שיטות בקרה מתקדמות במערכות מכאניות מבוססות שרשרת הינע

המטרה של מערכות מכאניות שנועדו לבקרת הינע היא לנוע בצורה מדויקת או למקם במדויק את עומס. במערכת אידאלית, העומס מוצמד בצורה קשיחה למנוע סיבובי או לינארי  ועל ידי כך מונע באופן ישיר. ישנן מערכות רבות בהן צורת ההנעה הזו אינה אפשרית ונדרשת שרשרת צימודים (drivetrain) בכדי להניע את העומס. כמה צימודים שכאלו כוללים:

  • ברגי הנעה וברגים כדוריים
  • רצועה עם גלגלת
  • שרשרת עם גלגל שיניים
  • שרשרת גירים
  • הידראוליקה

כל אחד ממכלולי ההנעה הללו מכניס שגיאות לתוך המערכת, שמשפיעות באופן ישיר על דיוק המיקום והחזרתיות של העומס. השגיאות הללו יכולות להגיע ממגוון סיבות כגון: בעיית חוסר תאימות, חופשים בהרכבה, חיכוך בין חלקים, אי-התאמות בהרכבה, שחיקה, החלקות ועוד. רוב השגיאות הן תוצאה של טולרנסים ותאימות ושניהם בלתי נמנעים במערכות בעולם האמיתי. חלק משגיאות המיקום ניתן להניח שהן קבועות עם הזמן לדוגמא חופש מכאני. אחרים יכולים להשתנות כתלות במיקום, זמן, שונות, שחיקה ותאימות. במקרה של הידראוליקה, המיקום של העומס כפוף לגורמים דינאמיים כמו למשל שינויים בלחץ, טמפרטורה, היסטרזיס ואחרים.

למערכות בחוג סגור, התצורה השכיחה ביותר לצורך מדידת המשוב של המיקום היא על המנוע המניע. מערכות שבנויות ממרכיבים שיש להם טולרנסים הדוקים, בעלי מבנה קשיח ומורכבים ממרכיבים בעלי שחיקה נמוכה, יכולות להשיג רמות דיוק וחזרתיות גבוהות עם רכיב משוב הממוקם על המנוע המניע. עם זאת יש לקחת בחשבון שמערכת כזו מצריכה רכיבים שעלותם יקרה יותר, דבר המשפיע במישרין על העלות הכוללת של המערכת.

המחיר ההולך ועולה של רכיבי דיוק המיקום לא תמיד אפשרי או בהכרח מצדיק ולכן יש לבחור ברכיבים אפקטיביים יותר מבחינת עלויות. בשיקולי עלות/תועלת יש לקחת בחשבון שמערכות זולות יותר יכניסו יותר חופשים למערכת בשל ריבוי דרגות חופש והטולרנסים של כל דרגה כזו. אם החופשים המצטברים של המערכת הינם כאלה שלא יאפשרו לקיים את דרישות המערכת אזי נדרשת תצורה אחרת למדידת המשוב וזאת על מנת להגדיל את דיוק המיקום של העומס, חזרתיות, תפוקה ואת כולם יחד. בלי
משוב על העומס, ניתן לעשות מעט כדי לפצות על השגיאות המיקום שהתקבלו משום שאין דרך למדוד את המיקום האמתי של העומס.

אפשרות נוספת היא להוסיף רכיב משוב למערכת שימוקם ישירות על העומס. רזולוציית המיקום של העומס הינה תוצר ישיר רזולוציית רכיב המשוב. עם זאת, תצורה זו נוטה להיות לא יציבה משום שאי לינאריות ותדרי תהודה הם כעת חלק מחוג הבקרה.

הפתרון לשימור היציבות של המערכת בזמן שמפצים על כל השגיאות שמגיעות משרשרת ההגברים (drivetrain) היא להשתמש בקונפיגורציה של שני רכיבי משוב או סגירת שני חוגים. פתרון זה משלב את היציבות שטבועה עם משוב שמחובר ישירות למנוע המניע עם תוספת מידע מרכיב המשוב הממוקם ישירות על העומס. שילוב זה מאפשר למקם את העומס בצורה מדויקת על אף המגבלות המכאניות של המערכת.

יש שתי דרישות בסיסיות מצד המערכת כדי להשתמש בלולאה כפולה. הראשונה היא שרכיב משוב העומס יהיה בעל רזולוציה כפולה לפחות מדרישות המיקום של המערכת. זהו כלל אצבע כללי, בעת שניגשים לבחירת סוג המשוב המתאים למערכת. הדרישה השנייה היא שרזולוציית רכיב המשוב הממוקם על המנוע המניע, יהיה כפול מרזולוציית רכיב המשוב שמוקם על העומס. בעת ביצוע החישובים של הרזולוציה הנדרשת על גבי המנוע המניע יש להתחשב בכל ההפחתות של כל מרכיבי המערכת בין המנוע לעומס. כל זאת נדרש משום שתנועה של קריאת אנקודר בודדת על מנוע חייבת להסתכם ביותר מתנועת אנקודר בודדה של העומס.

חוג לולאה כפולה סטנדרטית
את הרכיבים (מרכיבים) עיקריים של חוג בקרה בעל שני רכיבי משוב ניתן לראות באיור מספר 1 בו למעשה ה- PID נחלק לשני חלקים- חוג פנימי וחוג חיצוני. החוג הפנימי מורכב מרכיב הנגזרת (D) אשר מקבל אליו את משוב המהירות מהמשוב של המנוע ומוסיף ריסון לחוג הבקרה. המרכיב הזה אחראי על הוספת היציבות למערכת. מרכיב קידום המהירות (FV) משמש כאן על מנת לפצות על פיגור הפאזה בין החוגים הפנימי והחיצוני.

איור 1- דיאגרמת בלוקים של חוג בקרה מסוג חוג כפול סטנדרטי

החוג החיצוני מכיל מרכיב הגבר פרופורציונאלי (P) ומרכיב הגבר אינטגרלי (I) שלמעשה סוגרים את חוג המיקום על משוב העומס. צורה זו גם נקראת PI filter. המרכיב P  הינו אחראי על התגובתיות של המערכת בעוד רכיב ה- I  אחראי על סגירת השגיאה במצב המתמיד, כלומר כאשר העומס הגיע למיקום הרצוי. המחיר שאנחנו משלמים עבור בקרת חוג סגור מסוג חוג סגור היא שהליך כיול המערכת הינו מורכב יותר מאשר כיול חוג בקרה סטנדרטי ולמעשה יש להיעזר במתודולוגיית כיול שונה עבור חוג בקרה מסוג זה.

חוג לולאה כפולה מתקדמת

חוג כפול סטנדרטי אשר כויל כהלכה מסוגל לפצות על ליקויים מכאניים או שונות של מערכת ומצליח למקם במדויק את העומס במקום הנדרש אבל לא תמיד יכול לאפשר את הדרישות הדינאמיות של המערכת. למערכות בהן נדרש רוחב פס גבוה נדרש חוג בקרה מתקדם יותר. השינוי העיקרי בחוג הכפול המתקדם הוא מרכיב P נוסף שמתווסף לחוג הפנימי. יש לזה את היתרון של הוספת תגובתיות וקשיחות לחוג הפנימי. משינויים אלו מגיעה עלייה בתגובתיות המערכת.

השקלול עבור רוחב פס מוגבר הוא הוספת סיבוכיות לחוג הבקרה. חוג בקרה מתקדם זה ניתן לתאור בקלות ככזה שמכיל שני חוגי בקרה נפרדים וברורים עבור כל רכיב משוב במערכת. הקושי נמצא בביצוע אופטימיזציה בין שני החוגים כך שיעבדו יחד כדי לעמוד בדרישות הביצועים של המערכת.

איור 2 – דיאגרמת בלוקים של חוג בקרה מסוג חוג כפול מתקדם

חקר מקרה של חוג כפול

לצורך הדוגמא, מערכת נבנתה באמצעות שרשרת הינע לא אידאלית. המערכת מורכבת ממנוע סיבובי נטול מברשות (BM) ואליו מחובר רכיב משוב מסוג אנקודר. המנוע מחובר באמצעות מקשר גמיש (קופלונג), פולי ורצועה לבורג כדורי וכל זאת על מנת להשיג תנועה לינארית. הגררה מחוברת לשתי מסילות לינאריות והעומס מצומד לגררה באמצעות מקשר פלסטי.


איור 3- סכמה של המערכת לדוגמא המורכבת משרשרת הינע לא אידאלית

לצורך העניין נשווה בין 3 קונפוגורציות בקרה:

  • רכיב משוב מסוג אנקודר ע”ג המנוע בלבד
  • חוג כפול סטנדרטי
  • חוג כפול מתקדם

עבור כל קונפיגורציה, המנוע יכויל בהינתן פרופיל תנועה עם הפרמטרים הבאים:

  • מהלך התנועה אינטש אחד.
  • תאוצה 7 inch / S2
  • תאוטה 7 inch/S2
  • מהירות 0 inch/s

והכיול ישאף לקיים את הדרישות הבאות:

  • שגיאה לאורך התנועה לא תעלה על ± 2 אלפיות האינטש
  • בסוף התנועה, התייצבות עם שגיאה שלא תעלה על ± אלפית אינטש בזמן התייצבות נמוך ככל האפשר

במערכת שלפנינו יש מגוון פגמים מכאניים שתורמים לשגיאות במיקום העומס. הרצועה נתונה לחופשים ומתיחות שיכולה לגרום למערכת להיכנס לתהודה. הבורג הכדורי מכניס חופשים וסטיות פסיעה. ולבסוף שגיאות מיקום העומס יכולות להיגרם ע”י גמישות הפלסטיק המקשר בין הגררה לעומס או כתוצאה מחוסר ישרות של הרכיבים המרכיבים את שרשרת ההינע.

תחילה חישבנו את הרזולוציה התיאורטית הנדרשת של העומס.

נוסחת חישוב רזולוציה תיאורטית של העומס
בהינתן הערך המחושב אל מול הערך הרצוי מבחינת דרישות המערכת, נלקח עבור משוב על העומס רכיב משוב שהרזולוציה שלו היא  6,350 counts/inch. ועבור אנקודר שהרזולוציה שלו היא 25,400 counts/inch לטובת האפיון של המערכת (על המנוע). כדי לראות שאכן המערכת עומדת בדרישות שצוינו לעיל, נדרש להגדיר את שגיאת המיקום. החופשים של הרצועה נמדדו ונמצא כי מדובר ב- 5 קריאות אנקודר שהן נמצאות בתוך דרישות המערכת לדיוק המיקום. המידע שנאסף נדגם לאורך מהלך מלא של המערכת בשני הכיוונים. דגימה נעשתה ללא עומס ובקצב דגימה של 125 קריאות אנקודר לשנייה. התוצאות שהתקבלו עבור כל קונפיגורציה מוצגות באיורים הבא:

  • קונפיגורציית רכיב משוב מסוג אנקודר ע”ג המנוע בלבד

איור 4 – פרופיל תנועה ושגיאות מיקום במערכת עם אנקודר אחד בלבד

באיור מעלה ניתן לראות את ההפרש בין שגיאת המיקום על גבי המנוע לעומת שגיאת המיקום על גבי העומס. הדלתא נגרמת כתוצאה מסכימת החופשים בשרשרת ההינע ולא נין לבטלה ללא שימוש במשוב נוסף הממוקם על גבי עומס ישירות.

  • קונפיגורציית חוג כפול סטנדרטי

איור 5 – פרופיל תנועה ושגיאות מיקום במערכת עם חוג משוב כפול סטנדרטי

השימוש בחוג משוב כפול סטנדרטי מראה ביצועים טובים יותר לעומת חוג בעל אנקודר בודד על המנוע אבל עדיין השגיאות לאורך התנועה הינן חורגות מהתחום המותר שהוגדר. לכן שיפור נוסף נדרש.

קונפיגורציית חוג כפול מתקדם

איור 6 – פרופיל תנועה ושגיאות מיקום במערכת עם חוג משוב כפול מתקדם

השימוש בחוג משוב כפול מתקדם מראה את הביצועים הטובים ביותר. לאורך התנועה אנחנו לא חורגים מהדרישות שהוגדרו קרי ± 2 אלפיות האינטש ובסוף התנועה המערכת מתכנסת לדיוק של ± אלפית האינטש.

לסיכום

השימוש בשרשרת הינע יכול להוביל לשגיאות במיקום העומס ולפעמים גם יכול להכניס את המערכת כולה לחוסר יציבות ובמצבי קיצון אפילו  לתהודה. מערכות המורכבות משרשרת הינע שלא מצליחות לעמוד בדרישות הדיוקים הנדרשים מהמערכת, יכולות ליהנות מהוספת רכיב משוב נוסף על העומס וסגירת חוג מיקום באמצעות חוג משוב כפול סטנדרטי. זהו מאפיין סטנדרטי בכל בקרי ההינע של חברת גליל הזמין עבור רכיבי אנקודר מסוגים שונים כגון אינקרמנטלי, SSI ו- BiSS. מערכות הדורשות הגדלת רוחב הפס אף מעבר לחוג הכפול הסטנדרטי ייהנו מחוג כפול מתקדם. החוג הכפול המתקדם ממומש באמצעות גרסה קושחה ייעודית.

ידיעה זו פורסמה ע”י חברת  Galil Motion Controlותורגמה לגיליון זה ע”י מוני ברק, מנהל טכנולוגיות ויישומים בחברת מדיטל קומוטק, המובילה במתן פתרונות טכנולוגיים ובהספקת מערכות ורכיבי איכות לתעשיות ההיי-טק בישראל, והינה נציגת חברת Galil Motion Control בישראל.

Galil Motion Control, USA

תגובות סגורות