Częstotliwość regulatorów serwonapędów (kHz) fakty, mity i błędy interpretacyjne w CNC

W specyfikacjach technicznych maszyn CNC oraz w dokumentach przetargowych coraz częściej pojawia się wymóg:

„częstotliwość regulatora pozycji minimum 20 kHz”

Na pierwszy rzut oka parametr ten ma sugerować wysoką dynamikę, precyzję i nowoczesność układu napędowego.
W praktyce jednak pojęcie to jest często błędnie rozumiane, mylone lub celowo upraszczane, a porównywanie maszyn wyłącznie na podstawie wartości „kHz” prowadzi do nieprawidłowych wniosków.

Celem niniejszego artykułu jest:

• uporządkowanie terminologii,
• wyjaśnienie, czym faktycznie jest częstotliwość regulatora,
• pokazanie różnic pomiędzy szybkością algorytmu, czasem regulacji a skutecznością regulacji,
• wskazanie, dlaczego wartość 20 kHz nie jest uniwersalnym miernikiem jakości serwonapędu.

Jakie częstotliwości podają producenci serwonapędów?

W dokumentacjach technicznych spotykamy bardzo różne wartości, np.:

• Mitsubishi: ~2,5 kHz
• Mecapion: ~1 kHz
• Yaskawa Sigma-5: ~1,6 kHz
• Yaskawa Sigma-7: ~3,1 kHz

Są to jednak częstotliwości odpowiedzi układu regulacji pozycji, a nie:

• częstotliwości pracy elektroniki,
• częstotliwości próbkowania wszystkich algorytmów,
• ani częstotliwości komunikacji z interpolatorem CNC.

Producent podaje zazwyczaj najgorszy czas reakcji układu na wymuszenie skokowe, czyli realny czas ustalenia pozycji w warunkach granicznych.

Przykład:

• 1,6 kHz ≈ 0,625 ms
• 3,1 kHz ≈ 0,32 ms

To są czasy regulacji mechaniczno-elektrycznej, a nie „częstotliwość pracy PID”.

Regulator PID ≠ czas ustalenia pozycji

Bardzo częsty błąd polega na utożsamianiu:

• częstotliwości regulatora PID
  z
• czasem ustalenia pozycji osi CNC

Tymczasem są to zupełnie różne wielkości.

Co faktycznie składa się na regulację osi CNC?

Blok regulacji nowoczesnego serwonapędu to nie jeden PID, lecz złożona struktura, obejmująca m.in.:

• regulator prądu,
• regulator prędkości,
• regulator pozycji,
• filtry niskich częstotliwości,
• filtry wysokich częstotliwości,
• algorytmy tłumienia drgań,
• algorytmy antyrezonansowe,
• kompensacje harmoniczne,
• algorytmy adaptacyjne,
• algorytmy doregulowujące.

Każdy z tych bloków:

• ma własny czas obliczeń,
• działa w innym cyklu,
• wpływa na sumaryczny czas ustalenia pozycji.

Dlaczego „więcej regulatorów” nie oznacza „szybciej”?

Paradoksalnie:

im bardziej zaawansowany układ regulacji, tym dłuższy może być jego czas odpowiedzi

Przykład:

• napęd z 2 prostymi regulatorami → szybka reakcja, ale słaba stabilność,
• napęd z 15–20 regulatorami i filtrami → wolniejsza reakcja, ale:
  • większa dokładność,
  • mniejsze drgania,
  • lepsza jakość obróbki,
  • dłuższa żywotność mechaniki.

Dlatego porównywanie serwonapędów wyłącznie po kHz jest pozbawione sensu.

Skąd bierze się „20 kHz” w materiałach marketingowych?

Wartość 20 kHz (czyli cykl 50 µs) bardzo często odnosi się do:

• częstotliwości komunikacji pomiędzy interpolatorem CNC a serwonapędem,
• nebo wewnętrznego cyklu wybranych algorytmów, a nie pełnego bloku regulacji.

Dla przykładu:

• 50 µs = 20 kHz
• 0,02 µs = 50 MHz

Są to wartości czysto elektroniczne, możliwe do osiągnięcia:

• po wyłączeniu części algorytmów,
• po uproszczeniu regulatora (np. tylko P, bez I i D),
• po zastosowaniu zmodyfikowanego firmware.

Nie są to jednak standardowe warunki pracy przemysłowej.

Ograniczenie PID a „sztuczne” zwiększanie kHz

Jeżeli producent:

• ograniczy regulator tylko do P lub PI,
• wyłączy filtry i algorytmy kompensacyjne,
• uprości strukturę regulacji,

wówczas:

• częstotliwość obliczeń może wzrosnąć nawet do dziesiątek kHz,
• ale jakość regulacji drastycznie spada.

Otrzymujemy:

• szybką elektronikę,
• ale gorsze tłumienie drgań,
• większe błędy dynamiczne,
• gorszą jakość powierzchni po obróbce.

Rola algorytmów zaawansowanych (np. Takagi–Sugeno)

W nowoczesnych rozwiązaniach możliwe jest zastosowanie:

• algorytmów rozmytych,
• algorytmów adaptacyjnych,
• modeli Takagi–Sugeno,

które:

• nie bazują na klasycznym PID,
• wykorzystują funkcje liniowe lub nieliniowe,
• dynamicznie zmieniają charakterystykę regulacji.

Przy odpowiedniej architekturze firmware i wydajnej komunikacji (np. protokół PLINK):

• możliwy jest cykl komunikacji na poziomie 50 µs,
• co odpowiada 20 kHz częstotliwości ustalania pozycji,
• bez utraty stabilności układu.

To jednak rozwiązania niestandardowe, wymagające:

• modyfikacji firmware,
• świadomej konfiguracji,
• dokładnej analizy mechaniki maszyny.

Wnioski końcowe

1. Częstotliwość w kHz nie jest jednoznacznym miernikiem jakości serwonapędu
2. Producenci podają różne parametry pod tą samą nazwą, co utrudnia porównania
3. 20 kHz:
   • może oznaczać cykl komunikacji,
   • może dotyczyć wybranego algorytmu,
   • nie oznacza pełnej regulacji osi CNC
4. Kluczowe są:
   • czas ustalenia pozycji,
   • stabilność układu,
   • skuteczność tłumienia drgań,
   • jakość obróbki, a nie „suche kHz”
5. Specyfikacje przetargowe powinny:
   • precyzyjnie definiować, czego dotyczy wymagana częstotliwość,
   • unikać niejednoznacznych zapisów typu „regulator pozycji 20 kHz”.