Control of servodrives in dynamic-intensive application

katedra: MTI; přílohy: 1 CD-ROM; rozsah: 140 s.Disertační práce se zabývá studiem elektrických servopohonů, určených pro nasazení v dynamicky náročných aplikacích typu elektronická vačka krokových servomechanismů. Elektronická vačka v podstatě nahrazuje část kinematického řetězce, klasického vačkového mechanismu, řízeným pohybem jejího servopohonu. Aby tato substituce byla dokonalá, je potřeba, aby daný servopohon předepsaný pohyb, který je daný zdvihovou závislostí, vy-konával co nejpřesněji. K tomu je nezbytné navrhnout vhodnou regulační strukturu a určit optimální parametry jednotlivých regulátorů tak, aby k tomu pohon vynaložil maximálního možného úsilí, využil tedy své maximální dynamiky. Dynamika však nesouvisí pouze se syntézou jeho regulační struktury. Může být dosti zásadně ovlivněná již při samotném di-menzování pohonu, výběrem konkrétních prvků řídicího systému, ale i samotného servo-motoru. V prvních kapitolách disertační práce je nejprve čtenář uveden do problematiky elektro-nických vaček. Na základě analogie s klasickými vačkovými mechanismy jsou vysvětleny i základní principy elektronických vaček. Hned v další kapitole jsou vysvětleny důvody vol-by konkrétního elektrického servomotoru a celého řídicího systému elektronické vačky, vzhledem k nabízeným nestandardním funkcím, oproti konkurenci. Důležitou částí disertační práce je vypracování a verifikace matematických modelů syn-chronního servomotoru s permanentním rotorovým buzením, jeho řídicího systému, ale i samotných kinematických řetězců testovaných servomechanismů. Na základě takto verifi-kovaných modelů mohla být následně provedena syntéza regulační struktury pohonu. Při-tom byla hledána taková nastavení regulační struktury, kterými by se podařilo zvýšit dyna-miku, zajistit stabilitu a současně minimalizovat polohovou vlečnou chybu servomecha-nismu elektronické vačky. Takto zjištěná nastavení regulační struktury pak byla testována na reálném servopohonu. Cílem bylo minimalizovat polohovou vlečnou chybu servome-chanismu, se kterou danou zdvihovou závislost vykonává. Výzkumné práce jsou dále orientovány do oblasti řízení pohybu tzv. dvojhmotových systémů. Vlivem dalších hmot systému se mohou na pracovním členu servomechanismu objevit tzv. reziduální kmity, které mohou značně degradovat polohovou přesnost daného servomechanismu. Celá práce proto vrcholí poslední kapitolou, která se zabývá analýzou a syntézou metod, kterými se podařilo tyto parazitní reziduální kmity účinně potlačit a to nejen simulačně na sestavených matematických modelech, ale díky implementace do stan-dardních řídicích jednotek elektronické vačky, i na reálném dvojhmotovém systému.The thesis deals with the study of electric servodrives designed for use in dynamic-intensive applications such as electronic cam based stepper servomechanisms. The electronic cam is substitution of a conventional cam mechanism. The electronic cam in principle replaces a part of the kinematic chain by the controlled motion of the electric servodrive. In order to optimize this substitution, it is necessary that the drive system carries out the prescribed cam motion profile as accurate as possible. The stepper drive motion profiles are very demanding on the drive dynamics. In order to reach the high accuracy of the electronic cam it is necessary to design a control structure and to find out optimal parameters of the individual controllers. In this way there is to set the drive to be able to respond to the fast changes in motion dynamically and perform the cam motion profile with minimal position error. However, the drive dynamics relates not only to the precise synthesis of the control structure but it can be quite significantly affected even during selecting the electronic cam control system components and servomotor parameters. In the first chapters of the thesis the problems of the electronic cams are explained. Based on analogy with conventional cam mechanisms there are then explained the basic principles of the electronic cams, as well as the reasons for choosing a concrete electronic servomotor and the whole electronic cam control system. An important part of the thesis there was to develop and verify mathematical models of the permanent magnet synchronous motor and its control structure as well as the mechanical part of the tested servomechanism. Based on the verified models, the synthesis of the control structure was carried out. The main goal of the synthesis there was to find out such setting parameters of the control structure in order to increase the dynamic response of the drive, ensure the stability of the system and to minimize the electronic cam positional error. These setting parameters were then tested on a real control system. The thesis further deals with the control of the servomechanism motion that consists of two-mass flexible system. Due to the mechanical yielding members in the kinematical chain the residual vibrations of the servomechanism end link member can occur. Thus, the positional accuracy of the servomechanism can be significantly degraded. The work culminates in the last chapter, which deals with the analysis and synthesis of control strategies that manage efficiently the residual vibration suppression. These control strategies were at first verified by simulation on mathematical models of the electronic cam stepper servomechanism. Then they were implemented into the open structure of the selected control units and verified at the real two-mass flexible system

Two-mass model based vibration suppression feedback control method applied to standard servo control system

This paper describes one of the functional methods for two-mass system torsional vibrations suppression that are evoked due to torsion plasticity of kinematical chain links and large moment of inertia. This strategy belongs to the group of feedback methods. To its function, the method uses a mathematical model of mechanism to predict the actual speed of the kinematical chain working link. By means of that signal, the measured motor shaft actual speed and weightings product the required correction signal which is able to significantly damp the torsional vibrations of the kinematical chain end-link. The control structure was tested by simulation and then integrated into the existing cascade structure standard servo control unit Siemens Sinamics S120. The results of the simulations on the two-mass system mathematical model and the experiments on the real device demonstrated the ability of this method to effectively compensate the torsional vibrations of the mechanism end-link