Làm thế nào để bộ truyền động điện tuyến tính đạt được chuyển động tuyến tính chính xác thông qua điều khiển servo vị trí?

Là một thiết bị lái chính trong lĩnh vực tự động hóa công nghiệp, chức năng cốt lõi của bộ truyền động điện tuyến tính là chuyển đổi tín hiệu điện thành chuyển động tuyến tính có độ chính xác cao. Chúng được sử dụng rộng rãi trong điều khiển van, định vị cánh tay robot, điều hòa chất lỏng và các kịch bản khác. Quy trình làm việc của nó dựa trên nguyên tắc điều khiển servo vị trí. Thông qua sự hợp tác vòng kín của xử lý tín hiệu, tính toán độ lệch động, ổ đĩa động cơ và phản hồi vị trí, nó nhận ra sự kiểm soát chính xác của quỹ đạo chuyển động của bộ truyền động. Hệ thống kỹ thuật này không chỉ tích hợp điều khiển động cơ, truyền cơ học và công nghệ cảm biến điện tử, mà còn phản ánh các yêu cầu toàn diện của ngành công nghiệp hiện đại để đáp ứng động, định vị chính xác và ổn định hệ thống.

Quy trình công việc của bộ truyền động điện tuyến tính bắt đầu với tín hiệu tương tự được gửi bởi hệ thống điều khiển. Thông thường tín hiệu dòng điện 4-20mA được sử dụng làm hướng dẫn điều khiển. Phạm vi tín hiệu điện được tiêu chuẩn hóa này không chỉ đảm bảo khả năng chống can thiệp của truyền tín hiệu, mà còn cung cấp đủ không gian điều chỉnh động cho hệ thống. Khi hệ thống điều khiển xuất ra một giá trị hiện tại nhất định, bộ truyền động cần chuyển đổi nó thành một dịch chuyển tuyến tính cụ thể. Quá trình này phụ thuộc vào vai trò cốt lõi của định vị vị trí. Lấy bảng điều khiển PM-2 làm ví dụ, mạch chuyển đổi chuyển đổi tương tự sang số cao tích hợp bên trong của nó có thể chuyển đổi tín hiệu hiện tại thành một đại lượng kỹ thuật số, đồng thời nhận tín hiệu phản hồi thời gian thực từ cảm biến vị trí. Giá trị độ lệch được hình thành bằng cách so sánh giữa hai cái trở thành tham số đầu vào của thuật toán điều khiển tiếp theo.

Cốt lõi của tính toán độ lệch nằm trong việc giới thiệu thuật toán PID. Thuật toán điều chỉnh động cường độ đầu ra của dòng ổ đĩa thông qua sự kết hợp tuyến tính của tỷ lệ (P), tích hợp (I) và phân biệt (D). Thuật ngữ tỷ lệ trực tiếp đáp ứng với độ lệch hiện tại, thuật ngữ tích phân giúp loại bỏ lỗi tích lũy dài hạn và thuật ngữ vi sai dự đoán xu hướng thay đổi độ lệch. Cả ba làm việc cùng nhau để làm chậm bộ truyền động khi tiếp cận vị trí mục tiêu để tránh dao động vượt quá. Ví dụ: khi hệ thống điều khiển yêu cầu bộ truyền động di chuyển từ vị trí ban đầu sang 10 mm, bộ định vị vị trí sẽ tiếp tục so sánh độ lệch giữa vị trí thực tế và giá trị mục tiêu và tự động điều chỉnh dòng động cơ qua thuật toán PID cho đến khi độ lệch tiếp cận 0. Quá trình này không chỉ đòi hỏi hiệu quả của thuật toán, mà còn cả khả năng phản hồi thời gian thực của hệ thống phần cứng.

Là nguồn năng lượng của bộ truyền động, hiệu suất của động cơ trực tiếp xác định các đặc tính động của hệ thống. Động cơ DC không chổi than đã trở thành lựa chọn chính cho các bộ truyền động điện tuyến tính do mô -men xoắn khởi động cao và đặc tính dao động tốc độ thấp. Được điều khiển bởi dòng điện, động cơ đầu ra chuyển động quay, nhưng các kịch bản công nghiệp thường yêu cầu dịch chuyển tuyến tính, do đó cần phải đạt được chuyển đổi dạng năng lượng thông qua cơ chế truyền giảm và vít. Bộ giảm tốc làm giảm tốc độ và tăng mô -men xoắn thông qua chia lưới bánh răng, trong khi vít chuyển đổi chuyển động quay thành chuyển động tuyến tính. Ví dụ, vít bóng có thể đạt được độ chính xác định vị cấp độ micron do ma sát thấp và hiệu quả cao; Mặc dù vít hình thang sử dụng chức năng tự khóa để giữ cho vị trí bộ truyền động không thay đổi khi tắt nguồn, phù hợp cho các kịch bản yêu cầu lực giữ tĩnh.

Thiết kế của cơ chế truyền tải phải tính đến cả độ chính xác và độ tin cậy. Độ chính xác chính, phương pháp điều chỉnh tải trước và bôi trơn của vít bóng sẽ ảnh hưởng đến độ lặp lại và tuổi thọ dịch vụ của hệ thống. Một số bộ truyền động cao cấp sử dụng cấu trúc hạt đôi được đặt trước để loại bỏ độ thanh thải trục thông qua các yếu tố đàn hồi, cải thiện hơn nữa độ cứng truyền. Ngoài ra, mức độ bảo vệ của chuỗi truyền tải không thể bị bỏ qua, đặc biệt là trong môi trường bụi và ẩm, trong đó thiết kế niêm phong và phủ chống ăn mòn có thể kéo dài tuổi thọ của thiết bị một cách hiệu quả.

Cảm biến vị trí là "mắt" của hệ thống vòng kín và độ chính xác và ổn định của nó xác định hiệu suất cuối cùng của bộ truyền động. Các chiết áp nhựa dẫn điện phản ánh thông tin vị trí thông qua các thay đổi về giá trị điện trở và có lợi thế của cấu trúc đơn giản và chi phí thấp, nhưng sau khi sử dụng lâu dài, độ chính xác có thể giảm do hao mòn. Bộ mã hóa kỹ thuật số không tiếp xúc nhận ra phát hiện vị trí thông qua các nguyên tắc quang điện hoặc điện từ, và có các đặc điểm của độ phân giải cao và tuổi thọ dài, đặc biệt phù hợp với các kịch bản chuyển động có tần số cao và tần số cao. Ví dụ, bộ mã hóa gia tăng xác định chuyển vị tương đối bằng cách đếm xung, trong khi bộ mã hóa tuyệt đối có thể trực tiếp xuất mã vị trí duy nhất để tránh vấn đề mất vị trí sau khi bị hỏng điện.

Việc xử lý các tín hiệu phản hồi cần được phối hợp chặt chẽ với thuật toán kiểm soát. Sau khi nhận được tín hiệu cảm biến, trình định vị vị trí cần lọc và tuyến tính hóa nó để loại bỏ nhiễu nhiễu và các lỗi phi tuyến. Ví dụ, thuật toán bộ lọc Kalman có thể triệt tiêu hiệu quả các tín hiệu rung tần số cao và cải thiện tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm của phát hiện vị trí. Đồng thời, tần số lấy mẫu của tín hiệu phản hồi cần phải khớp với chu kỳ điều khiển để đảm bảo rằng hệ thống có thể phản ứng với các nhiễu bên ngoài một cách kịp thời.

Các đặc điểm vòng kín của Bộ truyền động điện tuyến tính Cung cấp cho họ khả năng chống can thiệp mạnh mẽ. Khi tải trọng bên ngoài thay đổi đột ngột hoặc điện áp nguồn điện dao động, độ lệch vị trí sẽ kích hoạt sự điều chỉnh động của thuật toán PID. Ví dụ, trong kịch bản điều khiển van, áp suất đường ống tăng đột ngột có thể làm cho mô -men xoắn của bộ truyền động tăng lên. Tại thời điểm này, tín hiệu độ lệch vị trí sẽ nhắc động cơ tăng dòng điện đầu ra để bù cho sự thay đổi tải. Công tắc giới hạn mô -men xoắn và thiết bị giới hạn di chuyển tạo thành một lớp bảo vệ phần cứng để ngăn chặn quá tải cơ học do lỗi phần mềm.

Khả năng thích ứng của hệ thống cũng được phản ánh trong cài đặt tham số. Hệ số tăng của thuật toán PID cần được tối ưu hóa theo các đặc điểm của bộ truyền động và kịch bản ứng dụng. Ví dụ, trong chuyển động đối ứng tần số cao, trọng lượng thời hạn vi sai cần được tăng lên để ngăn chặn quá mức; Và trong các điều kiện tải cao, hiệu ứng thuật ngữ tích phân cần được tăng lên để loại bỏ các lỗi tĩnh. Một số bộ truyền động hỗ trợ chức năng tự điều chỉnh tham số, nhận ra cấu hình tham số điều khiển tối ưu bằng cách tự động xác định mô hình hệ thống.