info@zanustechnology.com
+381 11 454 10 51

Kontrola dvostruke petlje: Sa EPOS4 zazor više ne pravi probleme

Kontrola dvostruke petlje: Sa EPOS4 zazor više ne pravi probleme

Može li se opterećenje pozicionirati dinamički, sa visokom preciznošću i bez oscilacija, uprkos mehaničkom zazoru i elastičnosti prenosnih komponenti? Da – korišćenjem inteligentnog sistema.

Kretanje opterećenja sa električnim drajvom obično se izvodi pomoću sistema koji koristi enkoder na osovini motora da bi se obezbedile informacije za kontrolu pozicije i brzine. Visoka rezolucija enkodera i precizna detekcija reakcije osovine motora su esecijalni za dinamičku kontrolu pozicije. Sa tačke gledišta aplikacije, ultimativna preciznost izlazne strane kretanja opterećenja krucijalna je za kvalitet i dimenzionu tačnost proizvedene robe. Reduktori, osovine i kaiševi drajva mogu imati negativan uticaj na ovu performansu. U zavisnosti od smera kretanja, zazor reduktora može rezultirati različitom pozicijom opterećenja na izlaznoj strani. Elastičnost može prouzrokovati kašnjenja i oscilacije na početku ili pri zaustavljanju kretanja. Prvo rešenja koje pada na pamet jeste da se montira enkoder na izlaz osovine, umesto osovine motora. Međutim, ovo često rezultira čak gorim performansama sistema.

U slučaju mehanizma sa zazorom ili elastičnošću, pottreba za dinamički preciznim pozicioniranjem opterećenja zahteva upotrebu sistema sa dva enkodera:

  • Jedan rotacioni enkoder, pomoćni enkoder, je čvrsto povezan sa osovinom motora. On već treba da je deo kombinacije motora.
  • Drugi enkoder, glavni enkoder, koji je povezan sa pokretnim opterećenjem na izlaznoj strani.

Da bi se procesuirao signal sa ova dva sistema enkodera zahteva se kontrola dvostruke petlje (engleski Dual Loop). Maxon EPOS4 kontroler pozicije pojačava ovu kontrolu dvostruke petlje pomoću filtera drugog reda i pojačava suprotstavljanje mehaničkoj rezonanci i zazoru reduktora. EPOS Studio, softver za puštanje u rad, obezbeđuje alat za fino podešavanje koji automatski određuje parametre kompleksne strukture kontrolera. Takođe iscrtava prenosnu funkciju drajva.

Arhitektura kontrole

EPOS4 koristi kaskadnu strukturu kontrole za kontrolu dualne petlje (kao što je prikazano na Slici 1).

Slika 1 Arhitektura dualne petlje sastoji se od 3 integrisane petlje sa povratnom informacijom

Unutrašnja kontrolna petlja omogućava Field Orienter Control = FOC sa sinusoidalnom komutacijom BLDC motora.

Srednja kontrolna petlja (pomoćna kontrola) kontroliše brzinu motora baziranu na enkoderu osovine motora.

Spoljašnja kontrolna petlja (glavna kontrola) kontroliše poziciju opterećenja baziranu na sistemu enkodera na opterećenju.

Detaljan izgleda strukture za kontrolu dvostruke petlje za EPOS4 prikazan je na Slici 2.

Slika 2 Detaljan pregled svih komponenti sistema za kontrolu dvostruke petlje

Glavna kontrola petlje

Glavna kontrola petlje je sa;injena od proporcionalnog kontrolera (P), planera pojačanja i filtera drugog reda (glavni filter petlje). ’’Path planer’’ snabdeva željenu poziciju opterećenja i njenu željenu brzinu i ubrzanje kao ulaznu promenljivu za glavnu kontrolu petlje. Druga ulazna promenljiva je struja pozicije opterećenja, kao što je mereno pomoću enkodera na njoj.

Planer pojačanja

EPOS4 za kontrolu dvostruke petlje koristi planer pojačanja da eliminiše negativne efekte koji potiču od zazora reduktora. Planer pojačanja radi tako što automatski podešava P pojačanje kontrole glavne petlje. Ako je greška praćenja – devijacija stvarne pozicije opterećenja u odnosu na željenu poziciju – previše velika, visoko povećanje P će biti primenjeno rezultujući brzim smanjenjem greške. Ako greška praćenja postane manja, P povećanje se smanjuje, pa se oscilacija ne pojavljuje u drajvu, uprkos zazoru reduktora.

Filter glavne petlje

Ako postoji određena vrednost elastičnosti između motora i opterećenja zbog spojnica, kaiševa ili dugačke osovine rezonantna frekvencija može uzrokovati pojačanje oscilacija. To se može povećati do tačke gde kontrola postaje nestabilna. Kako bi preventivno sprečio ovo, EPOS4 kontroler dvostruke petlje koristi filter drugog reda (noč filter). Ovaj filter potiskuje opseg rezonantne frekvencije izlaznog signala iz kontrole glavne petlje i time sprečava harmonijske oscilacije u drajvu.

Kontrola pomoćne petlje

Kontrola pomoćne petlje sastoji se od proporcionalnog integralnog kontrolera (PI) sa fid-forvardom (FF) i obzerverom koji procenjuje brzinu motora iz podataka o poziciji enkodera motora i izmerene struje motora.

Procedura za samopodešavanje

Da bi se pojednostavilo puštanje u rad, maxonov softver EPOS Studio karakteriše integrisano samopodešavanje da bi se odredili i validirali parametri kontrolera dvostruke petlje.  Procedura samopodešavanja sastoji se od dva eksperimenta koja se sprovode automatski.

Eksperiment 1 pokreće oscilacije osovine motora. Ove oscilacije se koriste da odrede inerciju opterećenja, konstantu obrtnog momenta i trenje motora. Parametri kontrolera pomoćne petlje i obzerver se onda izračunavaju na osnovu identifikovanih podataka.

Eksperiment 2 se koristi da izračuna parametre za kontrolu glavne petlje i noč filtera. PRBS signal (Pseudo-Random Binary Sequence) se koristi da pobudi sistem kojim se upravlja. Na osnovu rezultata ulaznih i izlaznih podataka funkcija prenosa je identifikovana i iscrtana u vidu Bodeovog dijagrama (Slika 3).

Slika 3 Primer funkcije prenosa identifikovane pomoću EPOS 4, sa rezonancom

Upoređivanje kontrole jednostruke petlje i kontrole dvostruke petlje

Sledeći grafici pokazuju razlike u referentnom odzivu i praćenju greške za sistem sa zazorom reduktora (Slika 4) i sistem sa elastičnom spojnicom (Slika 5). Grafici upoređuju kontrolu jednostruke petlje sa enkoderom na opterećenju i kontrole dvostruke petlje sa enkoderom i na osovini motora i na opterećenju koja je automatski podešena korišćenjem algoritma na EPOS4 drajveru.

Slika 4 Profil pozicije opterećenja sistema sa zazorom na reduktoru: referentni odziv (na vrhu) i praćenje greške (na dnu)
Slika 5 Profil pozicije opterećenja sistema sa elastičnošću. Referentni odziv (na vrhu) i praćenje greške (na dnu).

Kontrola dvostruke petlje je način da napravite drajverski sistem preciznijim i efikasnijim.  Maxon nudi ne samo sve zahtevane komponente već i ogromno iskustvo u konstruisanju – od početne ideje i dizajna sistema do potpuno skalirane proizvodnje.

Zastupnik maxon-a za Srbiju je kompanija Zanus: info@zanustechnology.com

Originalni tekst za proveru tehničkih detalja: https://drive.tech/en/stream-content/dual-loop-control-no-more-gear-backlash

Tags: , ,