Synchronization optimization on dual-axis systems by variable gain cross-coupled controller

Abstract

Günümüzde hızlı ve doğru hareket kontrolü; CNC tezgahları, al ve bırak robotlar, yörünge izleyen insansız hava araçları ve kızaklı makinalar gibi bir çok sistem için oldukça önemlidir. Tek eksen için istenilen düzeyde yörünge takibi kolaylıkla sağlanabilir. Ancak çok eksenli sistemlerde yeterli yörünge takibi ve düşük kontur hatasının elde edilmesi karmaşık olabilir. Sürtünme, içsel ve dışsal düzensizlikler, dişli geri tepmesi ve servo gecikmeleri eksenlerin hareketlerinde koordinasyonsuzluğa sebep olur. Bu koordinasyonsuzluk eksenler arası senkronizasyonu bozarak kontur hatasına sebep olacaktır. Birçok durumda her bir eksen kontrolcüsünün ayrı ayrı tasarlanması istenmeyen etkilerin azaltılmasında ve harekette istenilen doğruluğun yakalanmasında etkili olamayacaktır. Bu tezde iki eksenli bir sistem ele alınmış olup, düz çizgi, daire, elips ve parabol şeklinde yörüngeler izlenmiştir. Ardından kontur hatalarını elimine etmek için Değişken Kazançlı Çapraz-Eşleşmeli Kontrolcü tekniği uygulanmıştır. Değişken kazanç farklı yörünge tipleri için ayrı ayrı hesaplanarak kontrolcü yapısına entegre edilmiştir. Kontrol yapısını gösteren blok diyagramlar ve değişken kazanç hesapları detaylı bir şekilde açıklanmıştır. Son olarak önerilen yapı; sürtünme, dış gürültü ve her iki etmen aynı anda uygulanarak test edilmiştir. Simülasyon sonuçları önerilen yapının ekseneler arası koordinasyonu artırdığına ve kontur hatasını düşürdüğüne işaret etmektedir.

Fast and accurate trajectory control is fundamental for modern machines such as CNC machinery, pick and place robots, path following unmanned vehicles and gantries. For one axis, satisfactory trajectory control can be accomplished easily. But for multi-axis systems, getting adequate trajectory control and low contour error can be tricky. Friction, inner or inner disturbances, gear backlash, servo lag can cause uncoordinated motion which will lead inter-axial uncoordinated motion and contour error. In many cases, lowering or controlling unwanted effects by individual control techniques cannot be enough to get required accuracy. Excelling coordinated motion requires a comprehensive and structural approach. In this thesis, a two-axis system is introduced and different trajectories such as linear, circular, elliptic and parabolic trajectories are followed. Then proposed method is applied for eliminating contour error by variable gain cross-coupled controller. Control structure's block diagram and variable gain calculation steps are explained comprehen-sively. Finally, suggested structure is simulated under friction, inner disturbance and both friction and inner disturbance simultaneously. Results indicate proposed systems' efficiency to increase inter-axial coordination and decrease contour error.