Digitální řízení PMSM s otevřenou architekturou

-- 24.05.13

Většina regulačních smyček pro elektrické podávací pohony, používaných u strojů s číslicovým řízením (Computer Numerical Control – CNC) pro průmysl, jsou systémy s uzavřenou architekturou. Toto provedení brání uživatelům provádět změny v řídicích algoritmech. Tradiční regulační smyčky s kaskádovou pozicí pro elektrické podávací pohony, používané v systémech CNC, mají omezení, která zpomalují vývoj nových řešení.

V nedávné době začalo několik výrobců systémů CNC nabízet stroje s kvazi otevřenou architekturou. Ty však stále ještě nesplňují očekávání konečných uživatelů. Řídicí systémy reálného času s otevřenou architekturou uživatelům umožňují modifikovat algoritmy komponent, aby zlepšili pracovní parametry stroje CNC na špičkovou úroveň jeho funkčního modelu. Z těchto důvodů probíhá v této oblasti rozsáhlý výzkum. Tento zde popsaný nový přístup implementuje naměřené a digitálně předem zpracované signály v řídicí smyčce digitálního servopohonu modulu přísunu materiálu obráběcího stroje. Integrovaná laboratorní stolice je založena na hardwarových a softwarových řešeních společnosti National Instruments. Algoritmy pro řízení, měření a zpracování digitálního signálu byly implementovány na platformě PXI se speciálně dedikovanými moduly. Poziční měření motoru byla provedena prostřednictvím převodníkového modulu EnDat 2.1, sig-nály o vibracích a akustickém tlaku byly získány s vysokou vzorkovací frekvencí s pomocí modulu NI 9234. Algoritmus bezsenzorového provozního řízení byl prováděn na cíli FPGA (NI PXI 7854R), což pomohlo udržet vysokou efektivitu kódu. Motor byl řízen modulem motorového pohonu NI 9502 nabízejícím kontinuální proudový výstup 4 A pro pohon třífázových synchronních motorů s permanentními magnety. Řídicí a měřicí systém byl připojen k autonomnímu jednoosovému podávacímu pohonu pro provádění série testů.

Vibrace v řídicí smyčce

Vibrace jsou nedílnou součástí každého dynamického systému. V podávacím pohonu se objevují z mnoha důvodů, například rychlost otáčení servopohonu, strukturální vibrace apod. Podávací pohony se používají pro umisťování součástí obráběcího stroje nesoucích obráběcí nástroj a obrobek na požadované místo. Jejich polohovací přesnost a rychlost proto určují kvalitu a produktivitu obráběcích strojů. Z těchto důvodů je nezbytné diagnostikovat momenty a příčiny jejich vytváření. Monitorování vibrací je jednou z nejpoužívanějších metod u diagnostikování strojů díky relativně nízkým nákladům a snadné implementaci.

Obr. Integrovaná laboratorní stolice měří signály v řídicí smyčce digitálního servopohonu modulu přísunu materiálu obráběcího stroje. U této špičkové aplikace byl použit algoritmus bezsenzorového provozního řízení (Field- Oriented Control – FOC). Obrázek poskytla Západopomořská technická univerzita. 

Mechanická energie zařízení se transformuje na akustickou energii, když se dostane do kontaktu se vzduchem. Zvukové signály naměřené nejblíže stroji odhalují informace o stavu prováděného procesu. Pro získání signálů akustického tlaku se nejčastěji používají směrové mikrofony. Z důvodu relativně nízkofrekvenčního pásma souvisejícího s podávacím pohonem osy lze zvukové signály snadno měřit i pomocí nespecializovaných zařízení.

Identifikace výsledných vibrací pomáhá zlepšit přesnost polohování podávacích pohonů. Akustické signály mohou diagnostikovat abnormální funkčnost zařízení.

Úkolem bloku digitálního zpracování signálu (Digital Signal Processing – DSP) přidaného do tradiční regulační smyčky s kaskádovou pozicí pro algoritmus podávacího pohonu je vypočítávat doplňkové ovládací signály pro jeden/několik/ každý regulátor nebo žádanou hodnotu. Měření provedená během provozu zařízení se zpracovávají pomocí metod DSP a jsou provedeny výpočty v časové a frekvenční doméně. Díky dřívější identifikaci parametrů a chování podávacího pohonu osy jsou známy abnormální podmínky a nežádoucí stavy při práci. Pomocí nich speciální algoritmus monitoruje zvukové a vibrační signály ze zařízení a počítá doplňkové ovládací signály podle potřeby.

Krzysztof Pietrusewicz, DSc., působí jako odborný asistent na Západopomořské technické univerzitě v polském Štětíně. Paweł Waszczuk, MSc., je doktorandem na této univerzitě. Oba jsou přispěvateli časopisu Control Engineering Polsko. 

Autor: Krzysztof Pietrusewicz, DSc., Paweł Waszczuk, MSc.