Servomoottorien automaattivirityksen toimintaperiaate kaupallisissa servomoottoriohjaimissa

Abstract

Servomoottorien ohjaukseen käytettävät servomoottoriohjaimet vastaavat siitä, että moottori liikuttaa kuorman oikeaan paikkaan oikealla vauhdilla, käyttötarkoituksensa mukaisesti. Jotta systeemi voi toimia vaadittujen tavoitteiden mukaan, sille täytyy toteuttaa viritysprosessi, jossa määritetään servomoottoriohjaimen säätimien parametrit. Parametrit tulee määrittää siten, että tavoitedynamiikka saavutetaan. Koska ohjainlaitteen viritettäviä säätöparametrejä on usein kymmeniä, on viritysprosessi vaativa ja aikaa vievä. Ratkaisuna tähän on kehitetty automaattivirittimiä, kuten Simulinkin closed-loop PID-autotuner, jotka kykenevät toteuttamaan viritysprosessin itsenäisesti.

Aluksi työssä perehdytään servomoottoriohjaimen rakenteeseen yleisellä tasolla. Tehdään katsaus ohjaimen silmukkarakenteeseen ja sen ominaisuuksiin. Seuraavaksi tarkennetaan PID-säätimen haarojen rakennetta ja toimintaa. Luvussa kolme käydään läpi erilaisten automaattiviritysmenetelmien historiaa ja kehitystä. Lisäksi luvussa käsitellään ohjattavan servosysteemin mallintamista ja sen avulla taustoitetaan keskeisimpiä virityssääntöjä.

Kaupallisten tuotteiden osiossa esitellään viisi yleisessä käytössä olevaa servomoottoriohjainta, joissa on mahdollista suorittaa automaattiviritys. Ohjainten automaattiviritysprosessien rakennetta ja toimintaa tutkitaan. Luvussa pyritään määrittämään, onko viritys toteutettu aikatason vai taajuustason menetelmiä käyttäen.

Lopuksi työssä tehdään simulointi MathWorksin Simulink-ohjelmalla. Simulink-ohjelmaan toteutettua PID closed-loop autotuning-työkalua hyödynnetään yleisen PID-säätimen virityksessä. Ohjailtavana laitteena on kaksi eri kokoluokan DC-moottoria A ja B. Systeemien ohjaukseksi valitaan moottoriin syötettävä jännite, ulostuloksi valitaan moottorin pyörittävän akselin kulmanopeus. Systeemin herätteenä käytetään yksikköaskelfunktiota. Simulointituloksista selviää, että automaattiviritys tuottaa kahden simulointikierroksen aikana molemmille systeemeille toisiaan muistuttavat vasteet. Ensimmäisen simulointikierroksen aikana automaattivirittimen tuottamat säätöparametrit aiheuttavat värähtelyä tavoitearvon molemmin puolin kummankin moottorin vasteessa. Toisen kierroksen jälkeen molemmat vasteet ylittävät asetusarvon vain kerran.