Sterowanie serwonapędami

Serwonapędy są wykorzystywane, kiedy wymagana jest regulacja położenia, prędkości, momentu obrotowego albo kombinacji tych trzech wielkości. Jest to realizowane w ramach pętli sterowania – przykładowo w trybie regulacji momentu obrotowego pracą silnika steruje pętla prądowa. Ponieważ moment obrotowy jest wprost proporcjonalny do prądu, sterownik na podstawie danych o tym ostatnim pozyskuje informację o aktualnym momencie silnika. Wartość tę następnie porównuje z wartością zadaną tej wielkości i na tej podstawie wyznacza sygnał sterujący, który stosownie zmienia prąd dostarczany do silnika. Sterowanie momentem jest przeważnie realizowane w pętli z regulatorem PI. Ponieważ moment obrotowy determinuje przyspieszenie silnika, które z kolei ma wpływ na prędkość oraz położenie, pętla sterowania prądem jest w serwonapędach standardem. Kontrola momentu obrotowego jest wymagana w takich aplikacjach, jak sterowanie nawijaniem, w którym należy utrzymywać stałe naprężenie wstęgi materiału podczas jej nawijania, gdy w miarę jak zwiększa się średnica rolki materiału, rośnie jej obciążenie i bezwładność, czy formowanie wtryskowe, w którym do formy powinna być przykładana stała siła docisku.

Jeżeli wymagane jest utrzymanie zadanej szybkości, nawet przy zmianie obciążenia, serwonapęd pracuje w trybie regulacji prędkości. Wtedy kontrolowane i regulowane jest napięcie dostarczane do silnika. Jednocześnie w związku z tym, że zmiana prędkości silnika wymaga zwiększenia albo zmniejszenia momentu obrotowego, w trybie regulacji prędkości wymagana jest też praca w pętli prądowej. Informacji o aktualnej prędkości dostarcza enkoder albo resolwer. Na ich podstawie wyznaczana jest różnica pomiędzy rzeczywistą a docelową wartością tej wielkości, co z kolei umożliwia obliczenie prądu (momentu obrotowego) wymaganego do skorygowania odchyłki prędkości silnika. Sterowanie nią jest także przeważnie realizowane w pętli z regulatorem PI.

Serwonapędy w praktyce: zagnieżdżanie pętli

Kilka pętli sterowania łączy się kaskadowo. Sterowanie prądem jest zwykle najbardziej wewnętrzną pętlą. Pętla sterowania prędkością jest dodawana wokół tej prądowej, a pętla kontroli położenia jest dodawana wokół pętli prędkości, stając się najbardziej zewnętrzną. Pętle strojone są w kolejności od wewnętrznej do zewnętrznej, zatem najpierw dostrajana jest prądowa, potem pętla regulacji prędkości, a jako ostania ta regulująca położenie.

Wspólnym parametrem wszystkich pętli jest pasmo przenoszenia. Jego szerokość, inaczej czas odpowiedzi systemu, jest miarą tego, jak szybko reaguje on na zmianę polecenia wejściowego, czyli zadanego momentu obrotowego, prędkości, położenia. W przypadku zagnieżdżenia pętli odpowiedź pętli wewnętrznej powinna być szybsza niż odpowiedź pętli zewnętrznej, inaczej pętla wewnętrzna będzie miała niewielki wpływ lub nie będzie miała żadnego efektu. Przyjmuje się, że najlepiej, aby pętla wewnętrzna miała pasmo przenoszenia od 5 do 10 razy większe niż pętla zewnętrzna. W typowym serwonapędzie zatem pasmo przenoszenia pętli prądu powinno być 5–10 razy większe od pasma przenoszenia pętli prędkości, a pasmo przenoszenia pętli prędkości od 5 do 10 razy większe od tego parametru pętli położenia.

Serwonapędy pracują w trybie kontroli prędkości w przenośnikach, dozownikach, maszynach do obróbki, jak szlifowanie i polerowanie, w których obciążenie silnika jest zmienne, ale jego prędkość musi być utrzymywana przez cały czas.

Praca w trybie pozycjonowania pozwala silnikowi przemieścić ładunek do określonej lokalizacji, albo względem miejsca początkowego, albo w oparciu o jego położenie bezwzględne. Ten tryb regulacji wymaga skorzystania z trzech pętli sterowania: momentem obrotowym, prędkością i położeniem. Wynika to stąd, że prędkość silnika powinna być monitorowana, żeby można było wyznaczyć jego położenie, zaś moment obrotowy powinien być kontrolowany w celu określenia, ile prądu potrzebuje silnik, by osiągnąć zadaną pozycję, bez niedoregulowania lub przeregulowania. Pętla regulacji położenia bazuje zazwyczaj na regulatorze PI albo PID. W pętli pozycjonowania, na podstawie zadanej pozycji, porównywanej z informacją o aktualnym położeniu, wyznaczany jest sygnał różnicy, będący z kolei wartością zadaną dla pętli regulacji prędkości. W niej natomiast ta wartość zestawiana jest z rzeczywistą wartością prędkości zmierzoną przez komponent sprzężenia zwrotnego. Wyznaczona różnica staje się wartością zadaną w pętli regulacji momentu. Pętle te więc są w sobie zagnieżdżone (patrz: ramka). Zaawansowane serwowzmacniacze mogą się przełączać między trybami sterowania w locie, przykładowo przechodząc z trybu prędkości do trybu momentu obrotowego podczas pracy systemu, bez jego destabilizowania i zatrzymywania.

Serwonapędy w praktyce: strojenie i autostrojenie pętli sterowania

Pętla sterowania wymaga strojenia, żeby cel, czyli zmniejszenie różnicy między zadaną a aktualną wartością wielkości regulowanej osiągała przy najkrótszym czasie ustalania i bez przeregulowania. Przykładowo w popularnych w serwonapędach regulatorach typu PID strojenie polega na doborze wzmocnienia dla ich członów: proporcjonalnego, całkującego i różniczkującego. Charakteryzują one sposób i stopień, w jaki regulator koryguje odchyłkę.

Wzmocnienie członu proporcjonalnego określa stosunek odpowiedzi wyjściowej do błędu. Zwykle jego wzrost zwiększa szybkość odpowiedzi regulatora, czemu może towarzyszyć przeregulowanie. Jeżeli wzmocnienie to będzie za duże, wielkość regulowana zacznie oscylować względem wartości zadanej, aż układ regulacji straci stabilność.

Człon całkujący zwiększa długoterminową precyzję pętli sterowania. Sumuje on uchyb w czasie, więc nawet mały błąd powoduje powolną zmianę tej składowej. Oznacza to, że sygnał sterujący będzie stopniowo wzmacniany albo osłabiany dopóki uchyb ma wartość niezerową. W efekcie w stanie ustalonym błąd jest zniwelowany. Człon całkujący razem z proporcjonalnym poprawia dynamikę reakcji. Za duża wartość jego wzmocnienia powoduje przeregulowanie i oscylacje, a za mała zbyt powolne działanie regulatora.

Przykładowa procedura strojenia regulatora PID rozpoczyna się od wyzerowania wzmocnień członów całkującego i różniczkującego, a wzmocnienie członu proporcjonalnego stopniowo zwiększa się aż do wystąpienia oscylacji, uważając, aby nie doprowadzić do niestabilności. W kolejnym kroku trzeba zwiększać wkład członu całkującego, by zmniejszyć oscylacje – jego parametry są modyfikowane aż do wyzerowania błędu stanu ustalonego. Ostatnie dobiera się parametry członu różniczkującego, by zmniejszyć przeregulowanie i zapewnić stabilność układu regulacji.

Alternatywą strojenia ręcznego dostępną w serwonapędach jest funkcja autostrojenia. Opiera się ona na tych samych zasadach – napęd wzbudza silnik na różnych częstotliwościach, by określić bezwładność i reakcję systemu, a potem ustawia się wzmocnienia układów regulacji zapewniające stabilne sterowanie. Przydatną funkcją jest też strojenie adaptacyjne. W tym przypadku napęd w tle ciągle, stosownie do potrzeb, koryguje nastawy, by kompensować zmienność obciążenia podczas pracy systemu.