автор: Джейсон Гергес, менеджер по работе с клиентами и инженер по приложениям
Кэмерон Шейкохолеслами, инженер по системам управления и прикладным программам
ACS Motion Control, Inc., Иден-Прери, Миннесота.

Любой, кто знаком с индустрией управления движением, слышал двусмысленный термин “высокая производительность”, описывающий многие системы, но что это значит для вас?

Высокая производительность сама по себе бессмысленна, потому что она требует единицы измерения, а у нее ее нет. Поскольку почти каждый продукт претендует на высокую производительность, как потенциальный пользователь может отличить их друг от друга? Некоторое представление и знание ключевых факторов, определяющих поведение системы управления движением, подскажет вам правильные вопросы, которые в конечном итоге определят, какая система управления движением может удовлетворить ваши требования к высокой производительности.

Чтобы понять, как производители определяют высокопроизводительное управление движением в инженерных терминах, сначала разделите компоненты системы управления движением на две части: машину и контроллер машины. Контроллер машины включает в себя компоненты, которые активно управляют системой. Сама машина состоит из компонентов, которыми управляют или которыми манипулируют. То есть контроллер движения — это всего лишь один из компонентов контроллера машины. Двигатели, механика и другие компоненты машины оказывают непосредственное влияние на производительность машины, но для оценки производительности с точки зрения управления движением эти компоненты считаются “фиксированными”.

Ключевые факторы и их влияние
При оценке средств управления движением для конкретного приложения учитывайте следующие четыре ключевых фактора (I-IV). Поставщики должны объяснить и количественно оценить технические характеристики, относящиеся к их компонентам системы управления движением. Сравните эти технические характеристики различных систем, и станет очевидно, какое из них является “высокопроизводительным решением”.

I. Алгоритмы сервоуправления: Контроллер движения и приводы

Контроллеры движения используют измеренные переменные для ввода в сложные алгоритмы, которые точно управляют положением привода, скоростью, ускорением и полезной нагрузкой. Приводы и источники питания также используют алгоритмы для управления напряжением и током.

Алгоритмы следящей системы с пропорционально–интегральной производной (PID) являются самыми простыми, но более продвинутые алгоритмы часто обеспечивают гораздо лучшее поведение, такое как полевое управление и пространственно–векторная модуляция. Кроме того, некоторые многоосевые системы, такие как порталы, состоящие из двух двигателей и двух устройств обратной связи, также могут извлечь выгоду из алгоритмов сервопривода с несколькими входами и несколькими выходами (MIMO). Подумайте об этом:

Частота обновления: Частота обновления сервоконтура (контур положения, контур скорости, контур тока) для большинства контроллеров колеблется от 100 Гц до 20 кГц. Как правило, более высокая частота обновления соответствует более высоким скоростям сервопривода; однако частота выше 20 кГц дает незначительное улучшение. Кроме того, если алгоритм запускает цикл с высокой скоростью (20 кГц), но относительно медленный цикл определения положения (1 кГц), он не может фильтровать высокочастотные сигналы и помехи в цикле определения положения. Сервоалгоритм с одной высокочастотной частотой обновления для всех контуров указывает на высокую производительность конструкции.

Расширенные функции в сравнении с частотой обновления сервопривода: Некоторые производители заявляют о высокой частоте обновления сервоприводов, но она значительно снижается при увеличении числа управляемых осей. Это ограничивает скорость и точность. Контроллер движения, использующий равномерную и высокую частоту обновления независимо от количества осей, обеспечивает высокую производительность конструкции.

Контроль: Большинство базовых цифровых контроллеров движения используют PID, который лучше всего подходит для простых механических конструкций. Для систем с высокой массой/инерцией, несогласованными нагрузками и более сложными конструкциями, такими как роботы, порталы и ступени сверхвысокого разрешения, требуется более сложный алгоритм. Для обеспечения высокой производительности часто требуются дополнительные фильтры (низкочастотные, режекторные, биквадратные, нулевой фазы), алгоритмы подавления помех, прямой связи и адаптивного управления.

Управление током: Сервоалгоритмы управляют током в приводах. Простые алгоритмы, такие как пропорционально-интегральная (PI) и трапециевидная коммутация, требуют небольшой вычислительной мощности. Высокопроизводительные приводы используют синусоидальную коммутацию, управление током, ориентированное на поле, и пространственно-векторную модуляцию для лучшего отклика на высоких частотах и дополнительного напряжения на шине.

ЦСП: Некоторые цифровые сигнальные процессоры включают в себя аналого-цифровые преобразователи (АЦП), которые используются приводом для измерения токов. Это экономически эффективные, но относительно некачественные решения. Отношение сигнал/шум (SNR) и реальное разрешение обычно ограничены 10 битами (даже для 12-битного DSP). Это ограничивает колебание положения и плавность скорости. Высокопроизводительный контроллер привода имеет АЦП с разрешением 14 бит или более и высоким SNR.

МИМО: Для удовлетворения требований наиболее скоординированных систем перемещения, таких как портальные столы и клиновые конструкции, независимых сервоприводных контуров для различных осей недостаточно. Таким образом, индивидуальные системы сетевых приводов, использующие этот подход, ограничены, даже если каждый привод оснащен «высокопроизводительным» алгоритмом одноосного сервопривода. Вместо этого необходимо использовать многоосевой интегрированный подход MIMO для достижения самых высоких скоростей и минимального времени установки.

II. Генерация движения и взаимодействие с машинным процессом: Контроллер движения

Контроллер движения генерирует профиль положения для движущихся осей. Усовершенствованные контроллеры координируют несколько осей и обеспечивают множество режимов движения, включая многоосевые векторные перемещения, управление рывками (профили 3-го порядка), профили более высокого порядка или синусоидальные профили, выполнение команд движения «на лету», интерполированное движение, динамическое отображение ошибок и компенсация, некартезианские координаты и общая обратная кинематика, смешивание траекторий и смотреть в будущее, чтобы оптимизировать производительность машины. Частота обновлений и характеристики синхронизации также имеют решающее значение здесь. Учитывайте эти факторы при определении производительности:

Типы режимов движения: Ускорение создается мгновенно в трапециевидном профиле второго порядка. В профиле более высокого порядка ускорение нарастает постепенно контролируемым образом. Большинство твердых тел плохо реагируют на скачкообразное ускорение, поскольку оно вызывает высокочастотные колебания. Очевидно, что такие вибрации влияют на время осаждения и производительность, а также могут повредить чувствительные датчики и механические компоненты. Контроллер движения, предназначенный для высокопроизводительного движения, должен позволять пользователю задавать расстояние, скорость, ускорение / замедление, а также нарастание ускорения / замедления или рывок. Это широко известно как профили 3-го порядка, которые позволяют сцене достигать более высоких скоростей и сокращать время перемещения.

Профили второго порядка: Некоторые контроллеры используют трапециевидный профиль второго порядка и фильтруют его выходные данные с помощью фильтра нижних частот. Это сглаживает профиль, но время перемещения непредсказуемо и его трудно рассчитать. Кроме того, это ограничивает возможность активации процессов, связанных с профилем движения. Это нежелательно для высокопроизводительных приложений.

Линейный, круговой, спиральный и другие режимы интерполяции: Эти режимы могут быть необходимы, а также специальные профили, такие как формирование входного сигнала и синусоидальные профили (или профили с минимальной энергией), которые могут значительно улучшить общее поведение за счет уменьшения резонансов определенных структур. Высокопроизводительные контроллеры должны обладать такими функциями.

Способы синхронизации процесса и движения машины: Контроллер должен поддерживать высокоскоростной ввод-вывод для синхронизации машинных событий с движением. Функции, включающие входные данные регистрации и выходные данные сравнения положения/времени – генерация событий положения (PEG) или синхронизированный с положением выходной сигнал (PSO) — могут быть полезны для координации процессов машины. Выходы PEG могут точно запускать лазер или камеру, а регистрационные входы могут использоваться в приложениях сканирования, где вводимая информация о местоположении дополняет перемещения.

III. Оборудование для преобразования мощности и АЦП: Приводы и источник питания

Усилители (приводы) принимают входные сигналы малой мощности (обычно пропорциональные требуемому току двигателя или ускорению), усиливают их и приводят в действие двигатели. Они создают изменяющееся во времени напряжение на фазных клеммах двигателя для создания движения. В идеале этот процесс прост и не снижает производительность. На самом деле верно обратное, и следует использовать передовые методы, чтобы свести к минимуму последствия деградации этого процесса. Обратите внимание на эти факторы для определения высокой производительности:

Структура управления приводом и аппаратное обеспечение: Поддерживает ли привод цифровые контуры тока, полевое управление, синусоидальную коммутацию и пространственно-векторную модуляцию? Смотрите обсуждение первого ключевого фактора для получения дополнительной информации.

Цифровые данные обратной связи по току, измеренные с надлежащим разрешением и качеством: Микросхемы аналого-цифрового преобразователя (АЦП) измеряют ток обратной связи в фазах двигателя. Эти чипы обладают определенным разрешением и отношением сигнал/шум. В низкопроизводительных приводах для экономии затрат используется АЦП, встроенный в микросхему servo DSP. Такие АЦП фактически ограничены разрешением в 12 бит. Кроме того, SNR ограничивает фактическое разрешение до 10 бит. Высокопроизводительные приводы используют 14-разрядные или более высокие микросхемы АЦП и имеют отношение SNR 60 дБ или более. Устройство с низким разрешением вносит эффект квантования в управляемый ток и ускорение. Это ограничивает полосу пропускания, минимальное дрожание и плавность скорости, которые могут быть достигнуты.

Передовые или гибкие приводные технологии: Самые современные приводы имеют алгоритмы, позволяющие им управлять различными топологиями двигателей, такими как щеточные, бесщеточные, шаговые и индукционные. Такая гибкость позволяет оптимизировать аппаратное обеспечение без ущерба для дизайна. Кроме того, линейные приводы иногда требуются там, где недопустимо дрожание ШИМ-сигнала или шум. Поставщик высокопроизводительных средств управления должен предоставить эти опции.

Аппаратные схемы защиты источника питания и возможности устранения неисправностей: Приводы, предназначенные для надежной работы, имеют встроенную схему для контроля чрезмерно высокого или низкого тока и напряжения. Если эти функции не являются частью привода/источника питания, он не предназначен для надежной и высокопроизводительной работы.

Регулирующее напряжение шины: Колебания входного напряжения усилителя, влияющие на напряжение шины, являются одним из основных источников ошибок сервопривода. Высокопроизводительные источники питания должны обеспечивать методы регулирования напряжения.

АЦП и ЦАП: Когда данные преобразуются из аналоговых в цифровые или наоборот, ошибка квантования и шум могут привести к их искажению. Это происходит, когда: контроллеры движения посылают командные сигналы на привод с помощью аналоговых команд крутящего момента, приводы считывают аналоговые команды, контроллеры отбирают аналоговые сигналы обратной связи по положению для энкодеров SinCos и отбирают ток для выполнения управления током в замкнутом контуре. Разрешение, SNR и THD (полное гармоническое искажение) — вот некоторые из свойств этих компонентов, влияющих на общую производительность системы.

Интеграция компонентов управления: Когда различные компоненты контроллера машины физически разделены, связь между ними снижает производительность. Стандартные протоколы, такие как EtherCAT, CANopen и SERCOS, которые соединяют каждый компонент, могут обеспечить простое решение для подключения и удобства пользователя, но этот метод не позволяет использовать самые передовые функции сервопривода, такие как управление MIMO.

Кроме того, такой подход требует интеллектуального подхода к каждому компоненту системы управления. Лучший подход к высокопроизводительному многоосевому управлению объединяет все компоненты управления станком, то есть контроллер, приводы, источник питания и ПЛК, в одном продукте. Это позволяет использовать MIMO-управление, передовые технологии сервопривода и управления приводом по нескольким осям с одного контроллера, а также чистое решение, практически не требующее взаимодействия пользователя с компонентами управления станком. Примером этого является ACS Motion Control MC4U, полный интегрированный пакет с многопроцессорной компьютерной архитектурой, предназначенный для достижения высочайшей производительности. Кроме того, такой подход экономит затраты за счет передачи всей информации контроллеру движения вместо того, чтобы требовать ее на каждом узле привода.

Энкодеры и опции: Высокопроизводительный контроллер поддерживает множество устройств обратной связи: цифровые (AqB), SinCos, абсолютные (EnDat, SmartABS, BISS), лазерные интерферометры, преобразователи и так далее. Для энкодеров SinCos (используемых на большинстве высокоточных линейных каскадов) качество сигнала обратной связи зависит от амплитуды, фазы и смещения по постоянному току. Высокопроизводительные контроллеры обеспечивают метод выявления и исправления ошибок такого типа, что имеет решающее значение для достижения превосходных характеристик с постоянной скоростью. Кроме того, каскады с высоким разрешением генерируют высокочастотные сигналы энкодера. Высокопроизводительный контроллер должен быть способен обрабатывать высокие входные частоты SinCos (например, 2,5 МГц) с максимальной скоростью. Кроме того, контроллеры, рассчитанные на высокую производительность, обеспечивают встроенную интерполяцию SinCos. Более высокие коэффициенты интерполяции означают более высокое разрешение. Некоторые контроллеры могут использовать коэффициент умножения, равный 65 536. Контроллеры с более низкой производительностью будут иметь меньшие коэффициенты, и иногда этот коэффициент необходимо уменьшать по мере увеличения скорости. Такие конструкции не рассчитаны на высокую производительность.

IV. Инструменты для анализа и проектирования систем движения: Контроллер движения / ПЛК и привод

Пакет программного обеспечения должен дополнять контроллер движения, который позволяет пользователю быстро и точно настраивать сервопривод. Утилита настройки может варьироваться от простого инструмента пошагового реагирования до функций автоматической настройки и полного набора электромеханических измерений и проектирования.

Простые инструменты настройки: Насколько трудоемки усилия по приведению системы в действие с момента первого подключения компонентов? Не все являются экспертами в системах управления, и это не должно быть обязательным требованием для приведения системы в движение. Хотя инженер с большим опытом работы с контроллером, скорее всего, получит его для достижения более высокой производительности, даже самый начинающий инженер должен быть в состоянии привести систему в движение. Высокопроизводительный контроллер должен обеспечивать простые в использовании инструкции по настройке от начала до конца. После настройки каждого шага не должно быть необходимости возвращаться и настраивать параметры позже. Каждый шаг также должен иметь реальное значение, чтобы пользователи не могли запутаться после того, как они ознакомятся с системой и информацией, необходимой контроллеру. Эти шаги должны обеспечить некоторую интуитивно понятную терминологию и процессы, которые связывают процесс настройки с физической машиной.

Количественная оценка производительности системы: Высокопроизводительный контроллер должен обеспечивать объективные измерения и быть простым для пользователя в измерении времени перемещения системы и ее настройки. Погрешность постоянной скорости должна быть легко поддающейся количественной оценке. Часто это может сделать “программный осциллограф” как часть программных средств. Когда контроллер имеет достаточную частоту обновления, scope может объективно измерять большинство показателей производительности системы.

Расширенные инструменты настройки для оптимизации производительности: Какие функции предусмотрены для измерения стабильности системы? Одна из самых больших ошибок, которую допускают инженеры при настройке системы движения, заключается в том, что они не проверяют, настроена ли система незначительно. Незначительно настроенная система означает, что система перемещения не обладает достаточно большим запасом устойчивости и может стать нестабильной и колебаться при минимальных изменениях окружающей среды в машине. Необходимо измерить эти пределы, чтобы убедиться, что они достаточно велики, и высокопроизводительный контроллер должен обладать такой возможностью. Самый простой способ оценить пределы устойчивости — это построить график Боде для всей электромеханической системы. Из графика Боде пользователь может извлечь запас усиления и фазовый запас системы. Надежная, стабильная система должна иметь запас усиления не менее 6 дБ и запас по фазе не менее 30 градусов.

Инструменты для реализации расширенных фильтров настройки: Высокопроизводительный контроллер движения должен предоставлять пользователю интерфейс для измерения текущего отклика системы (график Боде) и иметь возможность рассчитать, как фильтр влияет на этот отклик. Эта возможность должным образом реализует режекторные фильтры для устранения резонансов в системе. Например, программный пакет ACS Motion Control SPiiPlus MMI предоставляет анализатор частотной характеристики (FRF Analyzer), который позволяет пользователям измерять частотную характеристику системы и реализовывать фильтры в автономном режиме. Это позволяет пользователю визуально увидеть и объективно измерить, как установка фильтра повлияет на производительность и стабильность системы. Это критически важная возможность, поскольку пользователь больше не полагается на метод угадывания и проверки того, как внедрять фильтры и оптимизировать производительность. Вместо этого пользователь может применить знания о сервосистеме для достижения оптимальных параметров настройки.

ACS Motion Control, Inc.
www.acsmotioncontrol.com