Come selezionare un servoazionamento

Quando cerchi un servoazionamento, potrai trovare migliaia di opzioni. La sola ADVANCED Motion Controls offre oltre 200 modelli di servoazionamenti, senza contare le opzioni personalizzate. La scelta di un servoazionamento richiede un'attenta valutazione delle esigenze del proprio progetto e delle opzioni disponibili. Questa guida illustra i fattori che determinano la scelta e le regole generali applicabili a ciascuno di essi.

Sei di fretta? Scarica la scheda riassuntiva per la scelta dei servomotori, oppure vai direttamente alla lista di controllo per la selezione.

Quali sono i fattori che determinano l'idoneità di un servoazionamento?

I servoazionamenti presentano diverse gamme di potenza, dimensioni, opzioni di rete, livelli di intelligenza, fattori di forma, funzionalità digitali e altro ancora. I fattori elencati di seguito sono quelli che determinano se un servoazionamento è adatto alla vostra applicazione.

ADVANCED Motion Controls dispone di un strumento di ricerca per servoazionamenti che ti permette di impostare i tuoi parametri e ti propone una selezione filtrata di servazionamenti che li soddisfano.

In che modo le esigenze applicative e di utilizzo indicano il servoazionamento più adatto

La vostra soluzione di controllo del movimento dovrebbe basarsi sulle esigenze della vostra applicazione, e non il contrario.

Inizia con una visione d'insieme:

Cosa stai preparando?

Si tratta di un grande macchinario industriale, di un robot mobile o di un dispositivo da tavolo? È un sistema monoasse o multiasse?

Che tipo di attività svolge il vostro sistema? Le risposte determinano i requisiti di alimentazione, se analogici o digitali, e le modalità operative necessarie.

A questo punto devi stabilire quali elementi del tuo progetto sono flessibili e quali invece sono fissi. Devi utilizzare un motore specifico?

Lo spazio a disposizione è limitato?

Sei legato a una determinata rete di comunicazione?

Se i parametri sono definiti in modo molto rigoroso, le opzioni tra cui scegliere potrebbero essere meno numerose, ma potrebbero anche non essercene affatto. In tal caso, potrebbe essere necessario riprogettare il sistema o prendere in considerazione una soluzione personalizzata.

Il modo in cui la macchina viene utilizzata è importante tanto quanto il modo in cui è stata progettata. I problemi individuati in ritardo, dopo l’avvio della produzione o dopo che il prodotto è stato consegnato al cliente, sono i peggiori. Le regole empiriche illustrate nelle sezioni seguenti hanno lo scopo di aiutarvi a evitarli.

Motore e retroazione: abbinare l'azionamento al motore

Un servoazionamento aziona un motore specifico e rileva i dati dal relativo dispositivo di retroazione, pertanto la decisione relativa all'azionamento ne consegue scegliere il servomotore giusto in base alla coppia, alla velocità, all'inerzia e al ciclo di lavoro del carico.

Regola generale: Scegli prima il motore e il dispositivo di retroazione, poi un azionamento che supporti entrambi.

• Tipo di motore. I motori a spazzole effettuano la commutazione meccanicamente. I motori brushless e quelli lineari si affidano al sistema di azionamento, utilizzando sensori Hall (trapezoidali) o un encoder (sinusoidali, per una coppia più uniforme a bassa velocità).
• Commenti. L'azionamento deve leggere il dispositivo nel suo formato nativo: incrementale TTL, 1 Vp-p sin/cos, BiSS-C o EnDat 2.2 assoluto, oppure resolver. In caso di encoder assoluti, il protocollo deve corrispondere.
• Tensione. La costante della forza controelettromotrice del motore moltiplicata per la sua velocità massima deve rimanere ben al di sotto della tensione di alimentazione.
• Induttanza. I motori lineari e senza scanalature a bassa induttanza potrebbero richiedere un induttore in serie per soddisfare i requisiti minimi del convertitore di frequenza.

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Corrente: assicurati che ce ne sia a sufficienza, ma senza esagerare

La gamma di potenza è forse il fattore più determinante nella scelta di un servoazionamento. Se il servoazionamento non è in grado di fornire potenza sufficiente, il motore non potrà girare, almeno non con la coppia o la velocità desiderate.

Ecco perché è così importante definire i requisiti di velocità e/o coppia della propria applicazione.

Assicurati che la corrente sia sufficiente

Hai progettato un robot per le consegne che è stato installato in numerose sedi. Durante la fase di sviluppo e i primi test con i clienti tutto sembrava funzionare alla perfezione, poi un cliente ti ha chiamato perché i suoi robot continuano a rimanere bloccati su una salita.

Dopo aver effettuato alcune misurazioni, si nota che i servomotori stanno raggiungendo i propri limiti di corrente.

Regola generale: Includi un ulteriore 25% di headroom al limite di corrente oltre a quello che pensi sia necessario per l'applicazione.

Perché è importante: Una maggiore capacità di corrente può garantire un funzionamento ininterrotto quando le condizioni sono diverse da quelle previste e l'ambiente di applicazione può essere molto diverso dall'ambiente di test.

Quando è utile:

• Quando le condizioni cambiano. Nello scenario sopra descritto, una nuova posizione presentava una pendenza più ripida rispetto a quella per cui il robot era stato testato. Su una superficie piana, raggiungere il limite di corrente potrebbe semplicemente comportare un’accelerazione più lenta. Su una pendenza, invece, raggiungere il limite di corrente potrebbe causare un arresto.
• Quando le macchine invecchiano. L'attrito può aumentare nel tempo, rendendo necessaria una maggiore potenza per ottenere lo stesso risultato.
• Quando il carico cambia. I clienti possono aumentare il carico utile.

Se si aumenta il limite di corrente, assicurarsi che il motore sia in grado di sopportare la corrente aggiuntiva.

Non esagerare con la potenza

Se il limite di corrente viene lasciato al valore nominale dell'azionamento, un azionamento sovradimensionato può erogare una corrente di gran lunga superiore a quella per cui il motore è stato progettato. In tale situazione, è opportuno ridurre il limite di corrente per proteggere il motore, a condizione che quest'ultimo sia stato correttamente dimensionato per l'applicazione.

Nella maggior parte dei casi, una potenza eccessiva non influisce sulle prestazioni, ma può aumentare i costi. Se il sistema utilizza solo 2 A in continuo e al massimo 6 A di picco, non ha davvero senso dotarsi di un servoazionamento con una potenza di 30 A in continuo e 60 A di picco.

Inoltre, un azionamento più potente è solitamente anche più grande, e un azionamento progettato per correnti molto più elevate potrebbe non garantire il controllo preciso della corrente necessario per l'applicazione.

Uno sguardo più attento alla scala attuale

Il circuito di corrente è il circuito più interno e costituisce la base di un sistema ad alte prestazioni. Quando progettiamo i nostri servoazionamenti, adattiamo il feedback di corrente alla potenza nominale del servoazionamento.

Se si considera un azionamento da 50 A, l'intero intervallo di uscita, in questo caso da -50 A a +50 A, deve essere rappresentato con un segnale compreso tra -10 V e +10 V oppure, nel caso di un azionamento digitale, con un numero prestabilito di bit, 2^14 bit, ad esempio. In questo caso, il rapporto di scala sarebbe:

(segnale ±10 V) / (uscita ±50 A) = (intervallo 20 V) / (intervallo 100 A) = 200 mV/A per il segnale analogico, oppure circa 160 bit/A per il segnale digitale

Maggiore è la corrente nominale del servoazionamento, tanto più deve essere ampliata la scala del feedback di corrente.

Poiché il feedback deve coprire un intervallo più ampio, si inizia a perdere risoluzione nel controllo delle correnti basse. Se si ha un’applicazione che richiede una corrente bassa, si otterrà un controllo migliore della corrente scegliendo un servoazionamento con caratteristiche tecniche più vicine a quelle dell’applicazione.

Tensione di alimentazione: tenere conto delle fluttuazioni di tensione

I servoazionamenti hanno un intervallo di tensione di alimentazione, quindi è necessario assicurarsi di poter fornire correttamente tale tensione al servoazionamento. La nostra guida a Scelta di un alimentatore per un servoazionamento spiega in dettaglio come scegliere la taglia.

Regola generale: Ove possibile, è opportuno scegliere una combinazione di alimentatore e servoregolatore che garantisca un margine di almeno 25% tra la tensione dell’alimentatore e sia il limite di sottotensione che quello di sovratensione del servoregolatore.

Perché è importante: Le fluttuazioni di tensione si verificano per una serie di motivi e causano interventi intempestivi sia in caso di sottotensione che di sovratensione.

Quando è utile:

• Quando la tensione di linea all'installazione è diversa dalla tensione di linea dove avete sviluppato la macchina. Le differenze possono essere particolarmente marcate quando si confrontano le tensioni in paesi diversi. Poiché molti sistemi di controllo del movimento utilizzano alimentatori non regolati, qualsiasi variazione della tensione di rete modificherà la tensione fornita al servoazionamento. Per un servoazionamento con tensione nominale compresa tra 20 e 80 V CC, un'alimentazione non regolata a 24 V CC potrebbe risultare troppo bassa in alcune località, mentre un'alimentazione non regolata a 80 V CC potrebbe risultare troppo alta in altre.
• Quando la rigenerazione è un fattore determinante. La rigenerazione è il momento in cui il motore passa dal consumo di potenza alla funzione di generatore. La tensione di rigenerazione può raggiungere valori molto più elevati di quanto la maggior parte delle persone si aspetterebbe, causando interruzioni dovute a sovratensione e, in alcuni casi, persino il danneggiamento dei componenti. La rigenerazione è più intensa nelle applicazioni verticali e durante le decelerazioni brusche.
• Quando le batterie si stanno scaricando. Nel caso di applicazioni alimentate a batteria, è necessario tenere in considerazione il limite di sottotensione e assicurarsi che il servocomando continui a funzionare anche quando la batteria si sta scaricando e si inizia improvvisamente ad assorbire la piena potenza.

Isolamento: assicurati di avere un buon isolamento

Se si utilizza un alimentatore non isolato con un servoazionamento non isolato, al primo avvio la massa flottante dell’alimentatore genera una corrente enorme che attraversa la massa di segnale del servoazionamento e anche quella del controller, causando il guasto del servoazionamento e del computer ad esso collegato.

I tipi più semplici di alimentatori sono costituiti da un raddrizzatore a onda intera e da un condensatore. Forniscono una notevole quantità di energia a basso costo. Inoltre, non sono isolati, il che significa che presentano una massa flottante, in cui il potenziale di tensione tra la massa dell’alimentatore e la massa di terra è diverso, solitamente di oltre 150 V.

La differenza di tensione è molto elevata, quindi l’uso di un resistore di pull-down è fuori discussione. Questo tipo di alimentatori può essere tranquillamente utilizzato con i servoazionamenti a una condizione: i servoazionamenti collegati devono presentare isolamento tra la massa di alimentazione e la massa di segnale.

In un servoazionamento non isolato, la massa di alimentazione e la massa di segnale sono collegate internamente tra loro.

La massa del segnale è collegata anche al controller, alle schede di rete, ai computer, alle alimentazioni logiche e alla schermatura dei cavi, e con tutti questi collegamenti è inevitabile che vi siano molteplici percorsi verso la massa.

Regola generale: Per evitare problemi è necessaria almeno una di queste due cose:

• Un trasformatore di isolamento tra la linea CA e la messa a terra dell'alimentatore, E/O
• Isolamento ottico tra la massa di alimentazione e la massa di segnale del servoazionamento.

Le informazioni dovrebbero essere riportate nella scheda tecnica. Si noti che questa regola non si applica ai sistemi alimentati a batteria né ai servoazionamenti che ricevono alimentazione in corrente alternata direttamente.

Gli alimentatori privi di trasformatore sono più economici e più potenti. Il loro utilizzo è sicuro se il servoazionamento è dotato di isolamento integrato.

I servoazionamenti senza isolamento possono essere più piccoli e meno costosi. Sono sicuri da usare se l'alimentazione ha un trasformatore di isolamento.

Quando è utile: Ogni volta che l'alimentazione proviene da una fonte CA. Prestare particolare attenzione quando si utilizzano alimentatori con tensione di uscita compresa tra 100 e 200 V CC. Gli alimentatori con tensione nominale inferiore a 100 V CC utilizzano solitamente trasformatori step-down per abbassare la tensione; tali trasformatori garantiscono anche l’isolamento. I servoazionamenti progettati per funzionare a tensioni superiori a 200 V CC sono solitamente isolati per motivi di sicurezza e per ridurre il rumore.

Modalità di funzionamento

Il funzionamento del dispositivo determina le modalità di controllo del motore e, di conseguenza, le modalità operative che il servoazionamento deve supportare. Le modalità operative più comuni sono la modalità coppia (corrente), velocità e posizione.

Se si desidera un motore che funzioni a una coppia specificata e che non debba compensare eventuali disturbi esterni, allora la modalità coppia è probabilmente sufficiente. Praticamente tutti i servoazionamenti in commercio dispongono della modalità coppia.

La modalità velocità è disponibile su molti servazionamenti analogici e digitali. Un servazionamento che opera in modalità velocità utilizza un dispositivo di retroazione per monitorare la velocità del motore, in modo da inviare potenza aggiuntiva al motore qualora questo non riesca a raggiungere la velocità target.

Ciò risulta utile in applicazioni quali i sistemi di trasporto, le macchine utensili e la robotica mobile, dove si desidera ottenere le stesse prestazioni indipendentemente dalle variazioni di carico.

La modalità di posizionamento è disponibile su molti servazionamenti digitali. Viene utilizzata quando la posizione del motore è fondamentale per il funzionamento, come nel caso dei robot industriali e delle stampanti 3D. I dispositivi di retroazione di posizione assoluta sono in grado di identificare la posizione effettiva del rotore in qualsiasi momento, indipendentemente dal momento in cui il dispositivo è stato acceso.

I circuiti di regolazione della velocità e della posizione possono invece essere gestiti da un controllore, ma gli azionamenti con modalità velocità e/o posizione possono alleggerire il controllore da questo carico o offrire tali livelli di controllo in applicazioni autonome che non dispongono di un controllore esterno. Se avete bisogno di un servoazionamento in grado di cambiare modalità operativa per diverse attività, gli azionamenti digitali AMC offrono come opzione la commutazione della modalità al volo.

Controllo centralizzato o distribuito (analogico o digitale)

In un sistema di movimento monoasse, la scelta tra un servomotore analogico o digitale potrebbe non fare molta differenza. In un sistema multiasse, invece, la differenza c'è.

Se tutti i comandi provengono da un'unica fonte centralizzata e vengono inviati singolarmente a ciascun azionamento, è possibile configurare il sistema con servoazionamenti digitali o analogici, purché si disponga di un controller potente in grado di gestire la logica.

È inoltre necessario collegare ogni servomotore singolarmente al controller, il che di solito richiede un notevole cablaggio e che tutti i dispositivi siano posizionati abbastanza vicini tra loro. I servomotori analogici di AMC, i Famiglia AxCent, sono progettati per il controllo centralizzato.

Se si desidera distribuire il controllo in tutto il sistema tramite una rete, sarà necessario utilizzare servoazionamenti digitali come quelli di AMC Prestazioni DigiFlex e FlexPro famiglie di azionamenti. Gli azionamenti servo digitali possono alleggerire il carico di elaborazione del controllore grazie all’utilizzo dei propri processori interni e della propria memoria.

Il controllo della posizione può essere ottenuto inviando singoli punti di posizione, in base ai quali il servoazionamento utilizza l'interpolazione lineare per definire il percorso tra i punti (modalità sincrona ciclica), oppure l'interpolazione di terzo ordine (modalità PVT e PV).

Per percorsi di movimento semplici o nei casi in cui il movimento si ripeta sempre, è possibile attivare i movimenti preconfigurati sugli azionamenti tramite semplici comandi provenienti dal controller o da un altro azionamento.

Rete

I servoazionamenti digitali consentono il controllo in rete, permettendo al controllore di inviare i propri comandi in un unico pacchetto lungo una “catena a margherita” di servoazionamenti, anziché inviarli singolarmente a ciascuno di essi. Le reti sono inoltre bidirezionali, consentendo al servoazionamento di inviare informazioni al controllore.

Se la tua applicazione è già configurata per utilizzare una determinata rete, è meglio continuare a utilizzarla, per semplicità.

Per una rete in tempo reale che garantisca la sincronizzazione di tutti i componenti, è consigliabile scegliere un servoazionamento dotato di comunicazione di rete basata su Ethernet, come EtherCAT, Ethernet Powerlink, PROFINET o Ethernet/IP.

Se desideri una rete più tradizionale ed economica, ma comunque affidabile, potresti optare per un servoazionamento CANopen o Modbus.

Dimensioni e fattore di forma

Se un servomotore non entra, non è possibile utilizzarlo. Per applicazioni quali la robotica o i dispositivi portatili, è fondamentale trovare un servomotore che possa essere installato all’interno.

Non è sempre possibile optare per la soluzione più piccola e andare sul sicuro. Le dimensioni vanno generalmente di pari passo con la potenza: più grande è l’azionamento, maggiore è la potenza che può erogare. La tendenza verso soluzioni servo più compatte crea alcune eccezioni a questa regola, come i servoazionamenti di dimensioni micro di ADVANCED Motion Controls, ma la regola generale rimane comunque valida.

Montaggio a pannello I servoazionamenti presentano il tradizionale fattore di forma dei servoazionamenti. Sono dotati di un dissipatore di calore a forma di staffa che serve per fissarli a un quadro elettrico all’interno o all’esterno del dispositivo e sono disponibili in un’ampia gamma di potenze nominali.

Montaggio su PCB I servoazionamenti, noti anche come azionamenti a innesto, rappresentano la scelta ideale quando è necessaria una soluzione integrata più compatta. Questi azionamenti, in genere, si inseriscono direttamente in una scheda di controllo o in una scheda di montaggio dotata di tutti i collegamenti necessari per il motore, la tensione di alimentazione e il feedback. Sono particolarmente diffusi nei dispositivi portatili, nei robot e nei macchinari di piccole dimensioni.

Supporto del veicolo Gli azionamenti servo sono destinati alla robotica mobile, come i veicoli a guida autonoma. Questi azionamenti sono completamente racchiusi in un involucro rigido. Come gli azionamenti da pannello, sono dotati di un grande dissipatore di calore che solitamente viene fissato con bulloni al telaio del dispositivo.

Il fattore di forma non determina le prestazioni di un'unità, ma solo il modo in cui la tecnologia è integrata.

Quando non ci sono trasmissioni standard adatte: trasmissioni modificate e personalizzate

Se nessuna unità soddisfa tutti i requisiti, potrebbe essere necessario modificare il progetto. Se riprogettare non è sufficiente o non è un’opzione praticabile, a questo punto dovresti prendere in considerazione una versione modificata o servoazionamento personalizzato soluzione.

I servoazionamenti modificati possono presentare varie personalizzazioni, quali l’inversione logica, un rivestimento protettivo o persino la serigrafia del proprio logo sull’involucro. Se una modifica non è sufficiente, potrebbe essere necessaria una soluzione di servoazionamento su misura. Le soluzioni su misura sono spesso le più economiche, se si considerano i problemi di integrazione che possono risolvere insieme alle loro funzionalità specifiche per l’applicazione. Oggi, i prodotti personalizzati e quelli modificati rappresentano ciascuno circa un terzo della nostra attività, mentre il restante terzo è costituito da prodotti standard.

Lista di controllo per la scelta dei servoazionamenti

Ogni caso è diverso, quindi, come suggerisce il termine “regola empirica”, nessuna di queste regole è assoluta, tranne una: rivolgetevi sempre all’assistenza tecnica. Online rispondiamo solitamente entro un giorno lavorativo. Al telefono, il nostro personale è a vostra disposizione durante il normale orario di lavoro.

Noi di ADVANCED Motion Controls vi offriamo molto più di servoazionamenti. Ti aiuteremo a scegliere il servoazionamento più adatto alla tua applicazione. Progettiamo e realizziamo servoazionamenti dal 1987, quindi ti invitiamo a mettere a frutto la nostra esperienza per aiutarti.