Tlumení kmitů na servomechanismech s poddajnými členy
David Lindr
Ústav pro nanomateriály, pokročilé technologie a inovace Fakulta mechatroniky, informatiky a mezioborových studií Technická univerzita v Liberci Technická univerzita v Liberci Fakulta mechatroniky, informatiky a mezioborových studií 2012
EPO
Lindr 1
Druhy servomechanismů Úvod Postup řešení Výsledky
• Jedno-hmotové servomechanismy
WL =
• Veškerou zátěž (hmotné části) lze redukovat na hřídel motoru
Závěr Další cíle
M Z = M IN +
M OUT + M load p
J Celk = J motor + J 1 +
k 32 J3
xL =
B32 2
1 J 3 k 32
J2 + J3 p2
• Více-hmotové servomechanismy M M otor = J Tot w1 × s +
M3 = (
M3 p
w1 p
- w3 )(
k32 + B32 ) s
M 3 = J 3w 3 × s + M Load Technická univerzita v Liberci Fakulta mechatroniky, informatiky a mezioborových studií 2012
EPO
Lindr 2
Negativní vlivy dalších hmot Úvod Postup řešení Výsledky Závěr
Amplituda [dB]
Další cíle
• Vznik reziduálních kmitů • Snížení polohové přesnosti • V extrémních případech může vést až k nestabilitě systému WL =
50
0
1
2
Fáze [ o]
10
10
100
e3(s) / Mmotor(s)
0
e1(s) / Mmotor(s)
-100
J C k 32 p 2 J Tot J 3
Position measured on the flywheel 100
1
j3 [deg]
10
Frekvence [Hz]
Technická univerzita v Liberci Fakulta mechatroniky, informatiky a mezioborových studií EPO
2
10
50 0
2012
W LM =
k 32 J3
0
0.2
0.4
0.6
0.8 Lindr 3
Typičtí představitelé VHS Úvod Postup řešení
• Obráběcí stroje • Otočné stoly
Výsledky Závěr
e* vlečné osy [/]
w* - vlečné osy [/]
j* vlečné osy [ o]
Další cíle 100
100
100
50
50
50
0
0
200
400
0
0
200
400
0
2
2
2
1
1
1
0
0 0
200
400
200
400
5
5
0
0
0
0
200
400
-5
200
400
0
200
400
0
200
400
0 0
5
-5
0
0
200 *
400
-5
j hnací osy [ ] o
Technická univerzita v Liberci Fakulta mechatroniky, informatiky a mezioborových studií 2012
EPO
Lindr 4
Potlačení reziduálních kmitů • Přímé metody
Úvod Postup řešení Výsledky Závěr
• Input shaping • Inverzní dynamika
• Zpětnovazební metody
Další cíle
• Maticová metoda H∞ • Metoda stavových pozorovatelů
Technická univerzita v Liberci Fakulta mechatroniky, informatiky a mezioborových studií 2012
EPO
Lindr 5
Jejich nevýhody Úvod Postup řešení Výsledky Závěr Další cíle
• Obtížná v některých případech až nereálná implementace těchto metod do standardních řídicích jednotek servopohonu • V převážné většině případů je realizace možná pouze ve formě specielně navržených ŘJ • Problematický servis takovýchto strojů
Technická univerzita v Liberci Fakulta mechatroniky, informatiky a mezioborových studií 2012
EPO
Lindr 6
Řídicí systém Simotion-Sinamics Nadřazená jednotka MC
Úvod
Ovládací panel
Postup řešení Výsledky Závěr DRIVE-CLiQ
Další cíle
Senzor modul Řídicí jednotka
Motor bez DRIVE-CLiQ rozhraní Usměrňovací modul
Střídací modul
Technická univerzita v Liberci Fakulta mechatroniky, informatiky a mezioborových studií 2012
EPO
Lindr 7
Výhody řídicí jednotky S120 Úvod Postup řešení Výsledky
• BICO • DCC a programovatelná paměť jednotky
Závěr Další cíle
Technická univerzita v Liberci Fakulta mechatroniky, informatiky a mezioborových studií 2012
EPO
Lindr 8
Parametry mechanismu Úvod Postup řešení Výsledky Závěr
• Bezvůlový reduktor 1:33 • Pružná hřídel c=1000 Nm/rad • Setrvačník J=0,1kgm2
Další cíle
Technická univerzita v Liberci Fakulta mechatroniky, informatiky a mezioborových studií 2012
EPO
Lindr 9
Metoda s přímým odměřováním Úvod Postup řešení Výsledky Závěr Další cíle
• Externí odměřování aktuální rychlosti na pracovním členu servomechanismu • Korekční signál zaveden zpět do řídicí struktury • Jeho pomocí se záměrně vyvolají kmity v protifázi ke kmitům nežádoucím (reziduálním)
Technická univerzita v Liberci Fakulta mechatroniky, informatiky a mezioborových studií 2012
EPO
Lindr 10
Postup při testování funkčnosti • Vytvoření matematických modelů
Úvod Postup řešení Výsledky Závěr Další cíle
• • • •
Servomotoru Kaskádní regulace Mechanismu Kompenzační struktury
• Test funkčnosti pomocí numerických simulací v prostředí Matlab Simulink • Implementace metody do ŘJ servopohonu a ověření funkčnosti na reálném servomechanismu Technická univerzita v Liberci Fakulta mechatroniky, informatiky a mezioborových studií 2012
EPO
Lindr 11
Matematický model systému Synchronní motor
Mechanismus
Úvod Postup řešení Výsledky Závěr Další cíle
ŘJ servopohonu – kaskádní regulace polohy
Technická univerzita v Liberci Fakulta mechatroniky, informatiky a mezioborových studií 2012
EPO
Lindr 12
Výsledky numerických simulací Úvod Postup řešení Výsledky Závěr Další cíle FFcorr [RPM]
Comp.ON - Correction signal 400 200 0 -200 -400 -600 -800 0
0.2
0.4 t [s]
0.6
0.8
Position measured on the flywheel
Position measured on the flywheel 100
j3 [deg]
j3 [deg]
100 50 0
50 0
0
0.2
0.4
0.6
0.8
0
Comp. OFF - Speed of the motor shaft
0.6
0.8
Comp.ON - Speed of the motor shaft
w1 [RPM]
w1 [RPM]
0.4
3000
3000 2000 1000 0 0
0.2
0.4 t [s]
0.6
0.8
2000 1000 0 0
Technická univerzita v Liberci Fakulta mechatroniky, informatiky a mezioborových studií 2012
0.2
EPO
0.2
0.4 t [s]
0.6
0.8
Lindr 13
Dosažené výsledky na RS Úvod Postup řešení Výsledky Závěr Další cíle Bez kompenzace
Kompenzace s ext. a int. snímačem 100
100
80
j3 [deg]
j3 [deg]
80 60 40 20 0
0.2
0.4
0.6
0
0.8
3000
2000
2000
1000
0.2
0.4
0.6
0.8
1000 0
0 0
EPO
0
Komp.zap. - Rychlost na hřídeli motoru
3000 n1 [ot/min]
n1 [ot/min]
Bez.komp. - Rychlost na hřídeli motoru
2012
40 20
0
Technická univerzita v Liberci Fakulta mechatroniky, informatiky a mezioborových studií
60
0.2
0.4 t [s]
0.6
0.8
0
0.2
0.4 t [s]
0.6
0.8
Lindr 14
Tlumení vibrací Úvod Postup řešení Výsledky Závěr Další cíle
Technická univerzita v Liberci Fakulta mechatroniky, informatiky a mezioborových studií 2012
EPO
Lindr 15
Závěr Úvod Postup řešení Výsledky Závěr Další cíle
• Funkčnost metody byla ověřena jak v simulacích, tak experimentálně na reálném servomechanismu • Metoda projevila částečnou odolnost vůči změnám frekvence reziduálních kmitů • Její nevýhoda spočívá v nutnosti doplnění ŘS systémem přímého snímání rychlosti pracovního členu mechanismu
Technická univerzita v Liberci Fakulta mechatroniky, informatiky a mezioborových studií 2012
EPO
Lindr 16
Cíle dalšího výzkumu Úvod Postup řešení Výsledky Závěr Další cíle
• Nahradit externí snímač robustním estimátorem rychlosti na koncovém členu • Ověřit funkčnost a robustnost metod bez přímého odměřování
Technická univerzita v Liberci Fakulta mechatroniky, informatiky a mezioborových studií 2012
EPO
Lindr 17
Díky za pozornost
Technická univerzita v Liberci Fakulta mechatroniky, informatiky a mezioborových studií 2012
EPO
Lindr 18
