Servokäyttöjen viritystyökalut tarkempi prosessi ja parempi tuottavuus
Servojärjestelmiä käytetään, kun tarvitaan nopeaa ja tarkkaa liikettä. Servokäytön säätäminen ja viritys on tärkeä osa käyttöönottoa. Se, kuinka hyvin tässä onnistutaan, vaikuttaa merkittävästi tuottavuuteen, prosessin laatuun sekä laitteiston elinikään.
Ensimmäisiä servojärjestelmiä säädettiin potentiometreillä. Ne sijaitsivat tyypillisesti ohjaimen etupaneelissa, ja käytettävissä oli ainakin PI-säätö. Nykyisin merkittävimmät vahvistimien valmistajat ovat automatisoineet käyttöönoton, jolloin käytössä ovat älykkäät ohjelmatyökalut.
Innovatiivisimmissa järjestelmissä sovelluskohtaista säätöä tarvittaessa viritys tapahtuu graafisen käyttöliittymän kautta tai myös suoraan parametrien arvoja muuttamalla. Säädettäviä suureita on tullut lisää, ja ohjelmatyökalut ovat kehittyneet. Hyvä esimerkki on käyttöliittymään rakennettu sisäinen oskilloskooppi, joka tallentaa valittujen parametrien arvot määritellyllä ajankohdalla. Tämä antaa erinomaiset mahdollisuudet servokäyttöjen lopulliseen virittämiseen ja liikkeiden optimointiin.
Sähköinen tuotekilpi helpottaa käyttöönottoa
Kehittyneimmät valmistajat ovat varustaneet servomoottorinsa sähköisellä tuotekilvellä, joka asettaa vahvistimen parametrit moottorille sopiviksi. Siihen on valmiiksi tallennettu valmistuksen yhteydessä mitatut moottoriarvot ja virransäätöparametrit. Käyttöönottovaiheessa vahvistin lukee moottorin tiedot ja asettaa automaattisesti parametrit oikeiksi. Jos käytettävissä ei ole sähköisellä tuotekilvellä varustettua moottoria, käyttöönottajan on syötettävä nämä käsin. Tarvittavia arvoja ovat esimerkiksi moottori- ja anturiarvot, kuten nimellis- ja maksimimomentti, napaparien määrä, nimellis- ja maksimipyörimisnopeus sekä moottorin induktanssi ja resistanssi.
Syötetyt moottoritiedot muodostavat pohjan, jonka perusteella ohjelmisto laskee parametrit virransäädintä varten. Ellei käyttöönottajalla ole käsillä käämin vastusja induktanssitietoja, kehittyneet suunnittelutyökalut tarjoavat moottoritietojen automaattisen tunnistuksen. Niiden avulla mitataan moottorin induktanssi ja resistanssi sekä lasketaan puuttuvat arvot. Käyttöä edeltävä tunnistusajo optimoi virransäätimen asetukset.
Ohjelmisto tarkastaa asennuksen yhteydessä myös moottorin ja anturien kaapeloinnin oikeellisuuden. Tämä hyödyllinen lisätoiminto vähentää virheitä ja nopeuttaa käyttöönottoa.
Kuva 1. Tyypillisiä servokäyttöjä ja vahvistimia. Kuvan vahvistimissa on Multi-Ethernet protokolla, joka tukee Sercos III-, Profinet IO-, Ethernet/IP- ja EtherCat-liityntöjä.
Kuva 2. Tyypillinen Gantry-sovellus, jossa kaksi moottoria on lukittu mekaanisella akselilla toisiinsa.
Nopeus- ja paikkasäätöpiirin automaattinen viritys
Virransäätimen jälkeen on vuorossa nopeus- ja paikkasäätöpiirien viritys. Helpoin vaihtoehto on automaattinen viritys, jonka edistykselliset valmistajat ovat integroineet käytön säätöohjelmaan. Automaattiviritys mittaa ulkoisen massan hitausmomentin sekä nopeus- ja paikkasäätöpiirien parametrit. Lisäksi akseli suorittaa automaattisesti etukäteen tarkasti määritetyllä liikealueella referenssiajon, jolloin ohjelma määrittää parhaiten soveltuvat parametrit.
Jos käyttöönoton aikana akseleita ei ole mahdollista liikuttaa, nopeus- ja paikkasäätäjän säätöparametrit voi olla mahdollista laskea valmistajan käyttöönotto- ohjelman avulla. Tällöin on tosin tiedettävä ulkoisen massan hitausmomentti.
Nopeus- ja paikkasäätöpiirin viritys käsin
On paljon sovelluksia, joissa on tarpeen optimoida nopeusja paikkasäätopiirit käsin. Esimerkiksi Gantry-sovellukset, jossa kaksi moottoria on lukittu mekaanisesti toisiinsa, vaativat tyypillisesti täydellistä jännityksettömyyttä ja synkronointia.
Säätöpiirin säätimen asetuksissa käytetään laajalti ”Ziegler- Nichols-värähtely ja -askelvas temenetelmää”. Värähtelymenetelmässä käyttöönottaja asettaa nopeussäätöpiirin säätimen integraaliosuudeksi aluksi 0 ms eli poistaa integraaliosuuden kokonaan käytöstä. Tämän jälkeen kasvatetaan nopeussäätöpiirin vahvistusta hitaasti pienellä nopeudella, kunnes alkaa ilmetä epävakaata käyttäytymistä eli jatkuvaa värähtelyä. Seuraavaksi vähennetään nopeussäätöpiirin arvoa niin paljon, että jatkuva värähtely vaimenee.
Saatu arvo kerrotaan käyttökohteesta riippuen kertoimella 0,5–0,7 ”turvallisen” toiminnan varmistamiseksi. Palautumisajan asettamiseksi pienennetään nopeussäätimen palautumisaikaa maksimiarvosta alaspäin niin paljon, että jatkuvaa värähtelyä alkaa esiintyä. Tämän jälkeen suurennetaan arvoa sen verran, että jatkuva värähtely vaimenee. Näin saatu arvo vastaa ”kriittistä palautumisaikaa”. Tämä arvo on kerrottava tyypillisissä sovelluksissa kertoimella 1,5–2.
Vaihtoehtoisesti nopeus- ja paikkasäätöpiirin säädin voidaan optimoida käyttämällä askel- tai taajuusvastetta. Askelvaste pystytään antamaan edistyksellisissä ohjelmistoissa suoraan käyttöliittymästä, ja tulosta pystytään myös analysoimaan sisäänrakennetun oskilloskooppitoiminnon avulla.
Kuva 3. Askelvasteen mittaus.
Hienoviritys
Perinteisten säädinasetusten lisäksi monissa käytöissä on lisätoimintoja, jotka vaikuttavat määräävästi säädön laatuun. Esimerkiksi synkronointimoottoreissa havaitaan erityisesti pienillä pyörimisnopeuksilla käynnin epätasaisuutta, mutta se voidaan ehkäistä sisäänrakennetulla värähtelyn kompensoinnilla. Sen avulla saavutetaan tasaisempi pyörimisnopeus ja parempi synkronointi.
Saatavilla on myös ohjelma, jonka taajuuskäyräanalyysin avulla voidaan tunnistaa mekaniikan resonanssikohtia ja minimoida niiden vaikutukset eri suotimien avulla. Suotimilla voidaan esimerkiksi leikata haluttu yksittäinen taajuusalue. Se suoritetaan määrittämällä leikattava taajuus ja leikattava alue.
Ohjelmatyökalu nopeuttaa käyttöönottoa
Akselien manuaalinen käyttöönotto on aikavievää ja vaatii teknistä asiantuntemusta. Ohjelmistopohjainen käyttöönottoavustaja voi alentaa näitä kustannuksia jopa 80 % tyypillisissä sovelluksissa.
Markkinoilla on myös ratkaisu, joka yhdistää vahvistimen, moottorin ja mekaanisen akseliston täydellisesti kokonaisuudeksi. Siinä käyttöönottoavustaja tunnistaa moottorin optimaaliset arvot ja parametrit sähköisen tyyppikilven avulla. Kun liitetyn mekaanisen akseliston sarjanumero on syötetty, työkalu etsii yksittäiset mekaaniset parametrit tietokannasta ja asettaa ne automaattisesti. Järjestelmän käyttöönotto lyhenee sen ansiosta useasta kymmenestä minuutista muutamaan minuuttiin.
