Nozioni di base sul servoazionamento

"Progettiamo e costruiamo servoazionamenti per sistemi di controllo del movimento".

Questa è una risposta che potremmo dare quando qualcuno chiede "Cosa fa ADVANCED Motion Controls?".

Per alcune persone, questo è tutto ciò che hanno bisogno di sapere. Per altri, potrebbe sollevare più domande che risposte. Dobbiamo ricordare che non tutti hanno un background nel controllo del movimento, o nell'elettronica, o anche nella scienza e nell'ingegneria.

Quindi andremo oltre le basi dei servoazionamenti a diversi livelli tecnici in modo che chiunque e tutti possano avere una certa comprensione di ciò che facciamo. Potete fermarvi quando vi sentite a vostro agio.

Le basi del servoazionamento spiegate a un bambino di 5 anni

I servoazionamenti sono come piccoli computer che inviano elettricità ai motori e li fanno girare in tondo.

Copia dello schizzo del servoazionamento e del motore

Le basi del servoazionamento spiegate a un bambino di 12 anni

Seguito finora? Spero di sì. Entriamo un po' più in dettaglio.

I servoazionamenti sono dispositivi elettronici fatti di circuiti stampati, microchip, fili e connettori. Sono collegati ai motori elettrici per controllare la rotazione del motore. Possono fare in modo che il motore acceleri, rallenti, si fermi o addirittura vada all'indietro in qualsiasi momento.

Lo fanno controllando e dirigendo il flusso di elettricità attraverso i fili del motore. Senza un servoazionamento, un motore potrebbe girare in modo incontrollato o non girare affatto.

Alcuni servoazionamenti controllano piccoli motori, come nell'articolazione del gomito del braccio di un robot. Altri servoazionamenti controllano grandi motori, come nei macchinari pesanti o nelle ruote di un veicolo elettrico. I motori più potenti hanno bisogno di servoazionamenti più potenti.

Nozioni di base sui servoazionamenti spiegate a uno studente di fisica delle superiori

Speriamo che siate ancora tutti con noi, ma qui è dove comincia a diventare un po' più tecnico.

Come funzionano i servoazionamenti e cosa fa girare il motore?

Guidare il motore

Come gira un motore?

Un motore elettrico ha due parti principali: un rotore che gira ed è attaccato all'albero, e uno statore che rimane fermo ed è attaccato al telaio. Uno di questi componenti avrà magneti regolari, e l'altro ha avvolgimenti di filo o "elettromagneti" che possono essere accesi facendo passare la corrente elettrica.

Accendendo e spegnendo i diversi avvolgimenti in successione, si può ottenere un effetto magnetico rotante. Questo spinge contro i magneti regolari e fa girare il rotore.

I motori spazzolati hanno gli avvolgimenti nel rotore e i magneti nello statore, mentre i motori senza spazzole hanno gli avvolgimenti nello statore e i magneti nel rotore.

In entrambi i casi, la quantità di corrente attraverso gli avvolgimenti controlla la quantità di coppia (quanto forte gira), mentre la tensione controlla la velocità del motore (quanto velocemente gira). Regolando la corrente e la tensione fornita, il servoazionamento controlla la coppia, la velocità e la posizione dell'albero motore.

Motore senza spazzole a 3 fasi

In un motore senza spazzole, gli elettromagneti nello statore si accendono e si spengono per far ruotare il rotore magnetico.

Comando e controllo

Controllore della macchina

Un grande controllore

Ma come si fa a dire al servoazionamento a quale coppia, velocità e posizione puntare? È facile. Basta usare un controller, che può essere qualcosa di semplice come un quadrante o complicato come un computer.

Il controllore invia un segnale (un piccolo, ma specifico impulso di tensione) all'ingresso di comando del servoazionamento. Il servoazionamento quindi amplifica essenzialmente il segnale alla corrente o alla tensione desiderata per il motore.

Servoazionamento Alimentazione

Un esempio di un alimentatore che si inserisce in una presa a muro.

Naturalmente, la legge di conservazione dell'energia ci dice che l'energia non può essere creata dal nulla.

Quindi da dove viene questa potenza amplificata?

Il servoazionamento è collegato a una sorta di alimentatore (una batteria o un dispositivo che si inserisce) che fornisce una tensione costante. Il servoazionamento prende quindi questa tensione di alimentazione e invia energia al motore come necessario in base al segnale di comando.

Feedback

Se state tenendo il conto, finora abbiamo parlato di 3 componenti principali a cui sono collegati i servoazionamenti: Gli avvolgimenti del motore, il controller e l'alimentazione. Ma c'è un 4° elemento a cui sono collegati i servoazionamenti che li rende così efficaci: Il dispositivo di feedback del motore.

Feedback del tachimetro

I guidatori usano il tachimetro per avere un feedback mentre sono sulla strada... o almeno i guidatori responsabili lo fanno.

Come esseri umani, usiamo continuamente dispositivi di feedback. Il tachimetro della nostra auto ci dice a che velocità stiamo andando, così sappiamo se accelerare o rallentare. Un termometro da cucina ci fa sapere quando la nostra carne è quasi pronta. Un manometro ci fa sapere quando il pneumatico di una bicicletta ha bisogno di più o meno aria. Un sondaggio di feedback dei clienti dice a un'azienda dove devono fare degli aggiustamenti. Il feedback rende molto più facile intraprendere azioni correttive.

La maggior parte dei servomotori sono dotati di un qualche tipo di dispositivo di feedback, come un encoder, che può essere collegato direttamente a un servoazionamento.

Avere un anello di feedback permette al servoazionamento di fare correzioni in tempo reale alla corrente e alla tensione che sta inviando al motore. Questo assicura che il motore giri con la coppia desiderata, alla velocità desiderata e nella posizione desiderata, indipendentemente dalle interferenze.

Dispositivo di feedback dell'encoder incrementale

Un encoder incrementale è un comune dispositivo di feedback utilizzato nei motori per tracciare il movimento di rotazione.

Per esempio, diciamo che una forza esterna inizia ad agire sull'albero del motore, facendolo rallentare rispetto alla velocità desiderata. Il segnale di feedback del motore indica la velocità reale del motore. Il servoazionamento confronta quindi la velocità reale con la velocità target e aumenta la potenza fornita al motore per compensare fino a raggiungere la velocità corretta.

Questo è analogo a quando state usando il cruise control in un'automobile e iniziate a salire una collina. Senza toccare nulla, il computer dell'auto fa tutti i cambiamenti necessari per mantenere l'auto alla stessa velocità nonostante la pendenza. In un servoazionamento, tutto questo avviene più velocemente di quanto l'uomo possa percepire, con migliaia di regolazioni al secondo.

Nozioni di base sui servoazionamenti spiegate a uno studente di ingegneria di livello universitario

Va bene smarty pants, vuoi la roba buona? Ecco a voi.

Fino ad ora, abbiamo visto i servoazionamenti come piccole scatole magiche con elettricità e fili che entrano ed escono. Sappiamo cosa fanno, ma non come lo fanno. Diamo un'occhiata a ciò che accade realmente all'interno.

Loop di feedback negativo

I servoazionamenti sono spesso conosciuti come servoamplificatori perché, in fondo, è quello che fanno. Amplificano un segnale di comando. Ma è lo sviluppo del controllo basato sul feedback che li rende dispositivi più sofisticati e utili.

Come abbiamo detto, i servoazionamenti utilizzano anelli di feedback per correggere gli errori.

Nel controllo del movimento e nella maggior parte degli altri processi di controllo, gli errori vengono corretti utilizzando anelli di feedback negativo.

In un ciclo di feedback negativo, il segnale di uscita del sistema (dal valore misurato) viene sottratto dall'ingresso di riferimento del sistema (il valore target) per creare il nuovo valore di ingresso (il segnale di errore).

Date un'occhiata a questo semplice schema a blocchi.

Semplice ciclo di feedback negativo

Un semplice ciclo di feedback negativo.

Diciamo per esempio che il vostro obiettivo è 5 e il vostro valore misurato è 3. Il segnale di errore finirà per essere +2. Se il vostro obiettivo è 5 e il valore misurato è 7, allora il segnale di errore è -2.

Quindi, se l'uscita di un sistema è troppo alta, il segnale di errore sarà negativo e il sistema risponderà in direzione negativa per abbassare l'uscita. Se l'uscita del sistema è troppo bassa, l'errore sarà positivo, e il sistema risponderà in direzione positiva per portare l'uscita in alto.

Questo processo si ripete continuamente, mantenendo l'errore il più vicino possibile allo zero.

Questo feedback negativo è essenziale. Se il feedback fosse positivo (in altre parole, se si aggiungesse il valore misurato all'obiettivo piuttosto che sottrarlo), un sistema che va troppo veloce compenserebbe andando ancora più veloce o un sistema che va troppo lento si fermerebbe o alla fine andrebbe in retromarcia.

Quasi tutti i servoazionamenti sono in grado di chiudere il loop di corrente, ma altri possono chiudere anche il loop di velocità e persino quello di posizione. Se un sistema ha un servoazionamento che può chiudere solo il loop di corrente, ma la macchina ha bisogno di chiudere anche i loop di velocità e di posizione, allora questi loop aggiuntivi dovranno essere chiusi dal controllore.

Guadagni

Il segnale di errore passa attraverso i "guadagni" del sistema, cioè il passo di amplificazione che prende l'input del sistema per produrre l'output del sistema. In alcuni sistemi, questo è un semplice guadagno proporzionale.

Pensiamo a questo come ad una configurazione di microfono e altoparlanti. Se parli nel microfono, la tua voce viene amplificata. Se stai parlando ad una folla di 20 persone in un auditorium scolastico, allora potresti avere solo un piccolo guadagno che ti fa suonare due o tre volte più forte di quanto sei realmente. Ma se state parlando a una folla di centinaia di persone in un evento all'aperto, allora avrete bisogno di un guadagno molto più grande in modo che tutti possano sentirvi, quindi potreste avere il sistema che rende la vostra voce oltre dieci volte più forte. In entrambi i casi, più forte si parla nel microfono, più forte sarà il suono che esce.

Loop di feedback del motore del servoazionamento con guadagni

Un anello di feedback di base in un sistema di controllo del movimento con un servoazionamento. Il servoazionamento compila il segnale di errore e poi lo "amplifica" per ottenere l'uscita del servoazionamento.

Così, in un'applicazione di servoazionamento, si potrebbe avere una costante di guadagno proporzionale di 5 A/V dove 1V in ingresso produce un'uscita di 5A, 2V in ingresso produce un'uscita di 10A, ecc.

In un'altra applicazione, si potrebbe avere una costante di guadagno proporzionale di 10 A/V dove 1V in ingresso produce un'uscita di 10A, 2V in ingresso produce un'uscita di 20A, ecc.

Controllo PID

Per alcuni processi, un guadagno proporzionale è sufficiente per il controllo. Ma per la maggior parte dei processi, come la robotica, si desidera un controllo più preciso. Uno degli schemi di controllo più diffusi è il controllo (Proporzionale, Integrale, Derivativo).

Nel PID, si ha un guadagno proporzionale moltiplicato per il valore attuale dell'errore, ma si ha anche il guadagno integrale moltiplicato per l'accumulo dell'errore nel tempo (integrale) e il guadagno derivativo moltiplicato per il cambiamento dell'errore nel tempo (derivato). Questo si traduce quasi sempre in una correzione dell'errore molto più precisa, riducendo problemi come l'overshoot e l'oscillazione.

Loop di feedback del motore del servoazionamento con controllo PID

Un anello di feedback di base in un sistema di controllo del movimento con un servoazionamento con controllo PID.

Le basi del servoazionamento spiegate al progettista del sistema

Congratulazioni, se siete arrivati fin qui. Ora guardiamo oltre la semplice combinazione controllore-azionamento-motore e vediamo come i servoazionamenti si inseriscono in un sistema completo di controllo del movimento.

Livelli di potenza

Non tutti i servoazionamenti sono creati uguali. Ogni servoazionamento ha una tensione operativa nominale e una corrente massima di picco e continua. Mentre molti progressi sono stati fatti per aumentare la densità di potenza (specialmente negli ultimi anni con la nostra famiglia di azionamenti FlexPro), i servoazionamenti più grandi sono di solito più potenti e hanno una risoluzione inferiore di controllo della corrente.

Forse un bambino di 5 anni potrebbe capirlo, ma per sicurezza, non cercate di alimentare un minuscolo motore da 5 amp con un ingombrante servoazionamento da 80 amp e non cercate di far funzionare un pesante motore da 80 amp con un minuscolo servoazionamento da 5 amp.

Servoazionamento di base per montaggio a pannello

Servoazionamento a pannello

Fattore di forma

I servoazionamenti sono disponibili in varie forme e dimensioni, alcuni più adatti a diverse applicazioni.

Montaggio a pannello

I servoazionamenti a pannello hanno una piastra di base in metallo e una copertura in plastica o metallo sottile che racchiude il PCB.

I fori o le tacche nella piastra di base sono usati per montare i drive su una superficie piana usando bulloni o viti.

Questi sono la forma tradizionale di servoazionamenti, tipicamente utilizzati nei macchinari.

Montaggio su PCB

Servoazionamento FlexPro

Servoazionamento con montaggio su scheda

I servoazionamenti montati su PCB sono fatti senza alcun involucro o rivestimento. Sono progettati per essere montati direttamente su un'altra scheda di circuito usando dei perni o delle saldature, in modo simile a come potrebbe essere attaccato un sottocomponente.

Questi sono molto compatti e offrono una connettività affidabile, ma sono meno protetti dagli elementi. Sono spesso utilizzati nella robotica fissa e mobile.

I drive montati su PCB sono a volte inseriti in una scheda di montaggio per offrire connessioni più tradizionali con fili e cavi pur mantenendo la loro natura compatta. Questo può far risparmiare al progettista della macchina la fatica di progettare un PCB con i connettori a pin esatti da abbinare all'unità.

Servoazionamento per il montaggio su veicolo

Supporto del veicolo

I servoazionamenti per il montaggio su veicolo sono strettamente racchiusi da un guscio di plastica spessa e da una piastra di base pesante. I capicorda a vite sono usati per permettere un'alta corrente. Come implica il nome, sono utilizzati in applicazioni mobili.

Indipendentemente dal fattore di forma, le prestazioni funzionano tutte allo stesso modo. La differenza ha più a che fare con la facilità di installazione per diverse industrie e diverse applicazioni.

Reti

In robot, veicoli mobili, macchine e altri sistemi di controllo del movimento, è probabile che ci sia più di un asse di movimento. Questo significa più di un motore, che tipicamente significa più di un servoazionamento. Il controllore deve inviare i comandi a tutti questi servoazionamenti.

Ci sono due modi in cui il controllore può gestire questo. Con i servoazionamenti analogici, è necessario uno schema di controllo centralizzato in cui il controllore è collegato individualmente ad ogni servoazionamento.

Servoazionamenti della rete della macchina

Avere i servoazionamenti su una rete semplifica il cablaggio. I dati e i comandi possono fluire lungo un singolo bus di rete verso ogni nodo, quindi il controllore non ha bisogno di una connessione diretta a ciascuno di essi.

Con i servoazionamenti digitali, tuttavia, uno schema di controllo distribuito è reso possibile dall'uso di una rete. Una rete incatena insieme i servoazionamenti. Messaggi o pacchetti di dati possono essere inviati attraverso la rete e i servoazionamenti risponderanno ai dati che sono indirizzati a loro.

Esiste una varietà di protocolli di rete diversi. Le reti in tempo reale come EtherCAT o EtherNet/IP permettono tempi di risposta incredibilmente veloci, inviando aggiornamenti in meno di un millisecondo. Altre reti come CANopen o ModBus non sono così veloci, ma sono più facili e meno costose da implementare.

Ogni ADVANCED Il modello di servoazionamento digitale di Motion Controls è progettato per un protocollo di rete specifico, con molte opzioni disponibili, compresa la dogana.

 

Altri tipi di motori

Come i telefoni cellulari si sono evoluti ben oltre il semplice fare telefonate, i servoazionamenti possono fare molto di più al giorno d'oggi che far funzionare i servomotori.

Oltre ai servomotori standard brushed e brushless, i servoazionamenti possono anche essere usati per controllare motori lineari, motori passo-passo bifase e trifase, motori a induzione AC, bobine vocali e altro.

Diagramma del motore lineare

Un motore lineare è elettricamente analogo a un servomotore brushless "srotolato", quindi è facilmente controllato da servoazionamenti digitali.

Anche se il vostro sistema ha più tipi di motori, è molto probabile che possiate controllarli tutti usando lo stesso o modelli simili di servoazionamento, semplificando il vostro progetto.

I/O

La funzionalità I/O (Input/Output) è usata nei servoazionamenti digitali per permettere loro di scambiare segnali alti/bassi con altri dispositivi nel sistema. Questi dispositivi possono essere sensori di temperatura, finecorsa, sensori di pressione o anche altri servoazionamenti.

L'uso degli I/O può essere ottimo per permettere al servoazionamento di controllare funzioni semplici sulla macchina e togliere il carico dal controllore e/o dalla rete.

Isolamento

O i vostri servoazionamenti o il vostro alimentatore avranno bisogno di un isolamento elettrico. Altrimenti, potreste ritrovarvi con una massa fluttuante che finisce per friggere i vostri servoazionamenti e altri componenti del sistema. Avete bisogno di servoazionamenti con isolamento ottico incorporato o di alimentatori con un trasformatore di isolamento. Le eccezioni a questa regola sono i sistemi alimentati a batteria e i sistemi con servoazionamenti che sono progettati per prendere direttamente la corrente alternata.

Bonus: Fondamenti di servoazionamento per filosofi

Se un servoazionamento è un dispositivo che spinge corrente e tensione a un motore, allora se lo si scollega dal sistema, è ancora un servoazionamento?

 

da Jackson McKay, ingegnere di marketing

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