Серводвигатели используются в системах с замкнутым контуром и работают на основе обратной связи по ошибкам — сравнения заданного значения со значением, фактически достигнутым двигателем/нагрузкой. Поскольку механические системы обладают инерцией и податливостью, целевое значение редко достигается по команде первого позиционирования — отсюда необходимость в командах обратной связи и коррекции. Настройка сервопривода — это метод настройки обратной связи, позволяющий определить, насколько усердно система пытается исправить ошибку.

Процесс настройки сервопривода означает настройку различных коэффициентов усиления и параметров движения в сервоконтроллере таким образом, чтобы производительность была оптимизирована — т.е. движение было плавным, с небольшим или нулевым слышимым шумом во время и после движения, а также с небольшой или нулевой ошибкой положения после завершения запрограммированного движения. Другими словами, цель настройки состоит в том, чтобы добиться максимально быстрого отклика системы, избегая при этом или сводя к минимуму превышение целевого значения (обычно либо положения, либо скорости).

Большинство производителей сервоуправлений предлагают опцию “автоматической настройки” в своем программном обеспечении для управления движением. Автоматическая настройка использует сервопривод и контроллер для тестирования системы на нескольких частотах и установки параметров настройки (часто более многочисленных, чем те, которые используются для ручной настройки) для достижения наилучшего отклика. Однако автоматическая настройка не всегда способна обеспечить наиболее оптимизированное движение, особенно в высокодинамичных системах. Вот тут-то и пригодится ручная настройка.

Существует несколько методов ручной настройки серводвигателя, но наиболее широко используемым методом на сегодняшний день является ПИД-алгоритм. Алгоритм PID отвечает за генерацию уровня команды, которая отправляется на сервопривод (он же сервоусилитель). Это фактически корректирующий коэффициент между выходной мощностью сервоконтроллера и производительностью двигателя и нагрузки. Когда на основе обратной связи системы обнаруживается несоответствие, алгоритм PID генерирует команду для исправления ошибки.

Как следует из названия, алгоритм PID состоит из трех компонентов:

Пропорциональный выигрыш связан с жесткостью системы. Уровень Kp определяет командное напряжение (восстанавливающее усилие), которое применяется для устранения ошибки определения местоположения. Термин “пропорциональный” выигрыш связан с тем фактом, что восстанавливающая сила прямо пропорциональна ошибке позиционирования.

Интегральное усиление обеспечивает восстанавливающее усилие в конце перемещения, чтобы “подтолкнуть” ось к точке с нулевой погрешностью позиционирования. Это называется интегральным усилением, поскольку оно интегрирует (накапливает) ошибку определения местоположения. Чем дольше существует ошибка, тем больше становится интеграл.

В сочетании с интегральным коэффициентом усиления задается предел интегрирования. Предел интегрирования определяет максимальное значение выходного сигнала команды, которое используется для исправления ошибки статического положения, тем самым предотвращая колебания и нестабильность.

Производный коэффициент усиления — это затухание в системе. Его можно рассматривать как амортизатор, уменьшающий перерасход и колебания. Производный коэффициент усиления определяет величину восстанавливающей силы, пропорциональную скорость изменений (производная) от ошибки определения местоположения.

Важным дополнением к коэффициенту усиления производной является период выборки производной (T_d). Период выборки определяет, как часто вычисляется производная ошибки определения местоположения. Более длительный период отбора проб производных может улучшить демпфирование и повысить стабильность.

Настройка сервопривода может быть достигнута с помощью различных процедур, но наиболее распространенный метод заключается в том, чтобы начать с увеличения Kp до тех пор, пока система не превысит заданное значение (система недостаточно демпфирована). Тогда K_d увеличивается до тех пор, пока система не станет критически демпфированной (баланс между быстрым откликом и низким превышением). Далее, K_p и К_d увеличиваются до максимальных величин, обеспечивающих критически затухающий отклик.

Однажды K_p и К_d определяются, K_i установлено. Интегральный коэффициент усиления помогает устранить последнюю ошибку в системе, но, в отличие от K_p и К_d, он должен быть как можно ниже, чтобы предотвратить нестабильность системы.

Есть три основные характеристики, которые помогают определить, правильно ли настроена система. Первый — это превышение, или насколько превышена целевая позиция. Далее идет время отклика, которое представляет собой время, необходимое системе для достижения заданного процента от целевого значения. Также важно то, чтовремя установления, или время, за которое целевое значение должно быть “установлено” в пределах определенного процента.

Настройка сервопривода не является точной наукой — не существует единого “правильного” набора параметров настройки для любого конкретного применения. Лучшие инструменты — это опыт, пристальное наблюдение за системой при настройке параметров и терпение для подхода методом проб и ошибок.

Автор изображения: National Instruments