Non tutti i tipi di servomotori sono uguali: sono disponibili in un'ampia gamma di forme e dimensioni, e ogni tipo è adatto a diverse applicazioni.
Forse la gamma di forme non è così ampia, poiché tutte tendono ad avere una forma approssimativamente cilindrica o rettangolare, a seconda che siano rotanti o lineari.
Ma i servomotori sono disponibili in un'enorme varietà di dimensioni e tipi e, soprattutto, si differenziano per il loro funzionamento dal punto di vista elettromeccanico.
Qual è il tipo di servomotore più adatto al vostro caso specifico? Continuate a leggere per maggiori informazioni.
Che cos'è un servomotore?
I normali motori elettrici (come i motori a corrente alternata presenti nei ventilatori da tavolo) funzionano eccitando una serie di bobine situate in uno statore, che producono un campo magnetico che interagisce con un rotore, producendo un movimento rotatorio in un albero.
In termini di controllo, non sono dispositivi particolarmente intelligenti e sono generalmente ad anello aperto, con i controlli più elementari (come un potenziometro) per la regolazione della velocità.
In generale, un motore elettrico medio di questo tipo non è in grado di effettuare il controllo di posizione, necessario nei sistemi avanzati di controllo del movimento.
Se si desidera un elevato livello di controllabilità in un motore elettrico, è necessario investire in un servomotore di qualche tipo.
Mentre i principi di come il movimento in un servomotore La generazione di energia elettrica rimane in gran parte la stessa di un normale motore elettrico, ma l'aggiunta di sistemi di retroazione consente al sistema di monitorare le sue uscite in termini di velocità, coppia e posizione.
La retroazione si ottiene mediante un sensore (come un encoder o un resolver) all'interno del motore, che rileva lo stato dell'hardware e invia un segnale a un servoazionamento o a un controllore, che verifica che l'uscita misurata corrisponda al valore comandato. Il controllore elabora quindi il segnale, corregge l'eventuale deviazione (errore) e regola di conseguenza il funzionamento del motore.
La correzione viene eseguita utilizzando algoritmi di controllo come il controllo PID (Proporzionale-Integrale-Derivativo), che consente un funzionamento stabile e preciso del motore (e di qualsiasi cosa il motore stia azionando).
Si tratta di un sistema di controllo ad anello chiuso ed è questo il punto cruciale che differenzia un servomotore da un motore tradizionale con controllo ad anello aperto.
Quali sono i diversi tipi di servomotori?
I servomotori possono essere suddivisi in due categorie in base al loro movimento. Si tratta dei servomotori lineari e dei servomotori rotativi. I servomotori lineari e rotativi sono disponibili in diverse varianti.
In particolare, questi gusti possono essere ulteriormente suddivisi in base al tipo di corrente (CC o CA), al tipo di commutazione (brushed o brushless) o al tipo di controllo (passo-passo o induzione).
Vediamo nel dettaglio cosa definisce questi tipi di motore.
Servomotori lineari
I servomotori lineari, come suggerisce il nome, forniscono un movimento traslazionale (avanti e indietro o da un lato all'altro) senza la necessità di hardware aggiuntivo, come viti, ingranaggi o cinghie.
Il movimento è ottenuto grazie a un componente chiamato "primario" (noto anche come "forzante" o "statore") contenente avvolgimenti di bobine allineati su un percorso rettilineo, che si magnetizzano quando viene applicata la corrente.
Le bobine magnetizzate interagiscono quindi con una serie di magneti permanenti situati nel "secondario" (chiamato "binario" o "piastra"), producendo una forza di Lorentz e guidando così la forzatrice lungo il binario. Questo è il movimento lineare.
Caratteristiche:
- I servomotori lineari sono altamente precisi, in grado di garantire un'accuratezza di posizionamento fino a livelli inferiori al micron.
- Grazie al funzionamento a trasmissione diretta, sono altamente efficienti con perdite di energia minime.
- Sono in grado di rispondere rapidamente in termini di accelerazione e decelerazione, il che li rende ideali per le applicazioni dinamiche.
Vantaggi:
- I servomotori lineari sono in grado di eseguire un movimento lineare diretto e non richiedono hardware aggiuntivo. Questo li rende leggeri e richiedono una manutenzione minima.
- Sono fluidi e silenziosi, grazie all'assenza di contatto tra le parti in movimento. Ciò significa anche che non c'è gioco, come in una configurazione basata su viti di piombo.
- I servomotori lineari hanno un elevato grado di scalabilità, il che significa che possono essere progettati per fornire il movimento su distanze lunghe e brevi.
Applicazioni:
- Sistemi pick and place, macchine di misura a coordinate, sistemi ottici, automazione di laboratorio.
Servomotori rotativi
La maggior parte dei servomotori utilizzati nelle applicazioni commerciali e industriali sono rotativi.
Sono disponibili sia in corrente alternata che in corrente continua e generalmente utilizzano un encoder per fornire un feedback al controllore/azionamento. Il movimento è creato da un sistema di statore e rotore.
I servomotori rotativi possono essere utilizzati anche come parte di sistemi lineari, mediante l'impiego di viti a ricircolo di sfere o di viti di trazione, per convertire il moto rotatorio in moto lineare.
Tuttavia, ai fini di questo articolo, considereremo i servomotori lineari in termini di unità autonome che creano un movimento lineare senza la necessità di hardware aggiuntivo.
Caratteristiche:
- I servomotori rotativi si distinguono per l'elevato rapporto coppia/inerzia, che consente accelerazioni e decelerazioni rapide.
- Hanno un'elevata efficienza, che contribuisce a ridurre le perdite di calore e di energia.
- I servomotori rotativi hanno un'eccellente risposta dinamica, che consente loro di gestire rapidi cambiamenti di velocità in condizioni di carico variabili.
Vantaggi:
- I servomotori rotativi sono molto versatili e possono essere utilizzati in numerose applicazioni. Con un hardware aggiuntivo (viti a testa sferica), possono anche essere convertiti per fornire un movimento lineare.
- Sono altamente adattabili e si prestano bene sia per applicazioni pesanti che per applicazioni leggere.
- Questo tipo di motore è in grado di eseguire operazioni incredibilmente precise, consentendo il controllo della posizione fino a livelli di precisione inferiori al grado e persino al secondo d'arco.
Applicazioni:
- I servomotori rotativi sono comunemente utilizzati nel settore aerospaziale, nell'automazione industriale, nella produzione di semiconduttori, nei dispositivi medici, nelle macchine CNC, nelle stampanti 3D e altro ancora.
Servomotori in c.a.
I servomotori possono essere ulteriormente classificati in base al tipo di corrente utilizzata (CA o CC).
Per applicazioni industriali, Servomotori AC sono i più comuni, a causa dell'ampia gamma di tensioni e livelli di potenza che possono gestire.
I servomotori CA sono disponibili sia di tipo lineare che rotativo.
Servomotori CA a bassa e media tensione
Così come esistono servomotori ad alta tensione, esistono anche varianti a "bassa" tensione che, ai fini di questo articolo, classificheremo come servomotori in c.a. con una tensione inferiore a 480V. Sì, per bassa tensione intendiamo "relativamente" bassa. Naturalmente, una scossa elettrica di 480 volt sarebbe piuttosto dannosa per il corpo umano, ma in termini di macchine industriali, è piuttosto bassa.
Questi servomotori hanno dimensioni ridotte e sono ideali per le applicazioni che richiedono un ingombro ridotto. Nonostante le dimensioni ridotte, sono comunque in grado di fornire una potenza ragionevole, nell'ordine dei kW.
In genere sono disponibili in versione trifase, offrono un'elevata densità di coppia per le dimensioni, sono robusti, affidabili e offrono un elevato grado di precisione ed efficienza.
Caratteristiche:
- Sono disponibili tensioni inferiori, da 12v a 480v.
- Sono disponibili in un volume più piccolo, per applicazioni con vincoli di spazio.
- I servomotori a bassa tensione possono fornire una potenza superiore a 20kW.
Vantaggi:
- Offrono un buon equilibrio tra prestazioni e convenienza rispetto ai sistemi a tensione più elevata.
- Grazie alla tensione più bassa, i costi operativi associati ai servomotori a tensione più elevata sono inferiori, grazie alla riduzione delle infrastrutture elettriche necessarie (trasformatori, ecc.).
- Il rischio di rischi legati all'alta tensione (come archi e guasti alle apparecchiature) è ridotto quando si tratta di servomotori a bassa tensione.
Applicazioni:
- Robot industriali, cobot, sistemi di movimentazione dei materiali, macchine per l'imballaggio, macchine da stampa
Servomotori CA ad alta tensione
I servomotori in c.a. a tensione più elevata funzionano in genere nella gamma da 300 V a 480 V e sono adatti ad applicazioni industriali come la lavorazione CNC, dove sono richieste forze elevate.
Questi motori, insieme a servoazionamenti specializzati ad alta tensione, sono in grado di erogare potenze elevate (nell'ordine dei kW) senza richiedere un aumento significativo delle dimensioni del motore, il che li rende ideali per macchinari compatti e ad alte prestazioni.
Caratteristiche:
- I servomotori CA ad alta tensione tendono ad essere molto robusti e duraturi, come richiesto negli ambienti industriali per impieghi gravosi.
- I sistemi a tensione più elevata sono spesso dotati di sistemi di raffreddamento attivi, come sistemi di raffreddamento a liquido o ventole.
- Possono richiedere costi iniziali e operativi più elevati a causa della necessità di un'infrastruttura elettrica avanzata e dei requisiti dell'elettronica di potenza.
Vantaggi:
- Il funzionamento a tensioni più elevate richiede correnti più basse per la stessa potenza di uscita. Ciò è particolarmente vantaggioso per ridurre le perdite
- I requisiti di corrente più bassi si traducono in una minore generazione di calore. È possibile utilizzare fili di calibro inferiore, riducendo i costi.
- I servi CA ad alta tensione sono in grado di produrre una coppia estremamente elevata.
Applicazioni:
- Robotica pesante, attuatori aerospaziali, CNC industriali, macchinari tessili, controllo del passo delle turbine eoliche, sistemi di inseguimento solare".
Servomotore sincrono CA
La maggior parte dei servomotori CA sono di questo tipo, ovvero il rotore gira esattamente alla stessa velocità del campo magnetico rotante (RMF) dello statore, il che significa che non c'è ritardo (noto come "slittamento") tra il RMF e il rotore. Sono sincroni (da qui il nome intelligente).
- Caratteristiche: I servomotori sincroni in c.a. sono noti per l'elevata densità di coppia e la velocità costante.
- Grazie all'assenza di slittamento, hanno un'eccellente precisione di posizionamento con i normali mezzi di controllo.
- Vantaggi: Efficienza, affidabilità in presenza di carichi variabili e controllo preciso della velocità.
- Applicazioni: Ampiamente utilizzato nella robotica, nelle macchine per il confezionamento e nell'automazione industriale che richiedono prestazioni costanti.
Servomotori asincroni in c.a.
La maggior parte dei normali servomotori CA è sincrona, come illustrato nella sezione precedente. Inoltre, tendono a essere di tipo a magnete permanente o a corrente continua senza spazzole (BLDC).
Tuttavia, sono disponibili servomotori asincroni in c.a., che sono essenzialmente motori a induzione con funzionalità di controllo aggiunte. Essendo asincroni, presentano una differenza di velocità tra la velocità sincrona dello statore e la velocità del rotore. Questa differenza è solitamente rappresentata in percentuale e viene definita "scorrimento".
I motori a induzione sono un sottoinsieme dei motori a corrente alternata che utilizzano l'induzione generata dalle correnti indotte nel rotore. Si contrappongono ai motori a magneti permanenti, che generano la coppia dai magneti e dal campo elettromagnetico dello statore.
Per raggiungere gli stessi livelli di precisione dei servomotori CA tradizionali, i servomotori CA asincroni devono essere in grado di effettuare un controllo vettoriale complesso, come il controllo a orientamento di campo (FOC), in combinazione con encoder o resolver per la retroazione. Questo controllo aggiuntivo consente di controllare dinamicamente lo scorrimento del motore asincrono CA.
Caratteristiche:
- I servomotori asincroni in c.a. possono essere dotati di una gabbia di scoiattolo o di un rotore avvolto con anelli di scorrimento.
- In genere richiedono un controllo FOC per ottenere qualsiasi tipo di precisione.
Vantaggi:
- Non sono soggetti a smagnetizzazione, a differenza dei motori a magneti permanenti.
- I servomotori asincroni in c.a. possono essere più economici da produrre rispetto ai motori a magneti permanenti.
Applicazioni:
- Sistemi di trasporto, pompe, movimentazione di materiali, ascensori.
Servomotori DC
Servomotori CC In genere funzionano secondo gli stessi principi dei servomotori a corrente alternata, sebbene utilizzino corrente continua anziché alternata per alimentarli. Sono in genere più leggeri e compatti dei loro fratelli a corrente alternata più robusti e, in generale, anche più economici.
Nonostante il costo contenuto, sono ancora molto efficienti in termini di efficienza e precisione e hanno una bassa inerzia, che consente rapidi cambi di direzione e variazioni di velocità. Sono intrinsecamente bidirezionali, consentendo la rotazione dell'albero sia in senso orario che antiorario, con la stessa efficienza.
Caratteristiche:
- I servomotori a corrente continua sono altamente efficienti e presentano basse perdite di calore.
- Possono essere alimentati da batterie, come le batterie Li-poly o quelle al piombo-acido.
- Sono in grado di effettuare una rotazione bidirezionale efficiente.
Vantaggi:
- I servomotori in c.c. possono funzionare in modo efficiente in un'ampia gamma di velocità, il che li rende adatti alle applicazioni a velocità variabile.
- Rispetto ai servomotori in c.a., presentano una minore complessità, che si riflette in un costo inferiore.
- I servomotori in c.c. sono ideali per le operazioni a bassa potenza.
Applicazioni:
- Sistemi di telecamere, gimbal, veicoli elettrici, protesi, lettori di supporti ottici (DVD / Blu-ray, ecc.)
Servomotori a spazzole
I servomotori CC sono disponibili nelle versioni brushed e brushless, che si differenziano per il modo in cui gestiscono la commutazione. La commutazione è il processo di commutazione della direzione della corrente negli avvolgimenti del motore per mantenere la rotazione continua e la generazione di coppia.
I servomotori CC a spazzole utilizzano una commutazione meccanica, in cui le spazzole contattano fisicamente un commutatore (un anello segmentato collegato al rotore). Mentre il rotore gira, i segmenti del commutatore commutano in sequenza il flusso di corrente negli avvolgimenti dell'armatura, assicurando che l'interazione del campo magnetico continui a produrre coppia nella direzione corretta.
In un servosistema, meccanismi di retroazione come encoder o potenziometri consentono un controllo preciso della velocità, della coppia e della posizione, distinguendo i servomotori CC dai normali motori CC.
Caratteristiche:
- I servomotori a spazzole in c.c. hanno una struttura semplice e un costo relativamente inferiore rispetto ai servomotori in c.a..
- I motori CC a spazzole forniscono un'elevata coppia di avviamento poiché la corrente di armatura è massimizzata senza campi elettromagnetici posteriori, superando efficacemente l'inerzia.
- Le spazzole sono considerate un materiale di consumo e devono essere sostituite periodicamente.
Vantaggi:
- I motori CC a spazzole sono una soluzione economica per applicazioni a bassa velocità e coppia elevata.
- La velocità e la coppia possono essere facilmente controllate regolando la tensione o la corrente applicata.
Applicazioni:
- Robotica, nastri trasportatori, piccole attrezzature industriali che richiedono precisione.
Servomotori brushless
I servomotori DC senza spazzole eliminano le spazzole meccaniche e i commutatori, utilizzando una commutazione elettronica per controllare la corrente negli avvolgimenti dello statore. Un meccanismo di retroazione (in genere un sensore a effetto Hall o un encoder) controlla la posizione del rotore per sincronizzare il campo magnetico dello statore con il movimento del rotore.
La coppia è generata dall'interazione tra il campo elettromagnetico dello statore e i magneti permanenti del rotore, consentendo un controllo preciso ed efficiente della velocità e della posizione.
Come nota a margine, anche la maggior parte dei servomotori CA sono "brushless" per definizione.
Caratteristiche:
- Alta efficienza, bassa manutenzione, rumorosità ridotta e dimensioni compatte.
Vantaggi:
- Lunga vita operativa, gamma di velocità più elevata e migliore affidabilità.
Applicazioni:
- Ideale per macchine CNC, droni e dispositivi medici che richiedono un controllo del movimento ad alte prestazioni.
Servomotore passo-passoI normali motori passo-passo sono motori sincroni a corrente continua senza spazzole che si muovono in passi discreti, consentendo un controllo preciso della posizione senza bisogno di un sistema di retroazione. Tuttavia, poiché operano in un sistema ad anello aperto, non sono in grado di rilevare gli errori in caso di sovraelongazione o di mancata esecuzione dei passi.
I servomotori passo-passo, invece, integrano il movimento a gradini con un meccanismo di retroazione (in genere un encoder), consentendo un controllo ad anello chiuso per una maggiore precisione, una migliore efficienza della coppia e la correzione dei passi mancati.
I servomotori passo-passo, quindi, sono fondamentalmente motori passo-passo, ma migliori!
Caratteristiche:
- I servomotori passo-passo hanno un controllo ad anello chiuso per definizione.
- Si tratta di motori brushless in corrente continua, anche se presentano alcune caratteristiche della corrente alternata (sono sincroni, ad esempio).
- Alcuni modelli utilizzano un controllo sinusoidale più dolce per un movimento più silenzioso e fluido (simile a quello dei motori CA).
Vantaggi:
- I servomotori passo-passo sono in grado di mantenere la coppia a velocità più elevate e di ridurre la risonanza, consentendo di ottenere prestazioni migliori in termini di velocità e coppia rispetto a un normale stepper.
- Possono anche mantenere la coppia a velocità più elevate, a differenza dei normali motori passo-passo.
- Il feedback consente di effettuare correzioni in tempo reale, migliorando la precisione.
Applicazioni:
- Automazione industriale, macchine CNC, stampanti 3D, robotica, aerospaziale, sistemi satellitari.
Conclusione
In questo articolo abbiamo esaminato come i servomotori possano essere classificati in grandi categorie, ad esempio in base alla corrente di ingresso (CA o CC), al tipo di movimento (rotatorio o lineare), alla tensione (alta o bassa) e al tipo di commutazione (nel caso dei servomotori CC).
Naturalmente esistono altre sottocategorie di servomotori specializzati in cui è possibile suddividerli ulteriormente, ma questo è un altro articolo.
La comprensione delle distinzioni tra i vari tipi, anche a questo livello, può garantire una selezione ottimale per casi d'uso specifici.
Naturalmente, sapere quale tipo di servomotore è più adatto alle proprie esigenze è solo una parte dell'equazione. Altrettanto importante è sapere da chi procurarsi un hardware affidabile per il controllo assi. La scelta di un marchio affidabile può contribuire a ridurre i tempi di fermo e i costi a lungo termine, soprattutto nelle operazioni critiche. Non preoccupatevi, perché abbiamo pensato anche a questo.
I migliori marchi come ABB, Ametek, Allied Motion e altri forniscono costantemente servomotori rotativi di alta qualità, garantendo prestazioni affidabili in diversi settori.
Se il movimento lineare è la vostra passione, potete consultare aziende come Geeplus, H2W Technologies, Tolomatic o HyperCyl per maggiori informazioni.
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