В области современной промышленной автоматизации сервотехнологии играют решающую роль. Это не только основа точного управления движением, но и ключ к повышению производительности оборудования и оптимизации эффективности производства. С развитием индустрии 4.0 и интеллектуального производства спрос на сервосистемы с высокой производительностью и высокими динамическими возможностями становится все более актуальным.
Традиционным сервосистемам часто трудно сбалансировать высокую производительность и высокую динамику одновременно. Высокая производительность обычно означает точность, жесткость и стабильность системы в стационарном режиме работы, в то время как высокая динамика подчеркивает ее способность быстро реагировать на команды, ускоряться/замедляться и отслеживать сложные траектории движения. Однако во многих прикладных сценариях, таких как:
• Робототехника: Высокоскоростные и высокоточные роботы требуют быстрой реакции на управляющие команды и гибкого выполнения сложных движений, что предъявляет чрезвычайно высокие требования к динамике сервосистем.
• Прецизионная механическая обработка: Для высокоточных станков требуются сервосистемы с исключительной жесткостью и стабильностью, обеспечивающие качество обработки и позволяющие проводить быструю тонкую настройку для повышения эффективности.
• Производство полупроводников: Такое оборудование, как литографские станки и системы контроля пластин, предъявляет чрезвычайно жесткие требования к точности, скорости и динамике сервосистем.
• Производство электроники: Такие устройства, как SMT-машины для подбора и размещения деталей и высокоскоростные системы дозирования, должны выполнять множество повторяющихся действий в короткие сроки, что ставит перед сервосистемами сложные задачи с точки зрения скорости отклика и стабильности.
Таким образом, разработка сервотехнологий, отвечающих как высоким требованиям к производительности, так и высоким динамическим требованиям, стала неизбежной тенденцией в отрасли. Только преодолев это узкое место, мы сможем лучше удовлетворять растущие требования к приложениям и повысить общую производительность и конкурентоспособность оборудования.
Создание высокопроизводительных и высокодинамичных сервосистем - непростая задача, требующая преодоления множества технических проблем, в том числе:
Ограничений алгоритмов управления Традиционное ПИД-регулирование сталкивается со сложными системами и нелинейными факторами. Для повышения скорости отклика, защиты от помех и надежности необходимы усовершенствованные стратегии управления, такие как модельное прогнозирующее управление (MPC), адаптивное управление и нечеткое управление.
"Узкие места" производительности двигателей и приводов: Производительность двигателя, являющегося основным приводом, напрямую влияет на производительность системы. Необходимо использовать высокопроизводительные двигатели , такие как синхронные двигатели с постоянными магнитами (PMSM) или моментные двигатели с оптимизированной конструкцией для снижения инерции и увеличения плотности крутящего момента. Приводы должны иметь более высокую частоту переключения, точность по току и меньшую задержку, чтобы обеспечить точное и быстрое реагирование.
• Точность датчиков и ограничения скорости: Энкодеры, решетки и другие датчики имеют решающее значение для обратной связи по положению/скорости. Их точность и скорость напрямую влияют на точность управления и динамические характеристики. Необходимы датчики с более высоким разрешением и более быстрой выборкой данных с эффективной фильтрацией помех.
• Недостаточная механическая жесткость и демпфирование: Механические конструкции, включая трансмиссию и опорные механизмы, влияют на производительность системы. Низкая жесткость приводит к вибрации и резонансу, что снижает стабильность и точность, в то время как недостаточное демпфирование замедляет отклик и снижает динамические характеристики. Необходимы оптимизация конструкции, повышение жесткости и активное управление демпфированием (например, с помощью демпфирующих материалов).
Производительность и надежность в режиме реального времени: Сервосистемы должны выполнять сбор, обработку, управление и реализацию данных в чрезвычайно сжатые сроки, что требует сверхвысокой производительности в режиме реального времени. Кроме того, надежность имеет решающее значение в суровых промышленных условиях. Высокопроизводительные процессоры, операционные системы реального времени (ОСРВ), резервирование, диагностика неисправностей и отказоустойчивое управление являются жизненно важными решениями.
Для решения этих задач необходимо принять следующие ключевые стратегии, позволяющие использовать передовые сервотехнические технологии и возможности отрасли:
• Разработать передовые алгоритмы управления: Изучить и применить передовые алгоритмы, такие как MPC, адаптивное управление, нечеткое управление и управление с использованием нейронных сетей. Машинное обучение может дополнительно оптимизировать параметры для адаптивной настройки.
Выбирайте высокопроизводительные двигатели и приводы: Используйте PMSM илидинамометрические двигателис оптимизированной конструкцией для снижения инерции и увеличения плотности крутящего момента. Выбирайте приводы с более высокой частотой переключения, точностью по току и меньшей задержкой. Внедряйте передовые стратегии управления, такие как FOC и DTC.
Используйте высокоточные и быстродействующие датчики: Используйте энкодеры с высоким разрешением и быстрой выборкой данных / линейки-решетки с фильтрацией помех. Объединение нескольких датчиков позволяет повысить точность и надежность измерений.
• Оптимизация механической конструкции: Повышение жесткости и демпфирования с помощью конечно-элементного анализа (МКЭ), структурной оптимизации и методов активного демпфирования.
• Повышение производительности и надежности в режиме реального времени: Использование высокопроизводительных процессоров, ОСРВ, резервирования и отказоустойчивых конструкций. Протоколы связи в реальном времени (например,, EtherCAT, PROFINET) обеспечивают синхронизацию.
• Уделяйте приоритетное внимание моделированию и тестированию: Используйте моделирование программного обеспечения и тестирование аппаратного обеспечения в режиме реального времени (HIL) для всесторонней оценки производительности и оптимизации.
Укрепляйте сотрудничество между промышленностью и научными кругами: Сотрудничайте с университетами и исследовательскими институтами для ускорения инноваций и развития талантов.
На конкурентном рынке только непрерывные инновации могут обеспечить лидерство в отрасли. Основные рекомендации включают в себя::
Увеличьте инвестиции в исследования и разработки: Выделять ресурсы на разработку запатентованных сервотехнологий и продуктов.
Ориентироваться на потребности рынка Понимать проблемы пользователей и соответствующим образом адаптировать решения.
Повышать ценность бренда: Повышать узнаваемость бренда и его репутацию, чтобы обеспечить устойчивое присутствие на рынке.
Расширять области применения: Изучать новые отрасли и перспективные области применения сервотехнологий.
Развивайте экосистему: Сотрудничайте с партнерами для продвижения сервотехнологий.
Внедрение сервотехнологий, отвечающих требованиям сверхвысокой производительности и динамичности, имеет решающее значение для современной промышленной автоматизации. Внедряя инновации и преодолевая трудности, предприятия могут лидировать в отрасли и определять будущее.
