En el campo de la automatización industrial moderna, la servotecnología juega un papel crucial. No es sólo el núcleo del control de movimiento de precisión, sino también la clave para mejorar el rendimiento del equipo y optimizar la eficiencia de la producción. Con el avance continuo de la Industria 4.0 y la fabricación inteligente, la demanda de servosistemas con alto rendimiento y altas capacidades dinámicas se ha vuelto cada vez más urgente.
Los servosistemas tradicionales a menudo luchan por equilibrar un alto rendimiento y una alta dinámica simultáneamente. El alto rendimiento generalmente se refiere a la precisión, rigidez y estabilidad de un sistema durante el funcionamiento en estado estable, mientras que la alta dinámica enfatiza su capacidad para responder rápidamente a comandos, acelerar/desacelerar y seguir trayectorias de movimiento complejas. Sin embargo, en muchos escenarios de aplicación, como:
• Robótica: Los robots de alta velocidad y alta precisión requieren una respuesta rápida a los comandos de control y una ejecución flexible de movimientos complejos, lo que impone exigencias extremadamente altas a la dinámica del servosistema.
• Mecanizado de precisión: Las máquinas herramienta de alta precisión requieren servosistemas con rigidez y estabilidad excepcionales para garantizar la calidad del mecanizado y al mismo tiempo permitir un ajuste rápido para mejorar la eficiencia.
• Fabricación de semiconductores: Equipos como las máquinas de litografía y la inspección de obleas imponen requisitos extremadamente estrictos en cuanto a la precisión, velocidad y dinámica del servosistema.
• Fabricación de productos electrónicos: Los dispositivos como las máquinas SMT de recogida y colocación y los sistemas dispensadores de alta velocidad deben completar numerosas acciones repetitivas en períodos de tiempo cortos, lo que desafía a los servosistemas en términos de velocidad de respuesta y estabilidad.
Por lo tanto, el desarrollo de tecnología servo que cumpla con requisitos de alto rendimiento y alta dinámica se ha convertido en una tendencia inevitable de la industria. Sólo superando este cuello de botella podremos abordar mejor las crecientes demandas de aplicaciones y mejorar el rendimiento y la competitividad general de los equipos.
Lograr servosistemas de alto rendimiento y alta dinámica no es una tarea fácil y requiere la superación de múltiples desafíos técnicos, que incluyen:
• Limitaciones de los algoritmos de control: El control PID tradicional lucha con sistemas complejos y factores no lineales. Se necesitan estrategias de control avanzadas, como el control predictivo de modelos (MPC), el control adaptativo y el control difuso, para mejorar la velocidad de respuesta, la capacidad antiinterferencias y la solidez.
• Cuellos de botella en el rendimiento de motores y variadores: Como actuador central, el rendimiento del motor impacta directamente el rendimiento del sistema. Motores de alto rendimiento Se deben adoptar motores como motores síncronos de imanes permanentes (PMSM) o motores torque, con diseños optimizados para reducir la inercia y aumentar la densidad del torque. Las unidades deben presentar frecuencias de conmutación más altas, precisión de corriente y latencia más baja para garantizar una respuesta rápida y precisa.
• Precisión del sensor y límites de velocidad: Los codificadores, rejillas y otros sensores son fundamentales para la retroalimentación de posición/velocidad. Su precisión y velocidad afectan directamente la precisión del control y el rendimiento dinámico. Son esenciales sensores de mayor resolución y muestreo más rápido con filtrado de ruido eficaz.
• Rigidez mecánica y amortiguación insuficientes: Las estructuras mecánicas, incluidos los mecanismos de transmisión y soporte, afectan el rendimiento del sistema. La baja rigidez provoca vibraciones y resonancias, lo que perjudica la estabilidad y la precisión, mientras que una amortiguación insuficiente ralentiza la respuesta y reduce el rendimiento dinámico. Son necesarias la optimización estructural, la mejora de la rigidez y el control activo de la amortiguación (por ejemplo, materiales de amortiguación).
• Rendimiento y confiabilidad en tiempo real: Los servosistemas deben completar la adquisición, el procesamiento, el control y la ejecución de datos en plazos de tiempo extremadamente cortos, lo que exige un rendimiento ultraalto en tiempo real. Además, la confiabilidad es fundamental en entornos industriales hostiles. Los procesadores de alto rendimiento, los sistemas operativos en tiempo real (RTOS), la redundancia, el diagnóstico de fallas y el control tolerante a fallas son soluciones vitales.
Para abordar estos desafíos, se deben adoptar las siguientes estrategias clave para desbloquear la tecnología servo avanzada y aprovechar las oportunidades de la industria:
• Desarrollar algoritmos de control avanzados: Explore y aplique algoritmos de vanguardia como MPC, control adaptativo, control difuso y control de redes neuronales. El aprendizaje automático puede optimizar aún más los parámetros para el ajuste adaptativo.
• Adoptar motores y variadores de alto rendimiento: Utilice PMSM o motores de torsión con diseños optimizados para menor inercia y mayor densidad de torque. Seleccione unidades con frecuencias de conmutación más altas, precisión actual y menor latencia. Implemente estrategias de control avanzadas como FOC y DTC.
• Utilice sensores de alta precisión y alta velocidad: Emplee codificadores/reglas de rejilla de muestreo rápido y alta resolución con filtrado de ruido. La fusión de múltiples sensores puede mejorar la precisión y confiabilidad de las mediciones.
• Optimizar el diseño mecánico: Mejorar la rigidez y la amortiguación mediante análisis de elementos finitos (FEA), optimización estructural y técnicas de amortiguación activa.
• Mejorar el rendimiento y la confiabilidad en tiempo real: Utilice procesadores de alto rendimiento, RTOS, redundancia y diseños tolerantes a fallas. Protocolos de comunicación en tiempo real (por ejemplo, EtherCAT, PROFINET) garantizan la sincronización.
• Priorizar la simulación y las pruebas: Aproveche la simulación de software y las pruebas de hardware-in-the-loop (HIL) para una evaluación y optimización integral del rendimiento.
• Fortalecer la colaboración entre la industria y la academia: Asociarse con universidades e institutos de investigación para acelerar la innovación y el desarrollo del talento.
En un mercado competitivo, sólo la innovación continua puede asegurar el liderazgo de la industria. Las recomendaciones clave incluyen:
Aumentar la inversión en I+D: Dedicar recursos para desarrollar productos y tecnologías servo patentadas.
Centrarse en las necesidades del mercado: Comprenda los puntos débiles de los usuarios y personalice las soluciones en consecuencia.
Construir valor de marca: Mejorar el reconocimiento y la reputación de la marca para establecer una fuerte presencia en el mercado.
Ampliar aplicaciones: Explore nuevas industrias y campos emergentes para la tecnología servo.
Desarrollar un ecosistema: Colaborar con socios para impulsar el avance de la tecnología servo.
Descubrir la servotecnología que cumpla con requisitos dinámicos y de rendimiento ultraalto es fundamental para la automatización industrial moderna. Al adoptar la innovación y superar los desafíos, las empresas pueden liderar la industria y dar forma al futuro.
