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이중 루프 제어 더 이상 기어 백래시 없음
기계적 백래시 및 탄성 구성품임에도 불구하고 진동 없이 높은 정밀도로 하중의 위치를 동적으로 제어할 수 있을까요? 예, 가능합니다. 지능형 시스템을 사용하면 됩니다.
전기 드라이브로 하중을 움직이는 작업은 일반적으로 제어에 위치 및 속도 정보를 제공하는 모터 샤프트의 인코더를 사용하는 시스템으로 수행됩니다. 인코더의 고해상도와 모터 샤프트 반응의 정밀한 감지는 동적 위치 제어에 필수적입니다. 그러나 애플리케이션의 시점에서는, 생산된 제품의 품질 및 치수 정확도에 중요한 것은 궁극적으로 출력 측 하중 이동의 정밀도입니다. 기어헤드, 스핀들 및 구동 벨트는 이에 부정적인 영향을 끼칠 수 있습니다. 이동 방향에 따라 기어 백래시로 인해 출력 측의 하중 위치가 달라질 수 있습니다. 탄성은 움직임의 시작 또는 정지 시 지연 및 진동을 유발할 수 있습니다. 첫 번째 솔루션은 인코더를 모터 샤프트 대신 출력 샤프트에 장착하는 것입니다. 하지만 그러면성공이 아닌 시스템의 성능을 더욱 악화시킬 뿐입니다.
백래시 또는 탄성이 있는 메커니즘의 경우, 동적이고 정밀한 하중 위치 제어를 위해서는 두 개의 인코더 시스템을 기반으로 제어되는 시스템을 사용해야 합니다.
- 하나의 로터리 인코더, 즉 보조 인코더가 모터 샤프트에 견고하게 연결되어 있습니다. 이 인코더는 모터 조합의 일부여야 합니다.
- 또 다른 인코더, 즉 메인 인코더는 출력 측의 이동된 하중에 연결됩니다.
이 두 인코더 시스템에서 나온 신호를 처리하려면 이중 루프 제어가 필요합니다. 맥슨의 EPOS4 위치제어 컨트롤러는 2차 필터와 게인 스케줄러로 이 이중 루프 제어를 강화하여 기계적 공진과 기어 백래시를 상쇄합니다. EPOS Studio 시운전 소프트웨어는 복잡한 컨트롤러 구조에 대한 매개변수를 자동으로 결정하는 조절 조정(Regulation Tuning) 도구를 제공합니다. 또한 드라이브의 전달 함수를 만듭니다.
제어 아키텍처
EPOS4는 이중 루프 제어를 위해 캐스케이드 제어 구조를 사용합니다(사진 1 참조):
- 가장 안쪽의 제어 루프는 모터 전류 측정을 기반으로 모터 전류의 자속 기준 제어(=FOC)를 피드백 신호로서 제공합니다.
- 가운데 제어 루프(보조 제어)는 모터 샤프트의 인코더를 기반으로 모터 속도를 제어합니다.
- 가장 바깥쪽의 제어 루프(메인 제어)는 하중에 있는 인코더 시스템을 기반으로 하중의 위치를 제어합니다.
EPOS4 이중 루프 제어 구조에 대한 상세 보기는 사진 2에 표시되어 있습니다.
메인 제어 루프
메인 제어 루프는 비례(P) 컨트롤러, 게인 스케줄러 및 2차 필터(메인 루프 필터)로 구성됩니다. 경로 플래너는 원하는 하중 위치와 원하는 속도 및 가속도를 메인 제어 루프의 입력 변수로서 제공합니다. 또 다른 입력 변수는 하중에 있는 인코더에 의해 측정된 하중의 현재 위치입니다.
- 게인 스케줄러
EPOS4 이중 루프 제어는 게인 스케줄러를 사용하여 기어 백래시로 인한 부정적인 영향을 제거합니다. 게인 스케줄러는 메인 제어 루프의 P 게인을 자동으로 조정하여 이를 수행합니다. 추적 오류(원하는 위치와 실제 하중 위치의 편차)가 너무 크면 높은 P 게인이 적용되어 오류가 빠르게 감소합니다. 추적 오류가 작아질수록 P 게인도 작아지므로 기어의 백래시에도 불구하고 드라이브에서 진동이 발생하지 않습니다.
- 메인 루프 필터
모터와 하중 사이에 커플링, 벨트 또는 긴 스핀들로 인해 일정량의 탄성이 있는 경우 공진 주파수가 증폭 진동을 유발할 수 있습니다. 이는 제어가 불안정해지는 지점까지 증가할 수 있습니다. 이를 방지하기 위해 EPOS4 이중 루프 컨트롤러는 노치 필터 유형의 2차 필터를 사용합니다. 이 필터는 메인 제어 루프의 출력 신호에서 공진 주파수 범위를 억제하여 드라이브 트레인의 고조파 진동을 방지합니다.
보조 제어 루프
보조 제어 루프는 피드 포워드(FF)가 있는 비례 적분(PI) 컨트롤러와 모터 인코더의 위치 데이터 및 모터 전류 측정값에서 모터 속도를 추정하는 옵저버로 구성됩니다.
자동 조정 절차
시운전을 단순화하기 위해 맥슨의 EPOS Studio 소프트웨어는 이중 루프 컨트롤러의 매개변수를 결정하고 검증하는 통합된 자동 조정 마법사를 제공합니다. 자동 조정 절차는 자동으로 수행되는 두 가지 실험으로 구성됩니다.
- 실험 1은 모터 샤프트의 진동을 유발합니다. 이러한 진동은 모터의 질량 관성, 토크 상수 및 마찰을 결정하는 데 사용됩니다. 그런 다음 식별된 데이터를 기반으로 보조 루프 컨트롤러 및 옵저버에 대한 매개변수를 계산합니다.
- 실험 2는 메인 제어 루프와 노치 필터의 매개변수를 계산하는 데 사용됩니다. PRBS(= Pseudo-Random Binary Sequence) 신호는 장치를 활성화하는 데 사용됩니다. 결과로서 나타난 입력-출력 데이터를 기반으로 전달 함수를 식별하고 보드 플롯(Bode plot)으로서 표시합니다(사진 3 참조).
보드 플롯을 내보낼 수 있습니다. 이것은 시스템 분석에서 기계 설계를 최적화하고 특정 애플리케이션에 대한 제어를 수동으로 조정하는 제어 기술자를 지원합니다.
단일 루프 제어와 이중 루프 제어의 비교
다음 그래프는 기어 백래시가 있는 시스템(사진 4)과 탄성 커플링이 있는 시스템(사진 5)에 대한 기준 응답 및 추적 오류의 차이를 보여줍니다. 그래프는 단일 루프 제어를 하중의 인코더와 비교하고 모터 샤프트와 하중의 인코더를 사용하여 자동으로 조정된 이중 루프 제어를 비교합니다.
이중 루프 제어는 드라이브 시스템을 보다 더 정확하고 효율적으로 만드는 방법입니다. 맥슨은 필요한 모든 구성품을 제공할 뿐만 아니라 최초의 아이디어와 시스템 설계부터 본격적인 상업 생산까지 컨설팅에 대한 많은 경험도 제공합니다.