פרופילי בקרה בחוגי סרוו

מהנדסי בקרה רבים משקיעים שעות רבות בנסיון למצוא את הערכים האופטימליים עבור חוג הסרוו שלהם, ולעיתים, לא משנה כמה מאמץ הם השקיעו, הם לא יצליחו להגיע לביצועים שהם קיוו.

עבור מערכות ומנועים שונים ורבים, הדרך הנכונה תהיה להתמקד בפרופיל התנועה. במאמר הבא נדון באיזה פרופיל תנועה כדאי להשתמש עבור איזו אפליקציה וננסה למצוא דרכים איך למקסם את הביצועים בזמן כיול המערכת.

 S Curve אל מול פרופיל תנועה טרפזואידלי

ישנם סוגים שונים של פרופילי תנועה אשר בשימוש כיום, אך דרך טובה ובטוחה להתחיל איתה תהיה שיטת ה Point to Point. אפליקציות רבות מתחומים שונים כדוגמת אפליקציות רפואיות, מכשור מדעי וסוגים רבים של אפליקציות מעולם האוטומציה משתמשות בשיטה זו בתדירות גבוהה יותר מאשר בכל שיטת אחרת.

הכוונה בשיטת Point to point היא שמרגע שמהערכת  בעצירה מלאה, העומס מואץ עד למהירות קבועה ולאחר זמן מה מתרחשת תאוטה כך שברגע שהעומס מגיע לנקודה הרצויה כל ערכי המהירות יהיו שווים לאפס.

שני פרופילי התנועה אשר בשימוש הרב ביותר בשיטת ה  Point to point הם S Curve  ופרופיל התנועה הטרפזואידלי.

A1 מייצג את פרופיל התנועה  S-Curve ו B1 מייצג את פרופיל התנועה הטרפזואידלי.

כפי שניתן להבחין בתמונה למעלה, S-Curve מחולק ל7 פאזות שונות כאשר פאזה 1 מתחילה תנועה של העומס ממנוחה בתאוצה לינארית עד אשר מגיעים לתאוצה מקסימלית, פאזה שנייה מכילה את השלב שבו העומס מואץ בתאוצה מקסימלית עד אשר הוא מגיע לשלב בו הוא התאוצה מתחילה לרדת עקב ההגעה למהירות המקסימלית של המערכת וזה כבר חלק מפאזה 3 אשר בה התאוצה מגיעה ל0. בפאזה מספר 4 המהירות תהיה קבועה עד אשר נגיע לפאזה מספר 5 שבה בעצם מתחילה התאוטה של המערכת ופאזות 5, 6 ו 7 מבצעות את אותן הפעולות כמו בפאזות 1,2,3 רק במונחי תאוטה במקום תאוצה.

בפרופיל התנועה הטרפזואידלי קיימות 3 פאזות בלבד. פאזה ראשונה מכילה את שלב התאוצה הקבועה (מקבילה לפאזה מספר 2 בפרופיל התנועה S-Curve), פאזה שנייה מכילה את שלב המהירות הקבועה (מקבילה לפאזה 4 בפרופיל הקודם), ופאזה שלישית ואחרונה מכילה את שלב התאוטה הקבועה (מקבילה לפאזה מספר 6).

ההבדל במספר הפאזות מדגיש את השוני בין שתי השיטות. בפרופיל S-Curve יש פאזות עבור המעברים בין התאוצות והתאוטות ואילו בפרופיל הטרפזואידלי המעברים הם מידיים. שינויי התאוצה הללו נקראים JERK  (ג'רק או בעברית תקנית - נתירה). המונח ג'רק הוא ההגדרה לנגזרת בזמן של התאוצה. בפרופיל טרפזואידלי ערך הג'רק יהיה אינסופי לעומת S-Curve  שבו יהיה ערך קבוע.

כלל אצבע חשוב בנוגע לג'רק יהיה שעבור עומס נתון, ככל שהג'רק יהיה גבוה יותר- ככה נקבל יותר רעידות ורעשים לא רצויים. רעידות ורעשים אלו עשויים להשפיע על הדיוק ולגרום לעלייה ב Settling Time של המערכת.

זמן מעבר- מתי נדע איך וכמה?

ברור לנו שמנקודת מבט של ביצועי פרופיל, פרופיל טרפזואידלי, אשר שם אנו נמצאים בתאוצה מקסימלית לצד תאוטה מקסימלית, ביצועו יהיה מהיר יותר. עם זאת, אם זה "עולה" לנו בזמן התייצבות המערכת (Settling Time), אז יתרון המהירות נעלם כלא היה. ברוב המקרים, תוספת קטנה של זמן מעבר קל מאוד בין תאוצות ותאוטות יורידו משמעותית את הרעשים הלא רצויים ויתרמו רבות ליציבות המערכת.

עבור אפליקציות רפואיות למשל, אשר כוללות מעברי נוזלים או דברים בסגנון נרצה לוותר על פאזות 2 ו 7 שבהן ערכי התאוצה והתאוטה מקסימליים וזאת כדי להימנע מערבוב בין הנוזלים השונים. אפליקציות אחרות אשר כוללות Pick & Place  במהירות גבוהה, בחירה טובה תהיה פרופיל S-Curve אשר יכלול את כל שלבי המעבר (פאזות 1,3,5,7) אשר יהיו 5-15 אחוז מהזמן שמוקדש  עבור פאזות 2 ו4. במקרה שכזה, אמנם הוספנו זמן לפרופיל התנועה שאמור להיות כמה שיותר מהיר, אך תוספת קטנה זו תאפשר לנו להתגבר על רעשים וחוסר יציבות שניתקל בהם אילו היינו מוותרים על זמני מעבר אלו.

Cam Table

דרך נוספת מעבר לPoint to Point  שהוצג עד כה, תהיה שיטה שנקראת electronic CAMs. שיטה זו מתאימה לאפליקציות שדורשות חזרתיות אשר מתוזמנות על ידי קריאת שעון, קריאות אנקודר או על ידי שיטות תזמון אחרות. בשיטה זו נשתמש בטבלאות מוכנות מראש, כאשר ניתן לבחור טבלאות שייצרו פרופילי תנועה דומים למה שנכתב בתחילת המאמר, אך רצוי יותר יהיה לבחור פרופילי תנועה מותאמים באופן מיוחד עבור האפליקציה הנבחנת. כל טבלה תכיל בתוכה ערכים רבים של מיקומים מתוזמנים.

דוגמא לפרופיל תנועה אשר מותאם באופן מיוחד ניתן לראות בתמונה הבאה.

סיכום

בחירת פרופיל התנועה הנכון יכול לשפר את חלקות התנועה, להפחית בלאי במערכת ולייעל ולשפר זמנים. פרופיל טרפזואידלי הוא יעיל אך מוגבל עקב זאת שלא מוגדרים זמני מעבר בין התאוצות והתאוטות. בעיה זו נפתרת בעזרת S-Curve אך שיטה זו מצריכה חישובים מתמטיים והכנות מראש אשר דורשות ידע והבנה שלא היו נדרשים בפרופיל הטרפזואידלי. שיטה נוספת תהיה בעזרת טבלאות אשר בונה פרופיל מותאם לאפליקציה ונמצאת בשימוש רחב במגוון אפליקציות ומערכות בתעשייה. חשוב לזכור, הכנה נכונה מראש של דרך העבודה תקצר זמנים ותביא לתוצאות הטובות ביותר עבור המערכת.

ידיעה זו פורסמה ע"י חברת Performance Motion Devices ותורגמה ע"י יונתן קליין מהנדס אפליקציות בחברת מדיטל קומוטק המובילה במתן פתרונות טכנולוגיים ובהספקת מערכות ורכיבי איכות לתעשיות ההיי-טק בישראל, שהינה נציגת חברת Performance Motion Devices בישראל.