Điều chỉnh độ cứng của servo và tỷ lệ quán tính

Là thành phần cốt lõi của tự động hóa công nghiệp hiện đại, hiệu suất của hệ thống servo ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác chuyển động của thiết bị và phản ứng động. Trong quá trình vận hành servo, độ cứng và tỷ lệ quán tính là hai thông số quan trọng quyết định độ ổn định của hệ thống và tốc độ phản hồi. Bài viết này sẽ đi sâu vào các khái niệm về độ cứng và tỷ lệ quán tính của servo, phương pháp vận hành chúng cũng như những cân nhắc thực tế trong các ứng dụng-trong thế giới thực.

I. Khái niệm và gỡ lỗi về độ cứng của servo

Độ cứng của servo phản ánh khả năng của hệ thống trong việc chống lại các nhiễu loạn bên ngoài, thường được biểu hiện dưới dạng tác động kết hợp của độ lợi vòng lặp vị trí (PG) và độ lợi vòng lặp vận tốc (VG). Hệ thống có-độ cứng cao phản ứng nhanh chóng với các lệnh và chống lại các nhiễu loạn bên ngoài, nhưng độ cứng quá mức có thể gây ra rung động cơ học; hệ thống có độ cứng-thấp mang lại sự ổn định nhưng thể hiện phản ứng động chậm hơn.

Phương pháp gỡ lỗi:

1. Điều chỉnh mức tăng vòng lặp vị trí (PG)

PG xác định khả năng điều chỉnh sai lệch vị trí của hệ thống. Tăng PG giúp tăng cường độ cứng nhưng cần thận trọng để tránh vượt quá giới hạn. Nên sử dụng "phương pháp tăng dần": Bắt đầu từ giá trị thấp hơn và tăng dần trong khi theo dõi độ rung của thiết bị. Khi xuất hiện dao động nhẹ, hãy giảm mức tăng 5% -10%.

2. Tối ưu hóa tăng vòng lặp tốc độ (VG)
VG ảnh hưởng đến tốc độ phản hồi của vòng lặp tốc độ. Trong quá trình gỡ lỗi, hãy sửa PG và tăng dần VG cho đến khi lỗi theo dõi lệnh tốc độ được giảm thiểu. Trong các trường hợp điển hình, tỷ lệ VG{2}}trên-PG là khoảng 1:3 (ví dụ: khi PG=30, VG≈10).

3. Công nghệ bù Feedforward
Đối với các ứng dụng-tốc độ cao, độ chính xác-cao, hãy bật tiến tiến tốc độ và tiến tiến tăng tốc. Đặt tốc độ tiến tới 80%-95% và tăng tốc tiến tới 60%-80%. Điều này làm giảm đáng kể lỗi theo dõi mà không làm tăng nguy cơ rung.

Nghiên cứu trường hợp:

Một máy công cụ CNC có lỗi đường viền trong quá trình gia công hồ quang. Bằng cách tăng PG từ 25 lên 35, điều chỉnh VG từ 8 lên 12 và cho phép tốc độ tiến tới 85%, độ chính xác của đường viền được cải thiện thêm 42%. Lưu ý rằng các cấu trúc cơ học khác nhau (ví dụ, truyền động trực tiếp so với truyền động trục vít me) thể hiện sự khác biệt đáng kể về độ nhạy đối với các thông số độ cứng.

II. Tính toán và kết hợp tỷ lệ quán tính

Tỷ lệ quán tính được định nghĩa là tỷ lệ quán tính tải trên quán tính rôto động cơ (JL/JM), ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất tăng tốc và độ ổn định của hệ thống. Kinh nghiệm truyền thống gợi ý nên hạn chế tỷ lệ quán tính trong khoảng 10:1, nhưng công nghệ servo hiện đại hiện hỗ trợ tỷ lệ quán tính cao hơn (lên tới 50:1 trong một số ứng dụng nhất định).

Phương pháp tính toán:

1. Đo quán tính tải

● Có được thông qua chức năng tự nhận dạng-động cơ (ví dụ: dòng Yaskawa Σ-7 "Điều chỉnh một chạm").
● Công thức tính toán: Đối với tải quay, JL=0.5mr²; tải chuyển động tuyến tính yêu cầu chuyển đổi sang quán tính trục động cơ (JL=m × (v/ω)²).

2. Chiến lược tối ưu hóa:

Khi hệ số quán tính > 15, khuyến nghị:

a) Tăng tỷ số truyền (cải thiện mối quan hệ vuông góc; ví dụ: tỷ số truyền 12 làm giảm tỷ số quán tính tương đương xuống 1/4)
b) Chọn động cơ có quán tính-cao
c) Điều chỉnh thời gian tích phân vòng lặp tốc độ (thường tăng 20% ​​-30%)

Xử lý tình huống đặc biệt:

Trong các hệ thống robot nhiều{0}}khớp, tỷ lệ quán tính của mỗi trục thay đổi theo tư thế. Đối với robot 6 trục có hệ số quán tính trục thứ 4 thay đổi từ 81 trong quá trình chuyển động, hãy thực hiện:

● Bật tính năng lọc thích ứng (ví dụ: chức năng chống rung của Mitsubishi MR{2}}J4).
● Cấu hình nhiều bộ tham số khuếch đại và tự động chuyển đổi qua PLC.

III. Hợp tác điều chỉnh độ cứng và tỷ lệ quán tính

Hai tham số này được ghép nối với nhau, đòi hỏi phải tuân thủ nguyên tắc gỡ lỗi "quán tính trước, sau đó là độ cứng":

1. Các bước cơ bản:

● Sau khi lắp ráp cơ khí, trước tiên hãy đo tỷ lệ quán tính thực tế.

● Các thông số vòng lặp tốc độ được đặt trước dựa trên phạm vi tỷ lệ (ví dụ: khi tỷ lệ quán tính > 20, VG ban đầu được đặt thành 70% giá trị tiêu chuẩn).

● Cuối cùng, điều chỉnh độ lợi vòng lặp vị trí.

2. Kỹ thuật chống rung:

● Bật bộ lọc khía trong phạm vi rung tần số cao 500-800Hz.
● Đối với các rung động tần số-thấp (<100Hz), appropriately reduce PG and increase the speed loop integral time.

3. Phương pháp thử nghiệm động:

Sử dụng đường cong vận tốc hình thang để kiểm tra, quan sát các lỗi theo dõi trong các giai đoạn tăng tốc khác nhau:

● Lỗi lớn trong quá trình tăng tốc → Tăng VG hoặc thêm tốc độ truyền tiếp.

● Lỗi khi vận tốc không đổi → Điều chỉnh PG.

● Vượt mức trong quá trình giảm tốc → Tối ưu hóa hằng số thời gian giảm tốc.

IV. Kỹ thuật điều chỉnh nâng cao và ứng dụng công nghiệp

1. Công nghệ điều khiển thích ứng

Ví dụ: bộ điều khiển HRV trong hệ thống 30iB của Fanuc có thể xác định các thay đổi của tải theo thời gian thực và tự động điều chỉnh mức tăng. Trong các ứng dụng máy đúc khuôn, nó làm giảm 60% dao động vị trí khi tỷ lệ quán tính dao động.

2. Cấu hình hệ thống vòng lặp-Đóng-kép

Máy mài có độ chính xác-cao thường sử dụng phản hồi kép (bộ mã hóa động cơ + thang đo tuyến tính). Những cân nhắc chính bao gồm:

● Độ cứng cơ học không đủ có thể gây ra dao động trong phản hồi thang đo tuyến tính.

● Đặt độ phân giải tỷ lệ tuyến tính gấp 5–10 lần độ phân giải của bộ mã hóa động cơ.

3. Tham khảo thông số ngành:

V. Giải pháp cho các vấn đề chung

1. Vấn đề rung tần số thấp-

Một máy đóng gói có hiện tượng rung dai dẳng ở dải tần 5Hz. Giải quyết thông qua các bước sau:

● Xác minh khe hở truyền động cơ học<0.05mm.

● Giảm VG từ 12 xuống 9 và điều chỉnh PG từ 35 xuống 28.

● Tăng thời gian tích phân vòng lặp tốc độ từ 100ms lên 150ms.

2. Lỗi nhận dạng quán tính

Khi sử dụng hộp số-của bên thứ ba, tỷ lệ quán tính đo được có thể sai lệch tới 30% so với giá trị lý thuyết. Khuyến nghị:

● Thực hiện nhiều phép đo tại một số vị trí điển hình và tính giá trị trung bình.
● Tính đến sự thay đổi quán tính tương đương do phản ứng ngược của hộp số gây ra.

3. Kịch bản thay đổi đột ngột về tính cứng nhắc

Đối với các tình huống như máy dập gặp phải tình trạng độ cứng tăng đột ngột khi tiếp xúc với phôi, các biện pháp đối phó bao gồm:

● Định cấu hình hai bộ tham số và chuyển đổi giữa chúng thông qua tín hiệu IO.

● Sử dụng cảm biến áp suất để kích hoạt chuyển đổi độ lợi (độ trễ chuyển đổi phải được<10ms).

Với sự tiến bộ của sản xuất thông minh, việc điều chỉnh servo đang chuyển từ phương pháp tiếp cận-dựa trên kinh nghiệm sang phương pháp tiếp cận dựa trên dữ liệu-theo hướng dữ liệu. Các kỹ sư nên thiết lập cơ sở dữ liệu tham số ghi lại các kết hợp tham số tối ưu trong các điều kiện vận hành khác nhau, được bổ sung bằng các công cụ phân tích phổ rung động để điều chỉnh chính xác. Trong tương lai, điều chỉnh dự đoán được tích hợp với công nghệ song sinh kỹ thuật số sẽ nổi lên như một hướng phát triển mới.