Geekly articles weekly

الحفاظ على المركز في محرك سيرفو: التحكم الثانوي مقابل وضع الخطوة


بعد ظهور المقالات السابقة حول مكافحة ناقلات المحركات الكهربائية ، نشأت العديد من الأسئلة حول القيادة الموضعية - كيف يمكن تحديد موضع معين باستخدام محرك أقراص؟ كيف يعمل محرك سيرفو في الآلات الحديثة ، وكيفية استخدام إشارة من مستشعر الموضع ، وكيف يختلف محرك الأقراص عن محرك سيرفو مع تنظيم ثانوي؟ دعونا نظهر كل شيء في شكل صور ومقاطع فيديو.

فما هو المؤازرة مع حلقة الموقف؟ للبدء ، انظر إلى هذا. لرؤية الرسومات على الخلفية ، أنصحك بالمشاهدة في وضع ملء الشاشة.


هيكل تحكم ثلاثي الحلقات


يسعى نظام التحكم إلى الحفاظ على موضع معين لعمود الدوار. أقوم بتأثير مزعج ، أقوم بتحريك الدوار بعيدًا عن الموضع المحدد ، ولكن بعد تحرير العمود ، يعود مرة أخرى على الفور إلى المهمة. حتى إذا قمت "بلفها" بضع مرات ، فسوف يقوم نظام التحكم بفك هذه المنعطفات إلى الوراء ، ومع ديناميكيات جيدة جدًا - بحيث لا يتوفر للحركة الوقت الكافي للوصول إلى إطارات الفيديو. في الخلفية ، يكون جدول تشغيل المحرك مرئيًا: يظهر تيار المحرك باللون الأحمر (يتناسب مع اللحظة) ، ويتم عرض الموضع الحالي لعمود الدوار باللون الأخضر ، وإعداد الموقف باللون الأصفر. الحد الأقصى المسموح به للعزم (الحالي) للمحرك في هذه التجربة كان محدودًا بثلاثة أضعاف الحد الأقصى ، وبالكامل لن أتمكن من حمله بسهولة.

كيف يعمل نظام التحكم هذا؟ هذا هو نظام التحكم الرقيق ثلاثي الحلقات الكلاسيكي مع التصحيح المتسلسل ، كما هو موضح في الشكل 1.


الشكل 1. نظام ثلاث دوائر لتنظيم مرؤوس

لماذا المرؤوس؟ لأن كل دائرة مغلقة "تابعة" لمهمة الأعلى. هناك ثلاث دوائر في النظام ، أذكرها بدءًا من الداخل: دوائر التيار (عزم الدوران) ، دائرة السرعة (السرعة) ، حلقة الموضع. وفقًا لذلك ، تحافظ كل دائرة بها منظمها الخاص على قيمتها عند مستوى معين. في هذه الحالة ، تم استخدام جهاز التحكم PI للتيارات ، جهاز التحكم P للسرعة ، جهاز التحكم PID للموضع. لا يوجد سحر مثل المنطق الضبابي ، والتحكم الخطي التربيعي ، والمزيد.

لماذا بالضبط ثلاث دوائر ومثل هذا بالضبط؟ سأحاول أن أشرح ، كالعادة ، "على الأصابع". إذا أردنا تعديل الموضع ، فإن أفضل ما يمكننا التحكم به هو السرعة (السرعة) ، لأن السرعة هي التي تؤثر بشكل مباشر على التغيير في الموضع (السرعة مشتقة من الموضع) ، وجميع الكميات الأخرى (التيار والجهد و أخرى) تؤثر على الوضع بطريقة أكثر تعقيدًا ، وأكثر صعوبة في التنظيم. علاوة على ذلك ، إذا أردنا الآن تنظيم السرعة ، فإن أفضل ما يمكننا التحكم به هو اللحظة الحركية ، حيث إن اللحظة تحدد تسريع محرك الأقراص ، كما أنها مرتبطة بالسرعة بأبسط قانون رياضي. لأنه بالنسبة للمحرك ، فإن اللحظة الحالية (بالنسبة لمحرك DC ، هذا صحيح بشكل صريح ،وبالنسبة لمحركات التيار المتردد ، يكون صالحًا لتيار توليد عزم الدوران في التحكم في المتجه) ، ثم للتحكم في اللحظة التي يكون فيها من الضروري التحكم في الجهد على العاكس للمحول ، لأن التيار والجهد متصلان أيضًا بالتقريب الأول من خلال معادلة تفاضلية بسيطة.

إذا حذفت أي دائرة داخلية ، فسيتم ... تنظيم الوضع ، ولكن سيتم تنظيمه بشكل سيئ ، وليس بنفس السرعة كما في نظام ثلاثي الدوائر. إذا طردت ، على سبيل المثال ، الدائرة الحالية ، مما أجبر وحدة التحكم في السرعة على التأثير مباشرة على جهد العاكس ، فستبقى لحظة القيادة (الحالية) غير خاضعة للرقابة - ستتغير كما تريد ، وسيتم ترك العابرين للصدفة. لسوء الحظ ، تجعل بعض arduinovides الهيكل الموضح في الشكل 2.

الشكل 2. الطريقة التي لا تحتاج بها لضبط موضع محرك الأقراص.

يعمل مثل هذا الهيكل بشكل مثير للاشمئزاز (ببطء ويتأرجح) ، على الرغم من أنه يعمل بطريقة أو بأخرى - ستتحكم وحدة التحكم PI في كل شيء.

التيار المباشر والمتناوب: ما الفرق في حلقة الموضع؟


ما هو الفرق في التحكم في الموقع لمحركات DC ومحركات AC؟ في طريق الحفاظ على اللحظة. في محرك DC ، يكفي وضع منظم تيار واحد ، مما يؤثر على جهد ملف المحرك - ستحصل على التحكم في عزم الدوران. في محركات التيار المتردد (على سبيل المثال ، آلة متزامنة مغناطيسية دائمة ومحرك غير متزامن) ، يجب تطبيق التحكم بالنواقل. ما هو وكيف يعمل وقد سبق بيان بالتفصيل في مقالات محرك مكافحة ناقلات "على الأصابع" و مكافحة ناقلات للمحرك تحريض "على الأصابع". بالإضافة إلى محرك التيار المستمر ، يتيح لك التحكم في ناقل الحركة ضبط عزم الدوران على المحرك. علاوة على ذلك ، يتم تعليق نفس وحدات التحكم في السرعة والموضع من أعلى. لا تعتمد قابلية التشغيل النهائية لحلقة الموضع على نوع المحرك (تتغير الفروق الطفيفة فقط).

وضع الخطوة


بالنسبة للآلات المتزامنة ذات المغناطيس الدائم ، هناك خيار آخر لحل الموقف - ما يسمى بوضع "الخطوة" للتشغيل. المحركات المحسنة لذلك ، على التوالي ، تسمى السائر. ليست كل محركات السائر هي آلات متزامنة مع مغناطيس ، ولكن معظمها مجرد ذلك (لا تزال هناك خطوات من نوع المحث من نوع الخطوة). كيف يعمل؟ يوفر المحرك ببساطة التيار المباشر للمراحل المطلوبة. هذا كل ما في الأمر. الدوار تحت تأثير "النابض المغناطيسي" نفسه يرتفع في الموضع المقابل للتيار. إذا كنت بحاجة إلى تغيير موضع العمود ، فيجب أن يتم تدوير الناقل الحالي - فهو يعتمد بسلاسة أو بشكل منفصل على "محرك" محرك السائر (مع أو بدون microstep). حول كيفية عمل المحرك المتزامن ، وحيث يوجد فيه زنبرك مغناطيسي تم وصفه بالفعل في المقالة .

وضع الخطوة جيد لأنه بالإضافة إلى الحلقة الحالية ، فإنه لا يحتاج إلى أي شيء - لا مستشعر موضع ، ولا حتى متحكم دقيق. يتم تجميع نظام التحكم لهذا الوضع من ثلاث دوائر صغيرة ونصف ويستخدم في جميع آلات CNC على مستوى الهواة (وليس ذلك). ما هي عيوبه؟ الموقف مثير للاشمئزاز أيضا. المحرك في هذا الوضع هو المحرك نفسه - يتم توفير تيار ثابت إلى الجزء الثابت ، ويميل الدوار إلى الوقوف في الموضع المقابل. يمكن للمرء أن يتخيل مغناطيسين مستطيلين على محور واحد يمر عبر وسطهما (الشكل 3). نتحكم في مغناطيس واحد (التيار الثابت) ، والثاني - الدوار ، يتدلى من تلقاء نفسه ويميل إلى الدوران وفقًا للأول ، بالتوازي معه.

التين. 3. طريقة تشغيل آلة متزامنة

تتغير اللحظة على الدوار في هذا الوضع وفقًا لقانون جيب زاوية عدم التطابق بين المغناطيسين. في الوضع المنسق ، تكون اللحظة صفر (لا يعمل الحمل على الدوار) ، عند 90 درجة (المغناطيس متعامد) ، تكون لحظة المحرك قصوى وتميل إلى تدوير الدوار إلى الوضع المنسق. ويعتمد اتساع هذا الجيب للتغير في اللحظة على حجم التيار الموفر.

عدد أزواج الأعمدة


لتحسين دقة الحفاظ على الوضع في وضع الخطوة ، يتم زيادة عدد أزواج القطب في المحرك بشكل هيكلي. إذا كان هناك زوج واحد من الأعمدة ، فإن المحرك يتوافق مع هذين المغناطيسين في الشكل. 3 - يمكن للدوار تعليق ما يصل إلى ربع الثورة ذهابًا وإيابًا من موضع معين. عندما يزداد عدد أزواج القطب ، يزداد عدد التبادلات بين الشمال والجنوب ، في مغناطيس الدوار وفي اللفات الثابتة. هذه صورة توضح محركًا به زوج من الأعمدة واثنين:

الشكل 4. زوج واحد من القطبين مقابل زوجين من القطبين.

إذا حاولت تحريك مثل هذا المحرك مع زوجين من الأقطاب مع التيار المباشر الموفر على مراحل ، فستزداد اللحظة على الدوار إلى أقصى حد ليس في ربع الثورة (90 درجة ، كما هو الحال في زوج واحد من الأعمدة) ، ولكن في ثورة ثورة (45 درجة ميكانيكية). سيكون للمحرك موقعين مستقرين للدوار على ثورة ميكانيكية. من أجل راحة وصف العمليات في المحرك ، تم تقديم مفهوم "الثورة الكهربائية" - كم يحتاج الدوار إلى الدوران بحيث يقع مغناطيس الدوار في أحد الأقطاب في مكانه من القطب الآخر ، أي لاتخاذ "خطوة" واحدة. ثم يقولون أن الدوار استدار 360 درجة ، ومن أجل ترجمة ذلك إلى ميكانيكي ، من الضروري القسمة على عدد أزواج الأعمدة. في الثورة الكهربائية ، يكون سلوك جميع المحركات من حيث التحكم هو نفسه ، بغض النظر عن عدد أزواج الأعمدة.تؤدي الزيادة في عدد الأزواج القطبية إلى إنشاء نوع من "العتاد الكهربائي" فقط - يمكنك اصطحاب سيارة مع زوج واحد من الأعمدة ووضع ترس تخفيض من أربع خطوات ، أو يمكنك أخذ سيارة بها أربعة أزواج من الأعمدة والحصول على نفس الشيء تقريبًا.

vs :


بالنسبة لمحركات السائر ، يكون عدد أزواج الأعمدة كبيرًا جدًا - 50 أو 100 أو أكثر. في هذه الحالة ، تكون القدرة الطبيعية على الحفاظ على الموضع جيدة جدًا - إذا كنت تضمن ألا تتجاوز لحظة التحميل مطلقًا الحد الأقصى لعزم دوران المحرك ، فسيتم الحفاظ على الموضع الذي لا يحتوي على أي مستشعرات للموضع بدقة (± 360 / (عدد الأزواج * 4)) من الدرجات الميكانيكية. صحيح أن ثمن ذلك هو تدهور قوي في أداء المحرك من حيث الوزن والحجم والكفاءة. إذا قارنا قوة محرك السائر مع مائة زوج من الأعمدة ونفس الحجم من المحركات المتزامنة مع عدد صغير من أزواج من الأعمدة ، فإن الطاقة المسموح بها لفترة طويلة لشاغوفيك ستكون أقل عدة مرات. وأيضًا بسبب الزيادة في عدد أزواج الأعمدة ، يعاني الشاغوفيك من مشكلة في العمل بسرعات عالية.يجب أن يتم توفير تردد التيار فيها مرات عديدة مثل عدد مرات_الزوج كما هو الحال في الآلة المتزامنة "العادية" ، والتي تعطي الترددات الحالية بترتيب كيلو هرتز أو أكثر - هناك خسائر فادحة في عكس مغنطة الحديد ، ولا يمكن لكل نظام تحكم.

بالإضافة إلى ذلك ، لا يوفر shagoviki ديناميكيات جيدة للتسارع والكبح ، لأنه أثناء التسارع يجب أن يتغلب المحرك على نقطتين: لحظة التحميل ، وكذلك اللحظة الديناميكية لتسريع كتلة الحذافة والهيكل العامل. وإذا تجاوز مجموع كل اللحظات الحد الأقصى لعزم دوران المحرك ، فسوف يتخطى خطوة ، وهو أمر غير مقبول بالنسبة لـ CNC. لذلك ، تسرع الديدان السفلية والفرامل بسلاسة بالضرورة ، مع هامش كبير بين إجمالي العزم على العمود والحد الأقصى لعزم دوران المحرك ، حتى لا تتخطى الخطوات.
من الجدير بالذكر أيضًا أنه في الوضع خطوة بخطوة ، عندما يتم تطبيق الحمل على الدوار ، فإنه دائمًا ما يستسلم وينحرف عن الوضع المحدد بزاوية معينة ، مهما كان التيار الموفر للمحرك. أيضا ، مع خسارة حادة في الحمل ، من الممكن حدوث تقلبات - يتأرجح الدوار في النابض المغناطيسي ذهابًا وإيابًا. إذا لم يكن الحمل محظوظًا وكان نبضًا ، فيمكن أن يتزامن مع التردد الداخلي للدوار ، ثم يتأرجح ، وبعد ذلك سوف يسقط الدوار من التزامن - المحرك "سيتخطى خطوة".

ماذا تفعل إذا لحل المشكلة تحتاج إلى الحفاظ على وضع جيد والحصول على محرك ديناميكي عالي السرعة؟ لا تستخدم حلقات العمل! واستخدام آلة متزامنة "عادية" مع عدد صغير من أزواج القطب كمحرك مؤازر ، قم بتثبيت مستشعر الموضع وبناء نظام تحكم ثلاثي الحلقات. لا توجد "خطوات" في نظام مكافحة ناقلات الأمراض - ليس هناك ما تخسره. في الوضع المتدرج ، يلزم دائمًا وجود تيار كبير للمرور عبر المحرك ، وفي وضع المتجه مع هيكل تحكم ثلاثي الحلقات ، يتدفق التيار فقط عندما يتم تطبيق الحمل على العمود. يتم تحديد دقة الحفاظ على الموضع في نظام التنظيم الثانوي في أغلب الأحيان من خلال دقة مستشعر موضع الدوار. كلما كان المستشعر أكثر دقة ، كان عمل حلقة الموضع أفضل.ومستشعرات الموضع الحديثة دقيقة للغاية - مئات الآلاف من العلامات لكل ثورة ميكانيكية. هذه أوامر بحجم أفضل من إعطاء محركات السائر مع أقوى خطوة سحق.

وضع الخطوة مقابل التنظيم الثانوي: الممارسة


والآن لنرى عمليا كل ما سبق. من الضروري وصف الموقف الذي أعمل به. هناك الكثير من المعلومات التقنية ، سأخفيها تحت المفسد.
اختبار مقاعد البدلاء
VectorCARD 192101, , , .

. 5. VectorCARD 192101

– Leadshine ACM601V36-1000. 100, 4 , 36, 4, 11. – 1000 (, , 4000 () A B ).
– DRV8301-HC-EVM Texas Instruments.
– VectorCARD 192101 192101 «» (ARM Cortex-M4F, 100).
, , . 6.

. 6. : (), , .

- , , « ». . 1.
20, ( ) – 10. – , . , .


وضع الخطوة مقابل التحكم في الرقيق: مقارنة في الوضع الثابت


أولاً ، نقارن بين طريقة التشغيل خطوة بخطوة ونظام الحلقات الثلاث من اللوائح الثانوية مع التحكم بالنواقل "في الإحصائيات". نضع نفس موضع الدوار ، ثم نزيد تدريجياً من لحظة الحمل على العمود. في وضع التشغيل خطوة بخطوة ، نوفر تيارًا مقننًا 4A ، وفي وضع ناقل الحركة ، نقوم بتعيين الحد الحالي لـ 4A. ماذا نتوقع أن نرى؟

في وضع التشغيل خطوة بخطوة ، سيكون التيار ثابتًا في كل من الطور والسعة ، ويجب أن "ينحني" موضع الدوار على الزنبرك المغناطيسي تحت الحمل. نظرًا لأن عدد أزواج القطب هو 4 ، يجب تحقيق الحد الأقصى لعزم الدوران بانحراف 360/4/4 = 22.5 درجة ميكانيكية من الوضع الأصلي المتفق عليه.

ماذا سيحدث في نظام التحكم ثلاثي الدوائر؟ المتحكم في هذه التجربة هو PID (النسبي - التكاملي - التفاضلي). الحرف الرئيسي هنا هو "AND" - يحتوي على مكون لا يتجزأ. هذا يعني أنه ما دام هناك على الأقل بعض عدم التوافق بين الموضع المعطى والموضع الحالي ، فإن تكامل المنظم سوف يدمج ويزيد من ناتجه حتى يصل الخطأ إلى الصفر. هذا يعني أنه إذا قمت بتحميل العمود ببطء ، بحيث يكون لدى المكمل الوقت للتكامل والتعويض عن الخطأ (أي في الوضع الثابت) ، فإن العمود سيقف في نفس الوضع "الميت". ولكن عندما يتم استنفاد الهامش الحالي (عزم الدوران) لمحرك الأقراص (سيصل المرجع الحالي إلى حد 4A) ، سوف يستسلم محرك الأقراص على الفور وينحرف عن المرجع (ومع ذلك ، فإنه سيتم سحبه بأقصى عزم دوران نحو المرجع طوال الوقت).

لتتبع الوضع الحالي لعمود الدوار ، من الملائم ملاحظة إشارة الخطأ من مستشعر الموضع (الفرق بين المرجع والموضع الحالي) ، بالإضافة إلى تيار الجزء الثابت. أثناء التجربة ، سيكون مرسم الذبذبات بهذه البيانات مرئيًا في الخلفية. لمراقبة لحظة التحميل الحالية في التجربة ، تم استخدام مقياس ديناميكي متخصص عالي الدقة ، أخرجته من درج طاولة المطبخ. هنا ، في الواقع ، التجربة نفسها (لجعل شيء ما مرئيًا - ملء الشاشة!):

يؤكد الفيديو ما قيل. في نظام التحكم ثلاثي الحلقات ، وقف الدوار بدون حركة حتى "اخترت" التيار 4A المتوفر ، ثم بدأ الدوار في الانحراف. في هيكل مفتوح بتيار مستمر مع تيار مباشر ، استسلم الدوار بسهولة إلى لحظة خارجية. نظرًا لأن عدد أزواج أقطاب هذا المحرك هو 4 ، فإن الانحراف عن الدوار يزيد عن 20 درجة عن المرجع.

vs :


يصبح كل شيء أكثر إثارة للاهتمام في الديناميكيات. ماذا لو تم تطبيق حمل صدمة نابض؟ وينتج عن ذلك منافسة بين نظامين مختلفين جوهريًا. في نظام التحكم بالنواقل ، تعتمد السرعة مباشرة على سرعة هيكل التحكم ثلاثي الحلقات. كلما تم ضبط المنظمين بشكل أكثر صرامة ، كلما كان تواتر حساب الهيكل أسرع ، كلما كانت أجهزة الاستشعار أكثر دقة وأسرع ، كلما كانت الاستجابة أفضل للاضطراب في الديناميكيات. في وضع التشغيل خطوة بخطوة ، "يتحكم" نظام التحكم. لقد قامت بإنشاء ناقل حالي - هذا كل ما تحتاجه. يتم توفير رد الفعل الكامل للاضطراب من قبل المحرك نفسه. تحدث اللحظة على العمود عند انحراف عمود الدوار "على الفور" ، لأن هذا ، في الواقع ، هو تفاعل مغناطيسين. لكن اللحظة تزداد بما يتناسب مع جيب زاوية الانحراف الكهربائي ، مما يعني أن مثل هذا النظام سيكون له صلابة معينة.بشكل عام ، هذا هو "الربيع المغناطيسي" الشائع. تعد المقارنة في الديناميكيات تجربة توضيحية جيدة جدًا لنظام التحكم ثلاثي الدوائر. إذا كانت بطيئة ، فلن تكون قادرة على إظهار نتيجة أفضل من هيكل مفتوح. نعم ، في الإحصائيات ، يمكن للهيكل ثلاثي الحلقات اختيار خطأ من خلال تحديد موضع جزء لا يتجزأ من المنظم ، إلى الصفر ، ولكن في الديناميكيات يمكن أيضًا أن "يتدلى" أكثر من وضع التشغيل المعتاد خطوة بخطوة. تحقق من ذلك؟

لإجراء هذه التجربة ، استخدمت حمولة تم قياسها ، والتي وجدتها في خزانتي مع أدوات ، بالإضافة إلى خيط مرتبط بقضيب ، والذي يحتوي على حامل ناتئ على أداة توصيل المحرك. من خلال إسقاط الحمل لأسفل من ارتفاع ثابت ، نحصل على حمولة دافعة تأثير على عمود الدوار. يمكنك ملاحظة مقدار انحراف العمود الدوار عن الوظيفة في وقت الاصطدام. هنا فيديو للتجربة:


في البداية ، يتم تشغيل وضع خطوة العملية مع ناقل تيار ثابت. أنا أظهر كيف ينحني الدوار تحت تأثير لحظة الحمل ، كيف ، بعد التغلب على لحظة الحمل ، يمكنك القفز إلى موضع ثابت آخر. ثم أجري تجربة لتفريغ البضائع. كذلك نفس الشيء لهيكل التحكم ثلاثي الحلقات. هل لاحظت كم أقل انحراف عمود الدوار في الفيديو في نظام التحكم ثلاثي الحلقات؟ أو ربما أكثر؟ انا لا.

إذا تم تصوير مقطع فيديو مشابه بواسطة قناة Discovery ، فمن المؤكد أنهم قاموا بتثبيت كاميرا عالية السرعة للقطات المقارنة الجميلة. ومع ذلك ، لدينا أداة أكثر دقة - مستشعر موضع الدوار وجهاز التحكم الدقيق. تحتاج فقط إلى إزالة خطأ شكل الموجة الذي يعمل على تحديد الموضع وقت تطبيق حمل النبض. يتم وصف كيفية القيام بذلك بالتفصيل في المقالة.طرق تصحيح برنامج متحكم في محرك كهربائي . باختصار ، يسجل المتحكم الدقيق نقاط الشكل الموجي في مصفوفة لحدث معين ، ثم يتم تنزيل الشكل الموجي إلى الكمبيوتر وعرضه. في برنامج التحكم ، قمت بتعيين الزناد لانتقاد شكل الموجة عندما يكون خطأ الموضع أكبر من إعداد معين ، بإدخال سطرين من كود C لهذا. ثم على الكمبيوتر حصلت على مثل هذا الذبذبات لوضع الخطوة العملية بتيار 5A:


. 7. «» – . ( 4), , – . 21 .

أضفت ثلاثة متغيرات نظام التحكم إلى مرسمة الذبذبات: خطأ في الموضع ، التيار الثابت ، سرعة العمود. يُظهر مخطط التذبذب أن تيار الجزء الثابت ظل ثابتًا ومساويًا لـ 5A ، ولم يُحمل حمل الصدمة سوى اضطراب صغير فيه (بسبب EMF لمحرك دوار). لكن الوضع قفز بقوة. كان أقصى انحراف لموضع العمود عن المرجع 36 درجة كهربائية (أو 9 ميكانيكية). هناك وضع تذبذب مخمد للدوار بعد الاصطدام. لقد أجريت العديد من هذه التجارب ، مع التأكد من التكرار. اتضح أن جميع أجهزة التذبذب متشابهة - من الجيد أنه إذا كان لديك الأدوات اللازمة ، فإن الوقت اللازم لإجراء تجربة والحصول على التذبذب (كما هو مدرج في المقالة) هو 5-10 ثوانٍ.

الآن دعونا نرى ما سيظهر هيكل التحكم ثلاثي الدوائر (الشكل 8). في السابق ، قمت بتعيين جميع المنظمين على سرعة متوسطة.

التين. 8. تذبذب رد الفعل لارتفاع الحمل النبضي مع نظام ثلاثي الحلقات من التنظيم الثانوي. يظهر البنفسج انحراف العضو الدوار عن الوضع المحدد بالدرجات الكهربائية (مقسومًا على 4 للتبديل إلى الميكانيكية) ، ويظهر اللون الأزرق تيار الجزء الثابت الحالي على طول محور q (تيار تشكيل العزم) ، ويشير اللون الأزرق إلى مهمته ، ويشير اللون الأحمر إلى تردد الدوران الحالي. في خلية واحدة ، يكون المحور الزمني 21 مللي ثانية.

العملية أكثر إثارة للاهتمام هنا. بالإضافة إلى الوضع ، في الواقع ، أضفت إلى الذبذبات جميع أنواع الكميات ، والتي تظهر عمل التنظيم الثانوي. في الوقت الأولي ، لا يزال صفرًا: الخطأ هو صفر ، والسرعة ، والجزء الثابت ومهمته. لا توجد قوى تعمل على الدوار ؛ إنها ترتكز على قوة الاحتكاك. لكن الشريط الكهربائي في هذه اللحظة يطير حتمًا إلى أسفل بلا هوادة ، والحبل ينفصل ... في لحظة معينة ، يتم تحديد طول الخيط ، ويضرب الحمل العمود ، ويبدأ الموضع في التغيير ، ويزداد الخطأ (التغذية المرتدة من وحدة تحكم الموضع) ، إلى جانب سرعة العمود. رداً على ذلك ، يزيد نظام الدوائر الثلاث بشكل كبير من لحظة القيادة ، محاولاً إعادته إلى مكانه الأصلي. بعد مرور خمس ثوانٍ من الارتطام ، تصل اللحظة على المحرك إلى الحد الأقصى المسموح به (التيار 5 أمبير) ،وبعد ذلك يبدأ الموضع على مضض في التغير في الاتجاه المعاكس ، تتغير السرعة. بعد أن حلّق الطيران فوق نقطة الصفر وقام ببعض التذبذبات ، يأتي النظام إلى المهمة.

يمكن ملاحظة كيف أن مهمة التيار الثابت (الأزرق) متقدم قليلاً على القيمة الحالية (الأزرق) ، لكن التأخير أقل من مللي ثانية ، مما يشير إلى سرعة عالية للحلقة الحالية. ومع ذلك ، يمكن رؤية بعض "الانتفاخ" و "الإبر" في المهمة الحالية ، خاصة في نهاية عملية الانتقال. ما هو ومن أين؟ دعونا نلقي نظرة على ما تعطيه وحدة التحكم في الموضع في هذه العملية - ناتج مكوناتها النسبية والتكاملية والتفاضلية. أسقط الشريط مرة أخرى ، ها هم:


. 9. . ( 4), – , – , – . 21 .

انظر كيف تعمل جميع الأجزاء الثلاثة لوحدة تحكم PID على المرور العابر. شكل الموجة يشبه من كتاب مدرسي ، لكن هذا مباشر وحقيقي وجديد ، فقط من المحرك. ناتج الجزء النسبي يتناسب طرديا مع الخطأ. جزء لا يتجزأ هو خطأ لا يتجزأ ، انظر كيف تم دمج "لأسفل" من التقلب الكبير الأول ثم يأتي على مضض إلى الصفر. الجزء التفاضلي مشتق من الخطأ. ولكن نظرًا لأن مستشعر الموضع تزايدي و 1000 علامة فقط ، فإن التغيير في كل علامة هو حدث. لذلك ، يتغير موقف نظام التحكم بشكل منفصل وغير منتظم ، مما يعني أن المشتق من مثل هذا التغيير سيكون "مثل الإبرة". أو حتى الاندفاع ، المستطيل ، الصاخبة - التي نراها.

لكن انتظر ... مشتق الموقف بنفس السرعة! قم بالتمرير لأعلى للتين. 8 وقارن الرسم البياني للسرعة بالرسم البياني للجزء التفاضلي من الشكل 9. نفس الشيء ، ولكن لا ضجيج! لأن سرعة دوران وحدة معالجة التشفير الإضافية يتم تحديدها بشكل أكثر كفاءة - أجهزة وحدة التحكم الدقيقة ، التي تتعقب الوقت بين علامات المستشعر. نفس "المشتق" للموضع ، ولكن يتم قياسه بشكل صحيح.

ما هو المعنوي؟ ليست كل مكونات جهاز التحكم مفيدة بنفس القدر. ما يفعله المكون التفاضلي لجهاز التحكم في الموضع هو نظريًا يتم إجراؤه بواسطة حلقة سرعة المصب. نظرًا لأنني كنت بحاجة إلى ضبط أفضل ، فهذا يعني أنني لم أقم بضبط حلقة السرعة المتوسطة.

أوه نعم. من أين نبدأ هناك؟ مع خطأ في الموقع. في وضع التشغيل المفتوح ، كان الخطأ 36 درجة كهربائية (9 ميكانيكية) ، وفي نظام ثلاثي الحلقات من التنظيم الثانوي مع هذا الإعداد للمنظمات ، يكون 21 درجة كهربائية (5.2 ميكانيكية). نعم أفضل. هل هو أفضل؟ دعونا الاستيلاء على معاملات تحكم موضع آخر. أقوم بزيادة كل شيء - Kp ، Ki ، Kd مضروبًا مرة ونصف. نحن ننظر:


التين. 10. تذبذب رد الفعل لارتفاع الحمل النبضي مع نظام ثلاثي الحلقات من التنظيم الثانوي. يتم زيادة معاملات وحدة التحكم في الموضع مرة ونصف.

لقد انخفض الخطأ ، نعم ... 18 درجة كهربائية. لكن ماذا نرى؟ واجه نظام التحكم على الفور الحد الحالي. إنها ترغب في تطبيق تيار أكبر من 5A ، لكنني قمت بتعيين الحد إلى 5. لماذا؟ للمقارنة بصدق مع نظام تحكم مفتوح ، والذي يحتوي أيضًا على تيار 5A. ولكن تبين أنها غير شريفة: نظام مكافحة ناقلات الأمراض يخلق التيار فقط عندما يحتاج إليه (عندما يكون من الضروري إدراك اللحظة) ، ونظام مفتوح دائمًا يقود التيار المحدد. من وجهة نظر التسخين والخسائر ، فإن نظام مكافحة ناقلات الأمراض هو الأفضل بكثير للمحرك.

السماح لنظام ناقلات "التخلي عن" التيار؟ على الأقل لفترة قصيرة. وفقا للجواز ، يسمح المحرك بـ 11A. حل 7A لتقييم النتيجة.


التين. 11. تذبذب رد الفعل لارتفاع الحمل النبضي مع نظام ثلاثي الحلقات من التنظيم الثانوي. رفع الحد الحالي من 5A إلى 7A.

الخطأ 15 درجة كهربائية فقط! هذا أقل 2.5 مرة من نظام التحكم في الحلقة المفتوحة. لكن انظر ، ما هو موجود في نهاية الجدول؟ "الإبر" في مهمة التيار ... وهم مستمرون ويستمرون ، وهو ما أسمعه صوتيا - المحرك "يرن". وهذا ما يسمى بالتأرجح التلقائي - فقد سحب معاملات المنظم أكثر من اللازم.

الدوائر المغلقة وضوضاءها


لذلك وصلنا إلى مسألة الجودة المحددة لأي نظام تحكم ، والتي لا تقل أهمية في بعض الأحيان عن دقة الحفاظ على المعلمة القابلة للتعديل نفسها - الضوضاء. هل يجوز للمحرك أن يصدر ضوضاء في نظام التحكم بحلقة مغلقة؟ يعتمد ذلك على مقدار الضجيج وما يحدثه. أعددت مقطع فيديو يظهر الضوضاء المختلفة التي يمكن أن تولد في ملامح مختلفة لنظام التنظيم الثانوي. للقيام بذلك ، قمت بإصلاح الميكروفون في اتصال مباشر مع المحرك - على مسافة من المحرك ، الصوت غير مسموع تقريبًا. على الرغم من أنها تعتمد على المحرك ، إلا أن المحركات المختلفة "تبدو" مختلفة.

في بداية الفيديو ، يتم عرض ضوضاء من الحلقة الحالية. تم تشغيل الحلقة الحالية فقط مع منظمين حاليين. ظهر ضجيج في المحرك ، قارنه زميلي بالضوضاء من أنبوب يمر من خلاله الماء. يبدو وكأنه ضجيج "أبيض". يتم إنشاء هذا الضجيج بسبب ضجيج قياسات تيار الطور. نظرًا للمكون النسبي الكبير نسبيًا (الضروري للسرعة المطلوبة) ، فإن المنظمين الحاليين يلتقطون جميع التقلبات الصغيرة في قياس التيار ويضخمها ، وينقلون جهد العاكس إلى المهمة. على سبيل المثال في البداية ، يكون التيار في المحرك سلسًا ولا يصدر ضوضاء ، لكن قياسه صاخب ، تحاول المنظمات الحالية تعويضه ، "سحب" الجهد العاكس ، وبالتالي جعل التيار الحقيقي في المحرك "يصدر ضجيجًا". على الشكل الموجي ، يمكنك رؤيته على النحو التالي:


التين. 12. الذبذبات العابرة للقفزة في مهمة (1A) للمنظمين الحاليين و "ضوضاءهم" اللاحقة. يتم عرض ردود الفعل على المنظمين الحاليين (إشارة من ADC) وإخراج المنظمين الذين يتم تغذيتهم إلى العاكس. في خلية واحدة على طول المحور الزمني 4.2 مللي ثانية.

لا يُظهر مخطط التذبذب ضوضاء فحسب ، بل يُظهر أيضًا العملية العابرة للمنظمات الحالية عند تشغيلها. يتم عمل التيار في أقل من 1 مللي ثانية ، والعابر قريب من الضبط إلى الحد الأمثل التقني. يؤدي الضجيج في القياس الحالي للترتيب + -0.02A إلى تغيير في جهد الخرج بنسبة 20 ٪ من التيار ، والذي يتم سماعه على أنه ضوضاء. إذا قمت بإبطاء المنظمين 10 مرات ، يمكنك الحصول على الصورة التالية:


التين. 13. تذبذب تذبذب العملية العابرة للقفزة في المهمة (1A) للمنظمين الحاليين مع 10 Kp و Ki بأقل من تقديره فيما يتعلق بالإعداد الفني الأمثل. في خلية واحدة على طول المحور الزمني 4.2 مللي ثانية.

أصبحت الهيئات التنظيمية الحالية ناعمة وهادئة ، مثل الصوف القطني ، وهم غير مهتمين على الإطلاق بالرد على بعض الضوضاء في القناة التناظرية - تمامًا كما في مهمتهم الخاصة ...

بعد ذلك ، يعرض الفيديو أصواتًا مختلفة من جهاز التحكم في الموضع. هناك العديد من التجارب هناك ، سأظهر الحالة الأخيرة - التذبذبات الذاتية مع وحدة تحكم في موضع Kp عالية بشكل مفرط. نظرًا لأن مستشعر الموضع تزايدي ، مع وجود كبير ، فإن التغيير في الموضع بعلامة واحدة فقط يجعل وحدة التحكم "المجنونة" متوترة للغاية ، مما يؤدي إلى إلقاء المهمة في حلقة السرعة ، وبالتالي إلى التيار. شيء من هذا القبيل:


التين. 14. التذبذبات الذاتية لكفاف الموقف مع ارتفاع Kp. يشير اللون البنفسجي والأحمر إلى تيار الجزء الثابت الذي يشكل لحظة (المرجع والفعلي) ، والأزرق - الموضع من التشفير في العلامات (الزيادات) ، والأزرق - إخراج وحدة تحكم الموضع (مرجع إلى حلقة السرعة).

يمكن ملاحظة أنه عند تغيير الموضع بعلامة واحدة فقط ("علامة" واحدة من مستشعر الموضع) ، فإن نظام التحكم يرمي المرجع الحالي بمقدار 0.3A. هذه نقطة مهمة ، بالنظر إلى تصنيف المحرك 5A ، مما يؤدي إلى بداية الحركة ، وبالتالي ، إلى التقلبات. يُظهر الفيديو كيف تبدو التذبذبات الذاتية "المخيفة" ، على الرغم من أن الموضع يقفز علامة واحدة غير مؤذية ذهابًا وإيابًا.

في هذا الصدد ، يطرح سؤال فلسفي: ما هي الاهتزازات والضوضاء الرهيبة ، وأي منها لا يستحق الانتباه؟ كل هذا يتوقف على الكائن - حيث يتم استخدام أجهزة. إذا كانت هذه آلة ثلاثية الإحداثيات مزودة بعلبة تروس وردود فعل عكسية أو ذراع مناور للحام أو محرك سيرفو عالي السرعة لبعض معدات التوجيه ، فإن "الرنين" ليس رهيبًا هناك. في مثل هذه التطبيقات ، فإن الضوضاء الصوتية فقط هي التي يمكن أن تسبب عدم الرضا ، ولكن بالكاد يؤثر أي شيء يظهر في الفيديو على العملية الفنية. ولكن إذا كان محركًا مباشرًا لوضع أي ركائز هناك في مصنع السليكون أو إذا كان محركًا مباشرًا للمجهر ، فلن يكون هناك ضجيج من الكلمة على الإطلاق. ليس فقط صرير حلقة الموضع من المشفر ، ولكن حتى هذا الضجيج المسموع بالكاد من الحلقة الحالية يمكن أن يكون مشكلة بالفعل.لأن كل هذا ينتقل إلى الهيئة العاملة وسيؤدي إلى انتهاك تقنية العملية.

نعم ، يجب أن أقول أن جميع الأصوات التي تظهر في الفيديو ليست مجرد أصوات. إذا أمسك العمود ، فسيشعرون جميعًا ، وجيد جدًا. الأصابع البشرية حساسة للغاية - أفضل بكثير من العديد من أجهزة الاستشعار. حتى ضجيج "تدفق المياه" من المنظمين الحاليين محسوس. تماما مثل من ماسورة مياه. لذلك ، بالنسبة للمهام المؤازرة التي تتفاعل مع البشر ، فإن الضوضاء والاهتزازات غير مرغوب فيها أيضًا. تخيل محاكاة طائرة مع قمرة قيادة مائلة ، حيث تحطم محركات الأقراص تحتها وتتأوه.

كيف تتعامل مع الضوضاء؟ حسنًا ، مع تحديد الموقع بشكل أكثر أو أقل وضوحًا - تحتاج إلى وضع مستشعر أكثر دقة. التشفير من هذه التجارب مع 1000 علامة هو جهاز استشعار "الدجاج للضحك" في مجال أجهزة عالية الدقة. إذا وضعوا جهاز تشفير ، فعندئذ حوالي مائة ألف علامة. وكثيرًا ما يضعون مستشعر موضع تناظري ، والذي يعطي إشارة جيبية / جيب التمام. باستخدام ADC جيد و overampling (قياس في كثير من الأحيان أكثر من اللازم ، ثم متوسط ​​النتيجة) ، يمكنك الحصول على ترتيب بحجم أكبر من الدقة من التشفير.

ماذا تفعل مع ضوضاء ADC في الحلقة الحالية؟ أولاً ، ابحث عن مصدر الضوضاء. في محرك الأقراص هذا ، تم العثور على مصدر ضوضاء - هذا هو DC / DC ، مما يجعل الجهاز 5V من مصدر طاقة الإدخال ومثبتًا على لوحة العاكس. لم يكن توصيل اللوحة ناجحًا تمامًا ، وممر DC / DC "fonit" لجميع مسارات اللوحة يمر. إن ADC لوحدة التحكم الدقيقة نفسها أقل ضوضاء بكثير من الضوضاء الصادرة عن هذا DC / DC. ثانيًا ، يمكن استخدام نفس الإفراط إذا سمح أداء ADC بذلك. ثالثًا ، تحتاج إلى اختيار نطاق القياس الصحيح. لقد عملت مع محرك 5A من محول 60A. وفقًا لذلك ، فإن النطاق الكامل لـ ADC لقياس التيار قريب أيضًا من 60A. إذا كان النطاق 20A ، فسيكون الضجيج نفسه على القناة التناظرية بعد التحويل إلى أمبيرات أقل ثلاث مرات.

لكن الضجيج من ADC ليس كل شيء. لم أظهر في الفيديو أحد الضوضاء الرئيسية غير المسموعة - الضوضاء من PWM. تم تعيين تردد PWM في هذه التجارب يساوي 20 كيلو هرتز - على حدود السمع. لكن هذا لا يعني أن هذه الاهتزازات لا تنتقل إلى عمود الدوار. من الضروري قياس تموج التيار في المحرك الناتج عن تردد PWM معين ، وإعادة حسابه في الوقت الحالي ، ومن ثم يمكن بالفعل تقييم ما إذا كان "سيمر" إلى العمود أم لا. يوضح الشكل 15 تيار التموج في الطور الحركي ، والذي يقاس بجهاز استشعار خارجي ومذبذب.


التين. 15. تموج التيار في مرحلة المحرك بتردد PWM 20 كيلو هرتز. حجم التموج 0.3A.

التموج الحالي عند 0.3A مهم للغاية. بدلاً من ذلك ، سيكون من المهم إذا كنا سنقوم بوضع ركائز السيليكون في مصنع Intel مع محرك الأقراص هذا. لحسن الحظ ، هذا لا يلمع خصيصًا لهذه الأنواع من المحركات ويمكنك نسيان المشكلة. ولكن ماذا لو كنت بحاجة إلى إجراء حملة أكثر جدية؟ بالنسبة للمبتدئين ، يمكنك زيادة تردد PWM. يمكن أن توفر ترانزستورات تأثير مجال الطاقة الحديثة تردد تبديل يصل إلى 500 كيلو هرتز. ومع ذلك ، هناك ... ثلاث مشاكل.

المشكلة الأولى هي أنه مع زيادة تردد PWM ، يزداد تأثير ما يسمى بـ "الوقت الميت" (يسميه البعض وقفة ميتة ، ولكن هذا خطأ - التدفق الحالي هناك). هذا هو الوقت الذي تم فيه إيقاف تشغيل الترانزستور السفلي للعاكس ، ولم يتم تشغيل الجزء العلوي بعد (والعكس صحيح). هذه المرة هي نفسها بالنسبة لنوع واحد من الترانزستور ، وكنسبة مئوية من فترة PWM ، تصبح أكثر وأكثر مع زيادة في تردد PWM. يؤدي الوقت الميت إلى تشويه جهد خرج العاكس ، مضيفًا عدم الخطية إلى المنظمين الحاليين للعاكس.

المشكلة الثانية هي أنه مع زيادة تردد PWM ، أصبح من الصعب إنشاء وحدة التحكم الدقيقة PWM هذه. يقوم الميكروكونترولر بعمل PWM باستخدام موقت الأجهزة الذي يدق لكل وحدة مع كل دورة ساعة للمتحكم الدقيق. من خلال تعيين المقارنة مع المؤقت ، يختار المبرمج في أي وقت لفتح المفتاح. ماذا سيحدث في مثل هذا النظام مع وحدة تحكم دقيقة عند 100 ميجا هرتز وتردد PWM من 500 كيلو هرتز؟ نقسم واحدًا إلى الآخر ، نحصل على 200 كوانت (منفصلة) لتحديد نقطة التحديد. 200 إعداد ضبط الجهد ل PWM غير مناسب "من الكلمة على الإطلاق". يحتاج المؤازر إلى حجمين على الأقل. لهذا ، يقوم بعض مصنعي وحدة التحكم الدقيقة بدمج ما يسمى PWM عالي الدقة في منتجاتهم - حيث يسمحون بحساب وقت الافتتاح الرئيسي بدقة زمنية عدة مرات أفضل من دورة ساعة واحدة من وحدة التحكم الدقيقة.هناك مثل هذا الاحتمال في وحدة التحكم الدقيقة هذه ، ومع ذلك ، فإن المشكلة الثالثة تمنع تضمين PWM عالي الدقة.

المشكلة الثالثة هي أجهزة الاستشعار الحالية. في العاكس المستخدم ، هم من نوع التحويلة وهم في سلسلة مع المفاتيح السفلية للعاكس. وهذا يعني أنه من الممكن قياس التيار في المرحلة فقط في تلك اللحظة من الوقت عندما يكون المفتاح السفلي مفتوحًا. وهذا يعني أنه يجب مزامنة بدء تشغيل ADC مع تشغيل PWM ويجب إجراء القياس بالضبط في اللحظة التي يتم فيها فتح المفتاح السفلي. تكمن المشكلة في أن العابرين في الدوائر التناظرية ليس لديهم وقت حتى النهاية ، إذا كان تردد PWM مرتفعًا جدًا - يبدأ قياس التيار بخطأ. بشكل عام ، كل شيء معقد ...

هناك طريقة مختلفة بشكل أساسي - بعض الشركات المصنعة لمحركات المؤازرة ترفض بشكل عام PWM وتقوم بعمل حلقة حالية للأجهزة إما على FPGA أو على مضخمات تشغيلية تعمل في الوضع الخطي وتبدد كل الطاقة الزائدة التي تم تصميم PWM لتوفيرها. لكن هذه قصة مختلفة للغاية.

الاستنتاجات


متطلبات الماكينات مختلفة تمامًا - يحتاج شخص ما إلى وضع تحكم مفصل خطوة بخطوة لآلة CNC بسيطة بطيئة (سعر الإصدار هو سائق + محرك بضعة آلاف روبل) ، يحتاج شخص ما إلى مثل هذه الجودة في الحفاظ على الوضع الذي حتى ضجيج الدائرة الحالية يصبح مشكلة. تتحدث هذه المقالة "في الأعلى" عن بعض جوانب عمل نظام التنظيم الثانوي وجودة عمل حلقة الموقف من أجل تعريف القارئ على شيء آخر غير "رجال الخطوة" المعروفين. جودة محرك سيرفو الموضح في هذه التجارب هي ، في الواقع ، متواضعة للغاية ، ويرجع ذلك أساسًا إلى الدقة المنخفضة لمستشعر موضع الدوار. عند استخدام مستشعر بدقة جيدة ، تزداد جودة التنظيم بشكل ملحوظ.

الإعلان


تم تنفيذ هذه التجارب على مجموعة تصحيح أخطاء VectorCARD K1921BK01T من NPF Vektor LLC ، والتي بنيت على أساس متحكم متحكم محلي K1921BK01T من NIIET OJSC (ARM Cortex-M4F، 100 MHz) . تتضمن مجموعة التصحيح جميع المعدات الموضحة في مقالة الفيديو ، بما في ذلك برنامج وحدة التحكم الدقيقة في أكواد المصدر مع هذا النظام ثلاثي الحلقات من التنظيم الثانوي ، بالإضافة إلى برنامج لرصد تذبذب أي متغيرات لنظام التحكم.

روابط ذات صلة بمقالاتي الأخرى


التحكم في المتجه للمحرك الكهربائي "على الأصابع"
طرق تصحيح برمجيات وحدات التحكم الدقيقة في محرك كهربائي
جديد متحكم متحكم محلي في المحرك K1921VK01T من OJSC "NIIET"

فيديو إضافي
:

Source: https://habr.com/ru/post/ar392837/

More articles:


All Articles