Panoramica

Panoramica sul controllo del movimento

Cos'è un servo?

Il servocontrollo, che viene anche chiamato "controllo del movimento" o "robotica", viene utilizzato nei processi industriali per spostare un carico specifico in modo controllato. Questi sistemi possono usare una tecnologia di attuazione pneumatica, idraulica o elettromeccanica. La scelta del tipo di attuatore (cioè il dispositivo che fornisce l'energia per spostare il carico) si basa sui requisiti di potenza, velocità, precisione e costo. I sistemi elettromeccanici sono tipicamente utilizzati in applicazioni ad alta precisione, a bassa e media potenza e ad alta velocità. Questi sistemi sono flessibili, efficienti e convenienti. I motori sono gli attuatori utilizzati nei sistemi elettromeccanici. Attraverso l'interazione di campi elettromagnetici, generano potenza. Questi motori forniscono un movimento rotatorio o lineare. Ecco una rappresentazione grafica di un tipico sistema servo:

Questo tipo di sistema è un sistema di feedback, che viene utilizzato per controllare la posizione, la velocità e/o l'accelerazione. Il controllore contiene gli algoritmi per chiudere l'anello desiderato (tipicamente posizione o velocità) e gestisce anche l'interfacciamento della macchina con ingressi/uscite, terminali, ecc. L'azionamento o l'amplificatore chiude il ciclo interno (tipicamente la velocità o la corrente) e rappresenta il convertitore di potenza elettrica che aziona il motore secondo i segnali di riferimento del controllore. Il motore può essere di tipo brushed o brushless, rotativo o lineare. Il motore è l'attuatore elettromagnetico vero e proprio, che genera le forze necessarie per spostare il carico. Elementi di feedback come tachimetri, lvdt, encoder e resolver, sono montati sul motore e/o sul carico per chiudere i vari loop del servo.

ADVANCED Motion Controls progetta e produce servoazionamenti e amplificatori per l'uso in sistemi servo. I servoazionamenti e gli amplificatori sono ampiamente utilizzati nei sistemi di controllo del movimento dove è richiesto un controllo preciso della posizione e/o della velocità. L'azionamento/amplificatore traduce semplicemente i segnali di riferimento a bassa energia dal controllore in segnali ad alta energia per fornire tensione e corrente al motore. In alcuni casi l'uso di un azionamento digitale sostituisce il sistema di controllo controllore/azionamento o controllore/amplificatore. I segnali di comando rappresentano la coppia, la velocità o la posizione del motore e possono essere di natura analogica o digitale. Il comando analogico +/-10 VDC è ancora il segnale di riferimento più comune, ma sta rapidamente cedendo il passo ai comandi di rete digitali.

Controller

Il controllore è il "cervello" di un sistema servo. È responsabile della generazione dei percorsi di movimento e della reazione ai cambiamenti nell'ambiente esterno. I controllori possono essere qualcosa di semplice come un interruttore ON/OFF o un quadrante controllato da un operatore. Possono anche essere complessi come un computer con la capacità di controllare attivamente più assi servo, oltre a monitorare l'I/O e mantenere tutta la programmazione della macchina.

Tipicamente, il controllore invia un segnale all'azionamento; l'azionamento fornisce l'alimentazione al motore; e il feedback dal motore viene inviato di nuovo al controllore e all'azionamento. Anche il feedback dal carico viene inviato al controllore. Il controllore analizza il feedback e corregge gli errori aggiornando il segnale all'amplificatore. Il controller è considerato la parte intelligente del servo, che chiude gli anelli di velocità e/o posizione mentre l'amplificatore chiude l'anello di corrente. Tuttavia, molti amplificatori chiudono gli anelli di velocità e/o di posizione riducendo le richieste di calcolo del controllore.

Forme fisiche di controllori

I controllori sono disponibili in una varietà di forme che le persone scelgono in base al costo, alle prestazioni, alla convenienza e alla facilità d'uso. La maggior parte dei controllori rientrano nella categoria dei microcontrollori, PLC e controllori di movimento. Ognuno è descritto di seguito.

Microcontrollori

Si tratta di un tipo di computer piccolo e a basso costo che esegue un programma memorizzato nella memoria non volatile. La configurazione di un microcontrollore per un sistema richiede generalmente un programmatore esperto, e la chiusura di loop come la posizione e la velocità può essere abbastanza difficile. Spesso, quando si progetta un sistema servo usando un microcontrollore, si avrà l'amplificatore/azionamento che chiude i cicli desiderati, mentre il microcontrollore invia semplicemente particolari comandi all'amplificatore. Questi comandi possono dipendere dagli ingressi nel microcontrollore (sensori, interruttori, ecc.).

PLC

Alla fine degli anni '60, i controllori logici programmabili (PLC) sono stati usati per la prima volta per eliminare la confusione di fili e gli incubi della risoluzione dei problemi associati ai circuiti di relè sequenziali. I PLC possono prendere il posto dei relè meccanici, che hanno una durata di vita limitata. Questi controllori sono più costosi dei microcontrollori, ma con una buona ragione.

I PLC hanno un processore e una memoria che permettono di programmare, salvare ed eseguire i comandi. Ha anche un rack e slot I/O in modo che i moduli I/O possano essere aggiunti al PLC secondo necessità. I moduli possono aggiungere caratteristiche come contatori ad alta velocità, orologi in tempo reale o capacità di servocontrollo.

I vantaggi dei PLC includono l'espandibilità e la resistenza agli ambienti difficili. Il prezzo è generalmente inferiore a quello dei controllori di movimento.

Controllori di movimento

I controller di movimento sono costruiti specificamente per il controllo del movimento (da qui il nome). Perciò i comandi e gli I/O sono specifici per le esigenze di chi lavora nel settore del movimento. A differenza degli altri, i controllori di movimento sono spesso basati su PC, permettendo un'interfaccia utente grafica. Di solito, ci sono caratteristiche avanzate che permettono una facile messa a punto, il rilevamento della commutazione e altre funzioni. Un controllore di movimento, in generale, vi renderà la vita più facile di un PLC o di un microcontrollore. A causa delle caratteristiche aggiunte, sono tipicamente più costosi.

Comando

Il comando è il segnale che viene inviato dal controllore al servoazionamento.

I servoazionamenti digitali possono essere controllati su varie reti tra cui CANopen, Ethernet, EtherCAT, Ethernet Powerlink, Synqnet, USB, RS232 e molte altre che permettono di controllare il motore collegando l'amplificatore direttamente (o quasi) a un computer. I segnali di rete hanno il vantaggio di poter comunicare più del semplice comando di uscita, compreso lo stato degli I/O, lo stato del drive, le informazioni di posizione e altro ancora.

I servoazionamenti analogici sono controllati con segnali analogici +/-10V e segnali PWM e di direzione.

Guida

Il servoazionamento è il collegamento tra il controllore e il motore. Chiamati anche servoamplificatori, il loro compito è quello di tradurre i segnali di riferimento a bassa energia dal controllore in segnali di potenza ad alta energia per il motore. In origine, i drive erano semplicemente lo stadio di potenza che permetteva a un controller di pilotare un motore. Hanno iniziato come modelli a un solo quadrante che alimentavano motori brushed. Più tardi hanno incorporato capacità a quattro quadranti e la capacità di alimentare motori brushless. Quattro quadranti significa la capacità di pilotare e rigenerare un motore in entrambe le direzioni.

La tendenza attuale è quella di aggiungere più funzioni e capacità agli azionamenti. Oggi ci si aspetta che gli azionamenti gestiscano tutti i feedback del sistema, compresi gli encoder, i resolver e i tachimetri, così come i finecorsa e altri sensori. Agli azionamenti viene anche chiesto di chiudere l'anello di coppia, l'anello di velocità e l'anello di posizione e viene data la responsabilità della generazione del percorso. Man mano che la linea tra il controllore e l'azionamento si confonde, l'azionamento assumerà molte delle funzioni di controllo più complesse che prima erano dominio esclusivo del controllore.

Il futuro della tecnologia degli azionamenti continuerà a basarsi sulle richieste dell'industria del controllo del movimento. Queste richieste includono:

• Maggiore larghezza di banda per aumentare la produttività
• Maggiore velocità e controllo della posizione per consentire una produzione più intricata e miniaturizzata
• Maggiore capacità di rete per coordinare strettamente gli assi all'interno di una macchina e coordinare le macchine all'interno di una fabbrica
• Funzionamento semplificato, facile da usare e universale

Motore

Il motore converte la corrente e la tensione provenienti dall'azionamento in movimento meccanico. La maggior parte dei motori sono di tipo rotativo, ma sono disponibili anche motori lineari. Ci sono molti tipi di motori che possono essere usati nelle applicazioni servo.

La seguente lista di tipi di motori si trova comunemente nelle applicazioni servo.

Monofase

I motori monofase hanno due fili di alimentazione e sono molto facili da installare. I motori in questa categoria possono includere motori spazzolati, carichi induttivi e bobine vocali. Gli amplificatori progettati per i motori spazzolati sono tipicamente usati per pilotare carichi monofase, anche se la maggior parte degli azionamenti trifase di AMC può anche far funzionare questi motori.

Spazzola

Il motore monofase più comune. Le spazzole sono una forma di commutazione meccanica che dirige la corrente nelle bobine giuste al momento giusto.

Attuatore lineare

Gli attuatori lineari utilizzano un motore rotativo accoppiato a un riduttore per spostare un albero lineare dentro e fuori. Il motore nell'attuatore è spesso un motore spazzolato.

Bobina di voce

Una bobina vocale è concettualmente simile a un altoparlante audio. Il movimento è lineare e di solito è limitato a meno di 0,5" (13mm) di corsa. Molte applicazioni di bobine vocali richiedono un servoazionamento ad alte prestazioni e ADVANCED Motion Controls è spesso la prima scelta.

Cuscinetto magnetico

I cuscinetti magnetici fanno galleggiare un albero rotante su un cuscino magnetico controllato con dei servi. Sono utilizzati quando è richiesto un basso attrito o quando le velocità dell'albero sono troppo alte per i cuscinetti convenzionali. I cuscinetti magnetici usano elettromagneti per far levitare l'albero rotante in modo che nulla lo tocchi fisicamente. Un tipico sistema di cuscinetti magnetici richiederà 4 o 5 azionamenti - una x e una y su ogni lato dell'albero rotante e un cuscinetto di spinta opzionale per evitare che l'albero fluttui dentro e fuori. I requisiti di prestazione degli azionamenti possono essere estremamente elevati a causa della natura dinamica del sistema.

Carico induttivo

I carichi induttivi sono spesso utilizzati da università e scienziati per creare campi magnetici per i loro esperimenti. ADVANCED Gli azionamenti Motion Controls hanno controllato con successo carichi induttivi con meno di 80uH di induttanza fino a oltre 1H (1.000.000uH) di induttanza. Ci sono considerazioni speciali per l'energia immagazzinata in un grande induttore, e il nostro dipartimento di supporto tecnico sarà felice di discuterne per quanto riguarda il vostro progetto.

Trifase

Rotary senza spazzole

I servomotori brushless a magneti permanenti hanno una maggiore densità di potenza, una migliore dissipazione del calore e richiedono meno manutenzione dei motori brushed. I motori brushless possono essere un po' più difficili da configurare a causa del maggiore cablaggio, quindi la nostra linea digitale rende le cose più facili automatizzando il processo di commutazione.

Lineare

La costruzione di un motore lineare è la stessa di un motore rotativo ma aperta e appiattita. La configurazione di un azionamento per un motore lineare è identica alla configurazione di un azionamento per un motore rotativo. I motori lineari sono utilizzati in applicazioni di azionamento diretto dove i requisiti di velocità e di precisione sono superiori a quelli che un motore rotativo e una vite a ricircolo di sfere possono fornire.

Considerazioni sul carico

Le considerazioni sul carico dovrebbero includere l'oggetto che viene spostato, le parti in movimento nella macchina e tutto ciò che può causare instabilità indesiderate come i giunti e il gioco. La massa totale delle parti in movimento nella macchina ha un'inerzia che si riflette sul motore. I punti di attrito come quelli degli stadi lineari e dei cuscinetti si aggiungono al carico del motore. Gli accoppiamenti flessibili aggiungeranno risonanze che devono essere considerate.

Feedback

Nei moderni sistemi di controllo, i dispositivi di feedback vengono utilizzati per garantire che il motore o il carico raggiunga la posizione o la velocità comandata. I servoamplificatori e i controllori usano questo feedback per determinare quanta corrente fornire al motore in qualsiasi momento, in base alla sua posizione e velocità attuali rispetto a dove deve essere. Ci sono due tipi principali di feedback, assoluto e relativo (noto anche come "incrementale").

Feedback assoluto

I dispositivi assoluti forniscono una posizione definitiva all'interno di un intervallo specificato all'accensione (cioè senza una routine di homing).

Feedback relativo (incrementale)

Questi dispositivi forniscono solo aggiornamenti incrementali della posizione. Per conoscere la posizione del motore o del carico, il feedback incrementale deve essere usato insieme a qualche tipo di feedback assoluto (un finecorsa, per esempio) per determinare la posizione iniziale. Una volta che la posizione iniziale è nota, il feedback relativo può fornire informazioni sulla posizione in tutta la gamma di movimento.

All'interno di questi due tipi generali di feedback, ci sono molti dispositivi di feedback diversi. Ecco alcuni dei dispositivi più comunemente usati nel controllo del movimento.

Tipi di feedback

Encoder in quadratura

Gli encoder sono il dispositivo di feedback di posizione più diffuso nel controllo del movimento. Gli encoder lineari possono arrivare a risoluzioni inferiori al micron e gli encoder rotativi possono avere risoluzioni superiori a 100.000 conteggi per giro. Questi sono dispositivi di feedback relativi.

Encoder sinusoidale

Gli encoder sinusoidali usano onde sinusoidali al posto delle onde quadrate viste sugli encoder in quadratura. Questo permette di interpolare i conteggi intermedi dell'encoder per oltre 1024 volte. Sono possibili risoluzioni di oltre 4 milioni di conteggi per risoluzione. Questi sono dispositivi di feedback relativi.

Encoder assoluto sinusoidale

Questi utilizzano gli stessi encoder sinusoidali di cui sopra in aggiunta a un dispositivo meccanico o un circuito elettrico che può mantenere le informazioni di posizione assoluta su molte migliaia di giri. Questi dispositivi trasferiscono le informazioni di posizione su un protocollo seriale come: Hiperface^®, EnDat^® e BiSS.

Sensori di Hall

Questo è un feedback a bassa risoluzione che è spesso necessario per il controllo della commutazione. Può anche essere usato per il feedback di velocità a velocità più elevate. Questi forniscono 6 unità di feedback assoluto all'interno di ogni ciclo elettrico.

Resolver

Un resolver è essenzialmente un trasformatore rotante. Questo feedback è capace di risoluzioni superiori a 16 bit. I resolver sono il feedback di scelta per gli ambienti ad alta temperatura e ad alta vibrazione. Questi forniscono un feedback assoluto entro una rivoluzione.

Profili di movimento

Lo scopo di tutti i servosistemi è quello di spostare un certo tipo di carico. Il modo in cui il carico viene spostato è noto come profilo di movimento. Un profilo di movimento può essere semplice come un movimento dal punto A al punto B su un singolo asse, o può essere un movimento complesso in cui più assi devono muoversi con precisione in coordinamento. Un esempio di profilo è mostrato nella Figura 1. La distanza totale percorsa, D, si trova calcolando l'area sotto la curva. T è il tempo totale richiesto per lo spostamento. La pendenza della curva di velocità rappresenta l'accelerazione o la decelerazione in quel particolare istante. Ci sono diversi tipi di profili di movimento usati con i sistemi di servocontrollo. I più spesso usati sono Velocità costante, Trapezoidale, e Curva a S profili di movimento.

Cose da ricordare:

• Velocità proporzionale a 1/T
• Accelerazione proporzionale a 1/T²
• Potenza (picco) proporzionale a 1/T³

Le implicazioni dell'ultimo punto sono profonde. Per esempio, se avete un sistema esistente e volete che le mosse siano completate due volte più velocemente, il sistema richiederà 8 volte la potenza!

Velocità costante

Questo profilo di movimento mantiene una velocità costante tra i punti (vedi figura 2a). Questo è il profilo di movimento più elementare perché viene usato solo un comando di velocità.

La velocità costante sarebbe usata in qualcosa come un trasportatore o un ventilatore.

Le macchine di posizionamento di precisione non usano il profilo di velocità costante perché una macchina del mondo reale non può cambiare la velocità istantaneamente. Ci sarà un ritardo che fluttuerà con i cambiamenti nel carico e nel sistema. Nella figura 2B, la linea tratteggiata rappresenta il percorso reale della velocità che il carico prenderà. Ta e Td rappresentano il tempo necessario per accelerare e decelerare. Questi tempi possono variare con le fluttuazioni del carico.

Trapezoidale

Il profilo di movimento trapezoidale inclina la curva di velocità per creare tassi di accelerazione e decelerazione prevedibili. Un profilo di movimento trapezoidale è mostrato nella figura 3. Il tempo di accelerazione e decelerazione è preciso e ripetibile. Ta e Td esistono ancora, ma ora sono valori specificati invece di valori casuali.

• Se ta = td = T/3 per un profilo di movimento trapezoidale, la potenza complessiva utilizzata è minima
• L'errore di overshoot esiste ancora per un movimento trapezoidale, ma questo errore è trascurabile per molti sistemi.
• Le macchine di maggiore precisione richiedono un profilo di movimento diverso.

Curva a S

Il profilo di movimento della curva a S permette un cambiamento graduale dell'accelerazione. Questo aiuta a ridurre o eliminare i problemi causati dall'overshoot, e il risultato è una vibrazione meccanica molto minore vista dal sistema. I punti di accelerazione minima si verificano all'inizio e alla fine del periodo di accelerazione, mentre l'accelerazione massima si verifica tra questi due punti. Questo dà un profilo di movimento che è veloce, accurato e regolare.

Calcoli di coppia e potenza

Partendo dal profilo di velocità, il profilo di coppia può essere derivato prendendo la derivata della velocità. Una pendenza positiva nel profilo di velocità sarà una coppia positiva e una pendenza negativa sarà una coppia negativa. La ripidità della pendenza corrisponde alla grandezza della coppia.

Poi la curva di potenza può essere derivata moltiplicando la curva di velocità con la curva di coppia (coppia x velocità = potenza).

Progettare un sistema

Le informazioni all'interno di questi tre profili sono il fondamento della progettazione del sistema.

• Dai profili di velocità e di coppia è possibile restringere la selezione dei motori ai modelli che sono in grado di fornire la coppia e la velocità richieste
  • Sulla base dei dati del motore (Kt - costante di coppia, Kv - costante di tensione, Rm resistenza del motore) è possibile determinare i requisiti di corrente e tensione del sistema
    • Dalla coppia di picco si può calcolare la corrente di picco (I). I = T / Kt
    • Dalla velocità di picco si può calcolare la tensione di picco (V). V = Velocità * Kv + I * Rm
• Quando i requisiti di corrente e tensione sono noti, è possibile selezionare un servoazionamento

Più equazioni

• La coppia è proporzionale alla corrente.
• Coppia*Velocità = Potenza
• KT = Costante di coppia (lb-in/A)
• La coppia RMS è importante per l'alimentazione e le considerazioni termiche.