Zwiększenie dokładności serwosystemu

Precyzję i dokładność sterowania ruchem w układach serwonapędowych zapewnia staranny dobór silników serwo, elementów wykonawczych maszyn oraz powiązanych z nimi komponentów. Powinien on być dokonywany przez projektantów i konstruktorów maszyn szczególnie uważnie, przy czym mogą w tym pomóc narzędzia dostępne online. Ponadto wszystkie serwosystemy przy pierwszym uruchomieniu wymagają dostrojenia przez odpowiednie zaprogramowanie i konfigurację oprogramowania.
W aplikacjach sterowania ruchem, gdzie wymagana jest szczególna precyzja, stosowanych jest wiele serwosilników i elementów wykonawczych, spełniających ocze-kiwania różnych odbiorców. W zapewnieniu powtarzalności i precyzji takich układów kluczowy jest jednak poprawny wybór, projekt i integracja całego układu sterowania. Ze względu na fakt, że współczesne serwosilniki mają wiele zalet świadczących o ich wyższości nad innymi technologiami, przy ich stosowaniu konieczne jest uwzględnienie wielu czynników.
Typowe przykłady zastosowania wysokiej precyzji serwosystemów to układy zasilania pras, podajniki śrubowe, stoły obrotowe, roboty podające, różnorodne operacje testowe lub montażowe, rozwiercanie, wiercenie, cięcie, gwintowanie i tym podobne przypadki, w których występuje ruch obrotowy lub skokowy jednej lub wielu osi.
Serwosystemy są wykorzystywane do kontroli obciążenia. Aby możliwe było spełnienie wymagań w tym zakresie, taki system musi zostać odpowiednio dobrany. Serwosystem musi zapewnić żądany moment obrotowy, prędkość i dokładność całego systemu, zgodnie z założeniami projektowymi.
Dlatego też decydującą rolę w wyborze systemu pełnią: rodzaj obciążenia, typ przekładni mechanicznej, charakter pracy systemu (jak często jest uruchamiany i zatrzymywany), a także wymagania dotyczące jego prędkości i dokładności.
Zalety sterowania systemów serwonapędowych
Do zastosowań, w których wymagana jest precyzyjna kontrola ruchu, dostępne są liczne opcje i warianty napędów elektrycznych, wśród których można znaleźć silniki prądu przemiennego i stałego z regulacją prędkości, silniki krokowe i serwosilniki.
Serwosystemy zapewniają najwyższe możliwe parametry w zakresie precyzji sterowania położeniem, prędkością i/lub momentem. W porównaniu z tańszymi systemami napędowymi wykorzystującymi silniki krokowe, systemy serwo oferują większy moment przy wyższych prędkościach, nawet do5000 obr./min. Podczas gdy dla silników krokowych najwyższy moment uzyskuje się przy zerowej prędkości, dla serwosilników występuje on przy wyższych prędkościach. Typowe serwosystemy do sterowania maszynami, w zestawieniu z silnikami krokowymi, dostępne są też w szerszym zakresie mocy – do 3 kW lub więcej.
Prawdopodobnie najbardziej znaczącą różnicą między silnikami krokowymi i serwosilnikami jest to, że w przypadku tych drugich położenie osiągane jest w zamkniętej pętli sterowania. Mimo że sterowanie w pętli zamkniętej jest wykorzystywane także w niektórych układach z silnikami krokowymi, silniki serwo mają nad nimi przewagę wynikającą z wysokiej dokładności i dużej prędkości, bez utykania i związanego z tym błędu pozycjonowania. Kontrola położenia w pętli zamkniętej, większy moment i większe prędkości serwosilnika zapewniają korzyści w zastosowaniach wymagających wysokiej dokładności.
W porównaniu z silnikami prądu przemiennego i stałego z regulacją prędkości zastosowanie serwosystemów jest korzystniejsze pod względem osiąganych prędkości, szczytowego momentu obrotowego i przyspieszenia. Napędy serwo pracują dokładnie przy prędkościach do 5000 obr./min, a nawet więcej. Opcja pozycjonowania w pętli zamkniętej także wykracza poza możliwości typowych napędów i silników z regulacją prędkości. Serwosystemy mogą ponadto pracować w trybie kontroli momentu obrotowego, pod warunkiem że system zapewnia odpowiedni moment dla danego położenia i prędkości. Jest to często wymagane w różnego rodzaju operacjach związanych np. z nawijaniem.
Główne elementy w aplikacjach precyzyjnego ruchu
Przy wymianie istniejącego serwosystemu przeważnie wybrać można rozwiązanie o tej samej mocy, jednak z różnymi rozmiarami fizycznymi silników. Przy doborze serwosystemu do nowego zastosowania często używane jest specjalistyczne oprogramowanie. Wykorzystuje się w nim zwykle wzory matematyczne, które pozwalają określić bezwładność obciążenia, będącą podstawowym parametrem wpływającym na wybór.
Na serwosystem składa się wiele specjalnie dobranych, zaprojektowanych, zamontowanych i przetestowanych komponentów. Dla precyzyjnej kontroli ruchu w takich aplikacjach istotnych jest 8 elementów:

  • serwosilnik,
  • enkoder – w układzie sprzężenia zwrotnego,
  • układ sterujący bezpośrednio napędem (drive),
  • przekładnia,
  • element wykonawczy,
  • sterownik napędu,
  • urządzenie do komunikacji z napędem,
  • oprogramowanie sterujące i dostrajające.

Serwosilnik, enkoder i układ sterowania napędem, nazywany czasem wzmacniaczem, muszą być dobrane odpowiednio do silnika i obciążenia oraz zaprojektowane tak, aby pracowały jako zespół.
Przy wyborze elementu wykonawczego należy mieć na uwadze jego rodzaj, a nawet materiał wykonania. Jeśli przykładowo elementem wykonawczym jest aluminiowa dźwignia, która przez zbyt dużą elastyczność uniemożliwia dokładny ruch, należy rozważyć zastosowanie sztywniejszych materiałów lub dodatkowego usztywnienia konstrukcyjnego.
Dla systemów o dużej wydajności konieczne jest osiągnięcie jak najniższej bezwładności odbitej, uwzględniającej bezwładność przekładni i elementu wykonawczego. W idealnym przypadku powinna dokładnie odpowiadać bezwładności silnika, ale często akceptowalne parametry można osiągnąć także przy stosunku 5:1 lub nawet 10:1.
Po dokonaniu wyboru odpowiedniego serwosystemu i elementu wykonawczego możliwe jest określenie sterownika i oprogramowania pozwalającego na dobór nastaw i sterowanie systemu. Niezależnie od tego, czy system jest jedno- czy wieloosiowy, w zapewnieniu pomyślnej pracy zawsze istotne jest uwzględnienie wszelkich wymagań dotyczących takich parametrów, jak maksymalna prędkość, przyspieszenie, przyspieszenie drugiego stopnia (zmiana przyspieszenia), całkowita odległość oraz przyspieszenie ujemne (przy hamowaniu napędu).
Wybór przekładni
Zawsze wtedy, gdy wymagane jest zmniejszenie przełożenia, najlepszą dokładność i powtarzalność względem większości innych reduktorów zapewnia precyzyjna przekładnia planetarna. Dzięki swojej wysokiej sprawności przenosi ona maksymalną moc serwosystemu. Przekładnie obniżają także odbitą bezwładność obciążenia o wartość równą kwadratowi przełożenia.
Jeśli w danym zastosowaniu możliwa jest redukcja z prędkości maksymalnej, przekładnia może być doskonałym sposobem na poprawę pracy całego systemu. W niektórych przypadkach zastosowanie przekładni umożliwia zwiększenie momentu obrotowego, pozwalając na użycie mniejszego silnika i napędu, co pozwala z kolei na uzyskanie znacznych oszczędności.
Należy jednak pamiętać, że przekładnia wprowadza do układu również swoją własną bezwładność odbitą oraz pewien luz. Większość precyzyjnych przekładni charakteryzuje się bardzo małym luzem, ale projektanci muszą mieć na uwadze ewentualne związane z tym błędy pozycjonowania.
Serwosystem sprzęgnięty z przekładnią planetarną zapewni precyzyjny ruch w połączeniu z różnymi rodzajami elementów wykonawczych tylko wtedy, gdy wszystkie elementy będą odpowiednio do siebie dobrane i dopasowane. Mimo że możliwy jest zakup serwonapędu, serwosilnika i przekładni planetarnej od różnych dostawców, nie jest to zalecane, gdyż do poprawnej współpracy wszystkich elementów wymagany jest duży nakład prac badawczych, projektowanie i analiza parametryczna.
Zakup komponentów od jednego dostawcy, a szczególnie takiego, który oferuje elementy starannie dopasowane i gwarantuje ich poprawną współpracę, przynosi wiele korzyści.
W takim przypadku wszelkie badania zostały wykonane przez dostawcę, który zapewnia klienta o kompatybilności elementów składowych napędu. Dlatego większość dostawców oferuje dla nich bardziej atrakcyjne warunki gwarancji, a część z nich może mieć w ofercie sprawdzony sprzęt montażowy i okablowanie pozwalające na połączenie komponentów.
Narzędzia wsparcia wyboru elementów układów serwonapędowych
Niektórzy z dostawców dostarczają narzędzia online, które pozwalają na wybór serwosystemów i kompatybilnych do nich przekładni. Zamieszczone w sieci internetowej poradniki wspomagają projektowanie i zawierają konkretne zalecenia, ułatwiające dopasowanie komponentów, które mogą zostać zakupione jako system.
W narzędziach tego typu projektanci wprowadzają przeważnie dane techniczne opracowywanego systemu, takie jak wymagana prędkość i moment obrotowy, po czym otrzymują automatycznie listę dostępnych kombinacji silnika z przekładnią. Moment obrotowy może być wprowadzany w jednostkach metrycznych lub brytyjskich. Możliwy jest też wybór konkretnego rozmiaru serwosilnika. Prędkość wprowadzana jest w postaci wartości dyskretnych lub wybierane jest przełożenie. Na koniec można wybrać preferowane ustawienie: współosiowe, prostopadłe lub oba.
Na liście dostępnych systemów zamieszczone są informacje dotyczące ceny – czynnika często kluczowego poczas wyboru. Po wskazaniu kombinacji silnik/przekładnia projektant może przejrzeć pełną specyfikację wybranego serwosystemu, przekładni i ich kombinacji.
Dostępne są także bardziej zaawansowane narzędzia wspomagające proces wyboru serwosilnika. Pozwalają one projektantom np. na dobór silnika do określonego zastosowania. Oprogramowanie może obliczyć wymaganą prędkość i moment obrotowy, a także weryfikuje wiele innych wymagań i parame-trów, takich jak prędkość końcowa, przyspieszenie i niedopasowanie bezwładności.
Korzystając z oprogramowania, projektant może zamodelować układ mechaniczny obejmujący śruby pociągowe, paski napędowe, przekładnie itp. Po stworzeniu modelu oprogramowanie może zasugerować optymalny silnik dla danego układu mechanicznego. Ponadto oblicza wymagany dla zdefiniowanego zastosowania moment obrotowy, prędkość i bezwładność, przetwarza dane silnika z bazy danych i tworzy listę, która pasuje do takich wymagań. Wskaże optymalny silnik i pozwoli użytkownikowi na dokonanie wyboru z listy.
Sterowanie wewnętrzne czy zewnętrzne
Większość serwosystemów obsługuje standardowe polecenia ze sterowników zewnętrznych, takich jak programowalne sterowniki logiczne (PLC) i programowalne sterowniki automatyki (PAC), ale niektóre napędy mają także wewnętrzny układ sterowania ruchem. Przy pracy z serwonapędem i wewnętrznym „indeksatorem” wstępnie zdefiniowanych i zapisanych może być do ośmiu przesuwów skokowych, które z kolei mogą być wybrane i wykonane za pośrednictwem dyskretnych sygnałów wejściowych z PLC lub PAC.
Te wstępnie zdefiniowane profile ruchu mogą zostać zainicjowane lub nawet zmienione przez przesłanie poleceń ze sterownika zewnętrznego poprzez protokół komunikacji szeregowej. Ruch może się odbywać we współrzędnych przyrostowych lub bezwzględnych (dostępna jest opcja powrotu do punktu początkowego), a przyspieszenie może być liniowe lub przebiegać wzdłuż krzywej S. W wielu zastosowaniach korzystny jest przebieg przyspieszenia zgodnie z krzywą S, ponieważ taki profil pozwala zmniejszyć przeregulowanie podczas pozycjonowania.
Istnieje wiele sposobów kontrolowania serwonapędu za pomocą sterownika zewnętrznego. Typowymi protokołami wykorzystywanymi do przesyłania poleceń do napędu są protokoły szeregowe RS485/RS422 i Modbus. Wykonywanie poleceń oraz sterowanie w pętli zamkniętej odbywa się wewnątrz napędu. Napędami można sterować także przez sygnały impulsowe wysokiej prędkości oraz sygnały kierunkowe lub przez analogowy sygnał napięciowy proporcjonalny do prędkości lub momentu obrotowego. Napęd oraz serwosilnik mogą podążać również za sygnałem enkodera zewnętrznego.
Każda z tych metod może wpłynąć na dokładność serwosystemu. Tradycyjne sterowanie analogowym sygnałem napięciowym może nie być tak dokładne jak nowsze rozwiązania cyfrowe, np. jak sygnały sterujące wewnętrzne czy zewnętrzne impulsowe i kierunkowe. W oparciu o schematy cyfrowego sterowania napędem możliwe jest obliczenie rozdzielczości systemu, która powinna zostać porównana pod kątem zgodności z wymaganiami dotyczącymi dokładności całego systemu.
Gdy jako urządzenie nadrzędne wykorzystywany jest zewnętrzny sterownik ruchu, możliwe jest połączenie łańcuchowe wielu napędów, które mogą być adresowane oddzielnie przez łącza szeregowe. Pozwala to na bardzo prostą, a zarazem skuteczną kontrolę wielu osi ruchu, bez konieczności śledzenia ścieżki, a wyłącznie przez kontrolę punktów początkowych i końcowych.
Programowanie serwosystemów
Bez względu na to, czy wykorzystywany będzie sterownik zewnętrzny czy wewnętrzny napędu, znaczący wpływ na dokładność całego systemu będzie miało oprogramowanie oraz jego cechy i funkcje. Właściwej konfiguracji wymagają nie tylko zewnętrzne kontrolery ruchu, lecz także napędy wyposażone we wbudowany indeksator oraz tryby strojenia adaptacyjnego.
Gdy wymagane są wysoce dynamiczne odpowiedzi układu napędowego, niezbędne jest staranne dostrojenie serwosystemu, najlepiej wraz z dołączonymi obciążeniami. Niezależnie od tego, czy system będzie strojony ręcznie przez programistę, czy automatycznie przez oprogramowanie, precyzyjne dostrojenie pozwoli na szybszy ruch i zminimalizuje opóźnienia, przy jednoczesnym zmniejszeniu przeregulowania i tłumionych oscylacji (tzw. dzwonienia) po zakończeniu ruchu.
Oprogramowanie konfiguracyjne napędu pozwala na ustawienie parametrów i algorytmów automatycznego strojenia oraz oferuje narzędzia pomagające znaleźć optymalne ustawienia w większości zastosowań.
Po zakończeniu konfiguracji i dostrojeniu napędu może zostać zaprogramowany rodzaj profilu ruchu. Przyspieszenie przebiegające wzdłuż krzywej S, w przeciwieństwie do przebiegów trapezowych (liniowych), pozwala uzyskać większą dokładność pozycjonowania i mniejsze przeregulowanie, szczególnie w serwosystemach z ograniczoną możliwością strojenia. Te standardowe profile ruchu oferują lepszą dokładność i mniejsze wstrząsy oraz drgania systemu.
Niekiedy na dokładność ma wpływ sekwencja sterowania elementem wykonawczym. Na przykład częstą metodą wykorzystywaną do minimalizacji luzu i związanego z tym błędu pozycjonowania jest podchodzenie do wszystkich pozycji docelowych od tej samej strony. W przypadku gdy wymagany jest ruch wstecz, niektórzy projektanci przesuwają obciążenie poza wymagane położenie, a następnie wracają do położenia docelowego napędu w ustalonym wspólnym kierunku.
Strojenie serwosystemu w celu uzyskania maksymalnych osiągów
Poprawnie dobrane serwosystemy, przekładnie i elementy wykonawcze mogą sprostać różnorodnym, wymagającym precyzji zadaniom w systemach automatyki. Dobór i przegląd wymaganych komponentówpowinien być dokonywany przez projektantów i konstruktorów maszyn szczególnie uważnie, a mogą w tym pomóc narzędzia dostępne m.in. online. Aby uzyskać maksymalne osiągi, trzeba dostroić wszystkie serwosystemy przy pierwszym uruchomieniu przez odpowiednie zaprogramowanie i konfigurację ich oprogramowania. Po właściwym zdefiniowaniu, zaprojektowaniu, zainstalowaniu, dostrojeniu i zaprogramowaniu serwosystemy mogą zapewnić dokładną i powtarzalną pracę przez wiele lat.

Autor: Chip McDaniel pracuje w dziale marketingu technicznego AutomationDirect. Ma 30-letnie doświadczenie w projektowaniu i uruchamianiu serwosystemów wieloosiowych.