Ajuste de rigidez servo e taxa de inércia

Como um componente central da automação industrial moderna, o desempenho dos servossistemas impacta diretamente a precisão do movimento e a resposta dinâmica do equipamento. Durante o comissionamento do servo, a rigidez e a taxa de inércia são dois parâmetros críticos que determinam em conjunto a estabilidade do sistema e a velocidade de resposta. Este artigo se aprofundará nos conceitos de rigidez do servo e taxa de inércia, seus métodos de comissionamento e considerações práticas em aplicações-do mundo real.

I. Conceito e depuração de rigidez servo

A rigidez do servo reflete a capacidade de um sistema de resistir a perturbações externas, normalmente manifestadas como o efeito combinado do ganho da malha de posição (PG) e do ganho da malha de velocidade (VG). Um sistema de alta-rigidez responde rapidamente aos comandos e resiste a perturbações externas, mas a rigidez excessiva pode induzir vibração mecânica; um sistema de baixa-rigidez oferece estabilidade, mas exibe resposta dinâmica mais lenta.

Métodos de depuração:

1. Ajuste de ganho de loop de posição (PG)

PG determina a capacidade do sistema de corrigir desvios de posição. Aumentar o PG aumenta a rigidez, mas requer cautela para evitar ultrapassagens. O “método incremental” é recomendado: comece com um valor mais baixo e aumente gradativamente enquanto monitora a vibração do equipamento. Assim que aparecer uma leve oscilação, reduza o ganho em 5% -10%.

2. Otimização de ganho de loop de velocidade (VG)
VG influencia a velocidade de resposta do circuito de velocidade. Durante a depuração, corrija o PG e aumente gradativamente o VG até que o erro de rastreamento do comando de velocidade seja minimizado. Em cenários típicos, a proporção VG-para-PG é de aproximadamente 1:3 (por exemplo, quando PG=30, VG≈10).

3. Tecnologia de compensação feedforward
Para aplicações de alta-velocidade e{1}}precisão, ative o feedforward de velocidade e o feedforward de aceleração. Defina o feedforward de velocidade para 80%-95% e o feedforward de aceleração para 60%-80%. Isto reduz significativamente o erro de rastreamento sem aumentar o risco de vibração.

Estudo de caso:

Uma máquina-ferramenta CNC exibiu erros de contorno durante a usinagem de arco. Ao aumentar o PG de 25 para 35, ajustar o VG de 8 para 12 e permitir o feedforward de velocidade de 85%, a precisão do contorno melhorou em 42%. Observe que diferentes estruturas mecânicas (por exemplo, acionamento direto versus transmissão por parafuso de avanço) exibem variações significativas na sensibilidade aos parâmetros de rigidez.

II. Cálculo e correspondência da relação de inércia

A relação de inércia é definida como a relação entre a inércia da carga e a inércia do rotor do motor (JL/JM), influenciando diretamente o desempenho e a estabilidade da aceleração do sistema. A experiência tradicional sugere limitar a taxa de inércia a 10:1, mas a moderna tecnologia servo agora suporta taxas mais altas (até 50:1 em certas aplicações).

Método de cálculo:

1. Medição de Inércia de Carga

● Obtido por meio de funções de auto{0}identificação do motor (por exemplo, Yaskawa Σ-7 série "One-Touch Tuning").
● Fórmula de cálculo: Para cargas rotativas, JL=0.5mr²; cargas de movimento linear requerem conversão para inércia do eixo do motor (JL=m × (v/ω)²).

2. Estratégia de Otimização:

Quando a relação de inércia > 15, recomende:

a) Aumentar a relação de transmissão (melhora a relação quadrada; por exemplo, a relação de transmissão 12 reduz a relação de inércia equivalente para 1/4)
b) Selecione motor de{0}alta inércia
c) Ajustar o tempo integral da malha de velocidade (normalmente aumentar em 20%-30%)

Tratamento de cenário especial:

Em sistemas robóticos multi{0}}articulares, a taxa de inércia de cada eixo varia de acordo com a postura. Para um robô de 6 eixos onde a taxa de inércia do 4º eixo muda de 81 durante o movimento, implemente:

● Ative a filtragem adaptativa (por exemplo, a função de supressão de vibração do Mitsubishi MR-J4).
● Configure vários conjuntos de parâmetros de ganho e alterne automaticamente via PLC.

III. Ajuste colaborativo de rigidez e taxa de inércia

Esses dois parâmetros estão acoplados, exigindo a adesão ao princípio de depuração de "primeiro a inércia, depois a rigidez":

1. Etapas básicas:

● Após a montagem mecânica, meça primeiro a taxa de inércia real.

● Parâmetros de malha de velocidade predefinidos com base na faixa de relação (por exemplo, quando a relação de inércia > 20, o VG inicial é definido para 70% do valor padrão).

● Finalmente, ajuste o ganho do loop de posição.

2. Técnicas de supressão de vibração:

● Ative filtros notch na faixa de vibração de alta frequência de 500-800 Hz.
● Para vibrações-de baixa frequência (<100Hz), appropriately reduce PG and increase the speed loop integral time.

3. Método de teste dinâmico:

Use uma curva de velocidade trapezoidal para testar, observando erros de rastreamento durante diferentes fases de aceleração:

● Grande erro durante a aceleração → Aumente o VG ou adicione aceleração feedforward.

● Erro durante velocidade constante → Ajustar PG.

● Overshoot durante a desaceleração → Otimizar constante de tempo de desaceleração.

4. Técnicas avançadas de ajuste e aplicações industriais

1. Tecnologia de controle adaptativo

Por exemplo, o controle HRV no sistema 30iB da Fanuc pode identificar mudanças de carga em tempo real e ajustar automaticamente os ganhos. Em aplicações de máquinas de fundição sob pressão, reduz as flutuações de posição em 60% quando as taxas de inércia flutuam.

2. Configuração do sistema de loop duplo-fechado-

As retificadoras de alta{0}precisão geralmente empregam feedback duplo (codificador do motor + escala linear). As principais considerações incluem:

● Rigidez mecânica insuficiente pode causar oscilação na realimentação da escala linear.

● Defina a resolução da escala linear para 5 a 10 vezes a do codificador do motor.

3. Referência de parâmetros da indústria:

V. Soluções para problemas comuns

1. Problema de vibração-de baixa frequência

Uma máquina de embalagem exibiu vibração persistente na banda de frequência de 5Hz. Resolvido através das seguintes etapas:

● Verifique a folga da transmissão mecânica<0.05mm.

● Reduza VG de 12 para 9 e ajuste PG de 35 para 28.

● Aumente o tempo integral da malha de velocidade de 100ms para 150ms.

2. Erro de reconhecimento de inércia

Ao usar caixas de engrenagens de terceiros, as taxas de inércia medidas podem divergir em até 30% dos valores teóricos. Recomendações:

● Faça múltiplas medições em diversas posições típicas e calcule a média.
● Considere as alterações de inércia equivalentes causadas pela folga da caixa de velocidades.

3. Cenários de mudança repentina de rigidez

Para cenários como máquinas de estampagem que apresentam aumentos repentinos de rigidez ao entrar em contato com peças de trabalho, as contramedidas incluem:

● Configure dois conjuntos de parâmetros e alterne entre eles através de sinais IO.

● Use sensores de pressão para acionar a comutação de ganho (o atraso de comutação deve ser<10ms).

Com o avanço da fabricação inteligente, o ajuste de servo está mudando de abordagens-baseadas em experiência para abordagens-orientadas por dados. Os engenheiros são aconselhados a estabelecer bancos de dados de parâmetros que documentem combinações ideais de parâmetros sob diversas condições operacionais, complementados por ferramentas de análise de espectro de vibração para ajuste preciso. No futuro, o ajuste preditivo integrado à tecnologia digital twin emergirá como uma nova direção de desenvolvimento.