Variateurs INFRANOR® et commandes numériques NUM®

INFRANOR SA
Rue des Uttins 27 CH-1401 Yverdon-les-Bains ch.infranor.com
Tel +41 (0)24 447 02 90 – fax +41 (0)24 447 02 91 – e-mail [email protected]
Variateurs INFRANOR® et commandes numériques NUM®
Méthode de réglage des boucles d’asservissement
Sommaire
1:
Aspects techniques
Page 3
1.1 :
Commandes numériques NUM® séries 1020, 1040 et 1060
Page 3
1.2 :
Variateurs INFRANOR® SMT-BD1, SMT-BD2 et CD1-a
Page 3
1.3 :
Structure du régulateur du variateur SMT-BD1/1a
Page 4
1.4 :
Structure du régulateur des variateurs SMT-BD2/1a et CD1-a
Page 4
2:
Aspects réglages
Page 5
2.1 :
Méthode classique NUM
Page 5
2.2 :
Nouvelle méthode prodiguée par NUM
Page 5
2.3
Méthode conseillée
Page 5
3:
Méthode de réglage des variateurs INFRANOR
Page 6
3.1 :
Conditions préalables
Page 6
3.2 :
Exemple concret
Page 6
3.3 :
Trucs et astuces
Page 9
4:
Conclusion
Page 10
1
INFRANOR SA
Rue des Uttins 27 CH-1401 Yverdon-les-Bains ch.infranor.com
Tel +41 (0)24 447 02 90 – fax +41 (0)24 447 02 91 – e-mail [email protected]
2
INFRANOR SA
Rue des Uttins 27 CH-1401 Yverdon-les-Bains ch.infranor.com
Tel +41 (0)24 447 02 90 – fax +41 (0)24 447 02 91 – e-mail [email protected]
Variateurs INFRANOR® et commandes numériques NUM® : aide à l’ajustement.
Préambule
Dans le domaine des machines d’usinage, on rencontre toute sorte de principes de pilotages des
différents axes : contrôle avec erreur de poursuite nulle, structure de régulateurs classiques PID en
cascade ou parallèles, feedforwards, etc. Cela dépend de la technologie employée et de la
philosophie de la commande numérique.
1 : Aspects techniques
1.1 : Commandes numériques NUM® séries 1020, 1040 et 1060
Plusieurs clients d’INFRANOR SA utilisent des commandes numériques NUM® de la série 1020, 1040
et 1060. Ce sont des commandes « classiques » générant une consigne de vitesse +/- 10V et
disposant d’une entrée codeur de type incrémentale par axe.
La boucle de position interne fonctionne selon le principe suivant : le régulateur soustrait la position
mesurée en provenance du codeur de l’axe (IM) à la position demandée en provenance de
l’interpolateur (IC) et l’amplifie selon le terme KVAR qui est le coefficient d’asservissement (paramètre
P21). Cette différence est l’erreur de poursuite (Ep).
Le KVAR définit le coefficient qui est utilisé par la CN pour calculer la référence fournie au variateur
en fonction de l’écart de poursuite. La référence sera donc Ep x KVAR. Nous avons donc un système
de régulation de type proportionnel. La carte d’axe délivre un signal analogique en provenance d’un
convertisseur AD de 15 bits, donc pour 10V de consigne, on a une gamme de vitesse de 1 à 32768.
NUM spécifie généralement la définition de la vitesse maximale pour 9V de consigne, donc la gamme
de vitesse se réduit de 1 à 29491, 29491 définissant la vitesse maximale de l’axe.
Le calcul de KVAR est exprimé selon la formule suivante :
KVAR = gamme de vitesse max / (Nbre d’unités par sec. x cste de temps boucle de position)
Exemple : calcul du KVAR pour l’axe X (Vmax pour G0 = 100 mm/s, constante T = 0,06s), donc :
KVAR = 29491 / (100 x 0.06) = 4915.16 soit la valeur 4915 pour le paramètre P21
On voit ici que cette méthode implique un KVAR similaire pour les axes ayant les mêmes
caractéristiques de vitesse maximale, ce qui va nous intéresser plus loin lors du développement de la
méthode conseillée.
1.2 : Variateurs numériques INFRANOR® séries SMT-BD1, SMT-BD2 et CD1
Le SMT-BD1/1a est un variateur de vitesse pour moteurs brushless sinus à interface resolver avec
boucle de vitesse numérique et boucle de courant analogique. Il est destiné aux applications mono ou
multi-axes. La résolution de l’entrée analogique est de 12 bits en standard avec commutation à pleine
échelle dès que la tension de consigne tombe en dessous de 1.25V et de 16 bits en option.
Le SMT-BD2/1a est un variateur de vitesse pour moteurs brushless sinus à interface codeur avec
boucle de vitesse numérique et boucle de courant analogique. Il est destiné aux applications mono ou
multi-axes. La résolution de l’entrée analogique est de 12 bits en standard avec commutation à pleine
échelle dès que la tension de consigne tombe en dessous de 1.25V et de 16 bits en option.
3
INFRANOR SA
Rue des Uttins 27 CH-1401 Yverdon-les-Bains ch.infranor.com
Tel +41 (0)24 447 02 90 – fax +41 (0)24 447 02 91 – e-mail [email protected]
Le CD1-a est un variateur de vitesse compact monobloc pour moteurs brushless sinus à interface
resolver ou codeur. Il est entièrement numérique. La résolution de l’entrée analogique est de 14 bits
avec commutation à pleine échelle dès que la tension de consigne tombe en dessous de 1.25V.
1.3 : Structure du régulateur du variateur SMT-BD1/1a
La structure du régulateur de vitesse est représentée ci-dessous :
La signification des paramètres de gain ajustables est la suivante :
Le paramètre Filtre erreur de vitesse définit la fréquence de coupure à -3 db (Fev) du filtre du
premier ordre (standard) ou troisième ordre (anti-résonance) qui agit sur l'erreur de vitesse. La valeur
de ce paramètre est fonction de la bande passante choisie.
Le paramètre Gain proportionnel définit le gain proportionnel (KP) du régulateur qui agit sur l'erreur
de vitesse. La plage de réglage est comprise entre 0 et 4 095.
Le paramètre Gain intégral 1 définit le premier gain intégral (KI1) du régulateur qui agit sur l'erreur
de vitesse. La plage de réglage est comprise entre 0 et 255.
Le paramètre Gain intégral 2 définit le second gain intégral (KI2) du régulateur qui agit sur l'erreur
de vitesse. La plage de réglage est comprise entre 0 et 1.
Tous ces paramètres de gain sont calculés automatiquement lors de l'exécution de la commande
Auto-réglage.
On a le choix entre trois modes : proportionnel simple (P), proportionnel-intégral (PI) et proportionnel
2
intégral avec un deuxième terme intégral (PI ) qui amène plus de raideur à l’axe mais qui augmente la
constante de temps du régulateur. En combinaison avec une commande NUM, on choisira le mode
PI. On choisira de préférence le filtre standard du premier ordre, le filtre anti-résonance ne devant être
employé que lorsque l’on se trouve en présence d’une chaîne cinématique occasionnant des
instabilités importantes à l’arrêt et/ou en rotation. Dans ce cas, il est préférable de vérifier la rigidité
entre le moteur et la charge (jeux et élasticités dans les courroies, réducteurs et accouplements).
1.4 : Structure du régulateur des variateurs SMT-BD2/1a et CD1-a
La structure du régulateur de vitesse du SMT-BD2/1a est similaire à celle du SMT-BD1/1a avec en
plus un filtre nommé Max. stiffness déterminant un facteur d’amortissement (Damping speed gain)
qui a la particularité d’augmenter la raideur de l’axe tout en diminuant l’overshoot généré par le terme
intégral. Ce paramètre est très utile pour améliorer le comportement d’un axe avec une transmission à
courroie avec une inertie ramenée au moteur non-négligeable, par exemple. En plus du facteur
d’amortissement, le régulateur du CD1-a possède un gain dérivé KD ajustable manuellement. Il
dispose aussi d’une boucle de position avec feedforwards (fonction axe électrique, émulation pas-àpas).
4
INFRANOR SA
Rue des Uttins 27 CH-1401 Yverdon-les-Bains ch.infranor.com
Tel +41 (0)24 447 02 90 – fax +41 (0)24 447 02 91 – e-mail [email protected]
2 : Aspects réglages
2.1 : Méthode classique NUM
La méthode enseignée par NUM jusqu’à un récent passé est la suivante :
-
boucle de position ouverte, on procède au réglage de la boucle de vitesse de chaque axe de
manière à obtenir un comportement stable,
on calcule ensuite le KVAR (P21) de chaque axe, on ferme la boucle de position et on
procède aux essais avec réajustement des valeurs si nécessaire.
L’inconvénient majeur est le suivant : dans le cas d’axes aux caractéristiques physiques et
dynamiques similaires*, on aura fatalement des paramètres de gain de boucle de vitesse différents
(charge différente d’un axe à l’autre, charge verticale, etc.) donc un temps de réponse pas toujours
équivalent. De plus, le facteur KVAR ne sera pas nécessairement identique d’un axe à l’autre.
L’effet direct sur l’état de surface des pièces usinées se traduira, dans le cas d’une interpolation
circulaire XY par exemple, par l’apparition de facettes plus ou moins importantes dans les rayons. Il
apparaît alors que cette méthode n’est pas idéale lorsque l’on recherche des états de surface
impeccables.
* : par axes similaires, j’entends même vitesse max. en G0, même pas de vis à billes et même
motorisation.
2.2 : Nouvelle méthode prodiguée par NUM
Face aux inconvénients de la méthode classique, NUM enseigne actuellement une approche similaire
à la mienne que je vais développer plus loin. Voici les recommandations de NUM :
-
boucle de position ouverte, on procède au réglage de la boucle de vitesse de chaque axe
jusqu’à l’apparition d’instabilité : on divise alors la valeur des gains par deux,
on applique pour chaque axe similaire le gain de l’axe le plus faible,
on calcule le KVAR pour avoir une approche, on augmente celui-ci jusqu’à l’apparition
d’instabilité : on divise alors la valeur du KVAR par deux,
on applique pour chaque axe similaire le KVAR de l’axe le plus faible.
Avantage de cette méthode : comportement stable de tous les axes, erreur de poursuite similaire.
Inconvénient : cette méthode est valable dans bien des cas, mais elle n’offre pas une dynamique
suffisante pour les applications pointues.
2.3 : Méthode que je conseille vivement
Ma méthode diffère de celle prodiguée au point 2.2 car elle a pour but d’offrir une dynamique
suffisante pour la plupart des applications. La voici :
-
boucle de position ouverte, on procède au réglage de la boucle de vitesse de chaque axe
selon la méthode que je vais décrire plus en avant,
on applique pour chaque axe similaire le gain de l’axe le plus faible,
on recherche le KVAR le plus élevé possible pour chaque axe jusqu’à l’apparition d’instabilité,
on réduit celui-ci d’environs 20% et on applique la valeur la plus faible à tous les axes
similaires.
Cette méthode octroie une bonne dynamique aux axes avec une erreur de poursuite réduite et
similaire.
5
INFRANOR SA
Rue des Uttins 27 CH-1401 Yverdon-les-Bains ch.infranor.com
Tel +41 (0)24 447 02 90 – fax +41 (0)24 447 02 91 – e-mail [email protected]
3 : Méthode de réglage des variateurs INFRANOR
3.1 : Conditions préalables
Avant de procéder à la mise en route des variateurs, il convient d’effectuer certaines vérifications :
-
s’assurer du bon état des différents éléments mécaniques (jeux, contraintes, élasticités,
manque de rigidité, etc.),
s’assurer de la conformité du câblage électrique : il doit répondre en tout point aux différentes
recommandations figurant dans nos notices,
s’assurer enfin de l’absence totale de danger pour les personnes se trouvant à proximité de la
machine pendant la phase de mise en route.
3.2 : Exemple concret
L’axe concerné a les caractéristiques suivantes : axe horizontal X, vis à billes 16 x 300 mm au pas de
5mm, masse embarquée de 75 Kg, vitesse en G0 de 15 m/min soit 3000 tours /min au moteur.
Entraînement constitué d’un moteur BS072A (inertie rotor 0.00005 Kgm2), d’un accouplement (inertie
0.000012 Kgm2) et d’un variateur SMT-BD1/1a 220/12. Le calcul des inerties démontre un rapport
inertie entraînée / inertie rotor de 3 :1. C’est la limite supérieure conseillée dans le domaine des axes
interpolés. Le moteur est donc correctement dimensionné.
Mise en route avec le logiciel INFRANOR BPC-W 2.6.
Dans un premier temps, il convient de paramétrer correctement la vitesse maximale et la résolution de
la sortie pseudo-codeur retenue pour l’application : dans notre cas, on désire 3000 t/min et une
résolution de 1 μm par milimètres. Etant donné que la CN multiplie par 4 les incréments des signaux A
et B du codeur, nous allons programmer une résolution de 1250 points par tour moteur, comme
démontré ci-dessous :
6
INFRANOR SA
Rue des Uttins 27 CH-1401 Yverdon-les-Bains ch.infranor.com
Tel +41 (0)24 447 02 90 – fax +41 (0)24 447 02 91 – e-mail [email protected]
Dans un deuxième temps, on va procéder à un premier auto-réglage des paramètres du régulateur.
Le mode sera PI. On commencera de préférence avec un filtre standard et une bande passante
élevée :
On obtiendra les paramètres suivants :
7
INFRANOR SA
Rue des Uttins 27 CH-1401 Yverdon-les-Bains ch.infranor.com
Tel +41 (0)24 447 02 90 – fax +41 (0)24 447 02 91 – e-mail [email protected]
Ensuite, on testera la réponse de l’axe en appliquant un échelon de consigne sans rampe avec une
boîte de test munie d’un potentiomètre pour, par exemple, atteindre 250 t/min. L’oscilloscope du
logiciel sera calibré de la façon suivante : canal 1 = vitesse, canal 2 = Idc (consigne de courant).
Pendant la phase de réglage, la valeur Idc ne doit jamais atteindre 100%, car cela veut dire que le
système est en saturation et qu’il n’y a plus de régulation (100% du courant ouvert). Il conviendra dans
ce cas de réduire l’amplitude de l’échelon. Voici la réponse idéale que l’on devrait obtenir :
Si de l’instabilité apparaît, c’est que le gain est sans doute trop fort :
Ou trop faible :
8
INFRANOR SA
Rue des Uttins 27 CH-1401 Yverdon-les-Bains ch.infranor.com
Tel +41 (0)24 447 02 90 – fax +41 (0)24 447 02 91 – e-mail [email protected]
En résumé, il faut rechercher le cas idéal, mais ce n’est pas toujours satisfaisant pour obtenir des
résultats corrects. C’est pourquoi il convient de trouver certaines recettes permettant d’appliquer un
seul et même jeu de paramètres sur tous les axes.
3.3 : Trucs et astuces
Par expérience, j’ai constaté que l’algorithme d’auto-réglage du variateur SMT-BD1 n’était pas
toujours idéal lorsque l’on se trouve en présence d’axes avec vis à billes avec un petit pas et
relativement peu d’inertie ramenée au moteur : parfois, le terme intégral est trop élevé et l’overshoot
qui en découle peut gêner la bonne régulation des axes. Reprenons la réponse idéale et divisons
l’intégrale par deux :
On constate que l’amplitude de l’overshoot diminue mais que l’amortissement est un peu plus long.
On peut jouer sur le gain proportionnel en l’augmentant un peu ou sur le filtre en augmentant sa
fréquence de coupure : dans le cas d’une très grande rigidité, on peut pratiquement se passer de
filtre. Il faut savoir que si sa valeur est portée à 1000 Hz, il devient inopérant.
En général, avec les coulisses à vis, on obtient les meilleurs résultats en diminuant le gain intégral et
en augmentant le gain proportionnel par rapport au modèle obtenu par auto-réglage lorsque l’axe est
stable.
Afin de faciliter le réglage, voici une autre astuce : lorsque l’on procède au réglage avec une boîte de
consigne, l’échelon de consigne risque d’être perturbé par le rebond du switch de la boîte. De plus,
l’incidence de la réponse mécanique peut être difficile à interpréter, c’est pourquoi je conseille de
programmer provisoirement une petite rampe sur l’entrée analogique, rampe si possible équivalente
à celle définie dans les paramètres de la CN, par exemple 0,2 s :
9
INFRANOR SA
Rue des Uttins 27 CH-1401 Yverdon-les-Bains ch.infranor.com
Tel +41 (0)24 447 02 90 – fax +41 (0)24 447 02 91 – e-mail [email protected]
Après avoir déterminé le réglage correct, ne pas oublier de remettre la valeur de la rampe à 0
avant de mémoriser les paramètres dans l’Eeprom du variateur !
Lorsque le réglage optimal est déterminé pour tous les axes similaires, il suffit d’appliquer aux
variateurs les paramètres de l’axe présentant le gain le plus faible.
4 : Conclusion
Cette méthode est basée sur l’expérience des applications rencontrées en clientèle. Elle donne de
très bons résultats avec des chaînes cinématiques saines et bien conçues. Elle n’est donc pas
exhaustive.
Ce document a pour but de fournir aux techniciens de mise en route une base solide permettant de
démarrer une mise en service correcte d’une machine équipée du matériel concerné par la présente
note.
La pratique et l’expérience sont plus que jamais nécessaires à un technicien de mise en route pour
être à l’aise dans le domaine de la régulation d’axes, ceci quelle que soit la technologie employée.
Yverdon-les-Bains, le 10.01.2013
D. Cueroni
10