transmissionsenheden – i dette tilfælde motoren – desto flere elementer bliver inkluderet i loopet.

Figur. En Motioneering-model for en typisk PID-regulator giver designere mulighed for at undersøge systemets opførsel med forskellige forstærkninger og andre parametre. Den kan vise en graf over denne opførsel under visse forstyrrelser.

Et andet eksempel: Når der opstår en resonans ved en bestemt frekvens, som ligger uden for den tilsigtede kontrolbåndbredde, vil det bestemt hjælpe at placere feedback-enheden uden for lasten for at flytte denne til sin endelige position. Men indstillin-gen af et sådant system – dvs. at få positionssystemet op på det ønskede ydelsesniveau – er ekstremt vanskelig.

Derfor placeres der typisk en sekundær enkoder for enden af positionssløjfen, når der er behov for en positionssløjfe med høj båndbredde. En anden mulig løsning er at eliminere den mekaniske transmission (remme, gearkasser) gennem brugen af direktdrevsteknolo-gi, hvilket også muliggør lettere indstilling.

Omdesign

Undertiden opdager ingeniøren under indstillingen, at der må foretages ret store ændringer i systemet for at opnå den tilsigtede kontrol. Han kan det endda blive nødt til at ændre hele sin teori om den metode, der skal bruges til at indstille systemet. Den enkleste reguleringsmetode – enten PID (proportional, integral, differential) eller PIV (proportional, integral, hastighed) – anvendes i et stort antal systemer.

Et standard PID-reguleringssystem er forholdsvis let at indstille; det kan bruges både til et nyt system og til et gammelt. Her er dæmpningen en afledt funktion af positionsfejlen. Den proportionale term er en forstærkningsfaktor. I PIV beregnes hastigheden og anvendes til dæmpning af systemet.

Der findes andre reguleringslove, som kan være et godt valg. Kollmorgens MechaWare giver mulighed for brugerdefinerede algoritmer og filtre, der kan imødekomme selv de mest krævende applikationer og behov. Brugerdefinerede filtre, der er genereret ud fra de fire individuelle bi-quad-filtre i det viste AKD-servodrev, bør minimere udfordringerne ved omdesign.

Stivheden

Systemstivhed – eller mangel på samme – fortsætter med at være et stort, kronisk problem.
Antag for eksempel, at resonansproblemer indikerer, at et system ikke er stift nok. Tilbagefald (backlash) i et system er et andet alvorligt problem. Kunden kan her have et lineært bevægelseskontrolsystem, der specificerer et tandstang- og tandhjulstransmissionssystem på en præcisionsakse. Men et sådant gearsystem i én enkelt udformning giver generende backlash; selv anti-backlash-gear kan ikke løse problemet. De har ofte stadig nok backlash til at skabe ustabilitet og indeholder typisk to tandhjul i et indgreb med forspænding; nogle friktionstab er uundgåelige. Denne løsning garanterer ikke nul-backlash – kun at backlash kompenseres af en anden mekanisme.

Desuden har de en fjederkonstant, man må tage højde for, hvilket er et problem, når man forsøger at kontrollere en frekvens i samme område som fjederkonstantens. Dette er et almindeligt problem, der typisk ses i systemer designet af personer uden erfaring med kontrolteknik.

For at overvinde disse problemer bør man udføre Bode-diagrammer og Laplace-transformationer i frekvensdomænet. Sammenlign Bode-diagrammets resultater med Laplace-transformationerne og indstil systemet ud fra disse informationer. Observer frekvenser, forstyrrelser og amplituder, og afgør derefter den bedste metode til at eliminere forstyrrelserne eller indsætte kompensation for at undertrykke dem.

Derudover bør systemet gøres mere stift for at eliminere resonanser og hæve frekvenserne over forstyrrelsesfrekvensen. Nogle gange kan systemet også dæmpes, men dette kan samtidig påvirke compliance (eftergivelighed). Dæmpning ved høje frekvenser tilføjer normalt ikke eftergivelighed, men ved lave frekvenser kan dæmpning bestemt ikke anvendes, fordi det tilføjer eftergivelighed, som forværrer selve forstyrrelsen. Prøv at anvende accelerationsfeedback, en Lowenberger-observatør (en relativt kompleks algoritme) eller vælg et passende filter.

Til top