La storia del controllo del movimento moderno

La determinazione della data di inizio del controllo del movimento dipende in larga misura dalla vostra definizione di controllo del movimento. Si potrebbe affermare che il fenomeno è iniziato con l'invenzione della camma meccanica. Altri potrebbero dire che è iniziato solo con l'introduzione del controllo PID.

Non c'è un inizio definitivo, ma inizieremo con i motori elettrici, poco meno di 150 anni fa. Puoi leggere una storia più estesa del controllo del movimento qui. In questo articolo, esploreremo lo sviluppo delle tecnologie che hanno reso possibile il moderno controllo del movimento.

Tutti gli strumenti giusti

Mentre il motore elettrico era stato inventato dal 1837, non era commercialmente fattibile fino a quando Zenobe Gramme ha presentato il suo progetto del motore a corrente continua nel 1873. Anni dopo, Tesla, il campione della corrente alternata, presentò il suo motore a induzione alternata. Da allora, i motori elettrici furono usati in sempre più dispositivi.

Nel 1914, l'uso di parti intercambiabili era diventato molto più comune e Henry Ford aveva appena installato la prima catena di montaggio meccanizzata. La produzione efficiente era in aumento. E anche una buona cosa, visto che il mondo si stava tuffando nella prima guerra mondiale.

Con la catena di montaggio, i motori elettrici e l'innovazione dettata dalla guerra, l'era dell'automazione si stava rapidamente avvicinando, ma mancava un componente chiave per il controllo del movimento...

Feedback: Il pezzo mancante

In un certo senso, il feedback di controllo stesso era già stato implementato nel 1900. I termostati e i regolatori centrifughi erano stati usati rispettivamente per le fornaci e le macchine a vapore nei secoli precedenti. Ma l'idea di usare un ciclo di feedback negativo per stringere il controllo non era ancora stata veramente tracciata, anche quando la prima guerra mondiale finì e noi entrammo nell'età del jazz.

Poi un giorno, durante il suo viaggio in traghetto nel 1927, Harold Black annotò alcune note sull'uso di una parte dell'uscita di un amplificatore di potenza per negare parte dell'ingresso e ridurre la distorsione del segnale, in particolare per le comunicazioni a lungo raggio. La sua invenzione dell'amplificatore a retroazione negativa ha posto le basi per l'evoluzione degli amplificatori. Presto, gli anelli di feedback negativo furono introdotti ovunque nei dispositivi pneumatici e di comunicazione.

Nello stesso anno in cui Harold Black pubblicò il suo articolo sull'amplificatore a feedback negativo, Harold Hazen riconobbe allo stesso modo che il feedback negativo poteva essere usato per regolare la curva di risposta di un servomeccanismo. Andando avanti, i lavori di entrambi gli Harold sarebbero stati cruciali nello sviluppo delle tecniche di controllo del motore. Era nato il controllo elettrico del movimento.

Anche con un anello di feedback negativo, tuttavia, i sistemi di controllo non erano ancora raffinati. L'uso di un controllo puramente proporzionale era molto suscettibile di superare inizialmente l'uscita target e richiedeva tempo per livellarsi e trovare la stabilità. Inoltre non rispondeva bene ai disturbi improvvisi. C'era ancora molto lavoro da fare prima che la tecnologia dei servoamplificatori cominciasse ad avere l'aspetto che ha oggi.

PID: un cambio di gioco

L'implementazione del controllo PID ha cambiato tutto. PID sta per Proporzionale, Integrale e Derivativo, e si riferisce ai diversi guadagni che vengono applicati in un amplificatore per correggere gli errori in un sistema ad anello chiuso. Un segnale amplificato con PID produce una risposta molto più liscia di uno amplificato con il solo controllo proporzionale. La componente di controllo integrale elimina l'errore di stato stazionario e la componente derivativa riduce l'overshoot della risposta. L'idea del PID esisteva come teoria matematica da quando J.C. Maxwell ne scrisse nel 1886. Tuttavia, ci sarebbe voluto circa mezzo secolo prima che fosse integrata nella tecnologia, almeno di proposito.

Con la fine della seconda guerra mondiale, i controllori con sistemi elettrici cominciarono a diventare più comuni. Questi avrebbero visto grandi miglioramenti nei decenni successivi. Con la guerra fredda, i paesi spinsero l'innovazione tecnologica, poiché nessuno voleva essere svantaggiato se fosse scoppiata una guerra aperta. Alla fine, la tecnologia di controllo PID e i servoamplificatori avrebbero aiutato la missione degli Stati Uniti di mettere un uomo sulla luna.

L'età dell'analogico

Gli sviluppi tecnologici degli anni '60 e '70 hanno prodotto l'elettronica allo stato solido, compresi i transistor a semiconduttore, permettendo la commutazione ad alta frequenza. Intorno allo stesso tempo, la modulazione di larghezza d'impulso (PWM) è stata sviluppata come modo per inviare segnali elettrici in modo molto più efficiente. Questi progressi hanno reso possibile attivare e disattivare più fasi del motore in modo controllato. Eravamo entrati nell'era del controllo dei motori brushless DC.

I servoamplificatori analogici stavano diventando più compatti e più avanzati contemporaneamente. Caratteristiche come gli indicatori di stato, le modalità di funzionamento multiple e il supporto per dispositivi di feedback multipli hanno iniziato ad arrivare nel montaggio a pannello e Servo amplificatore per montaggio su PCB pacchetti.

Vale la pena notare che l'industria del controllo del movimento sarebbe cambiata per sempre (secondo noi) quando Sandor Barta e Daniel Schoenwald avviarono ADVANCED Motion Controls nel 1987, costruendo servoamplificatori analogici su un tavolo da cucina a Van Nuys.

L'ascesa del digitale

L'elettronica digitale ha iniziato a prendere piede negli anni '70. I circuiti integrati, i microprocessori, la memoria non volatile e l'interconnessione hanno cominciato a modellare il paesaggio della tecnologia elettronica come la conosciamo oggi. Sempre più industrie iniziarono a passare dall'analogico al digitale.

Il digitale si è fatto strada nell'industria del controllo del movimento negli anni '90. Con l'invenzione dei servoamplificatori digitali, o servoazionamenti digitali come sono ora più comunemente conosciuti, le possibilità nel controllo del movimento si sono notevolmente ampliate. I servoazionamenti digitali potevano ora utilizzare il feedback di posizione per spostare il rotore di un motore in posizioni specifiche, piuttosto che solo coppie e velocità. I servoazionamenti digitali potevano anche essere eseguiti su una rete e comunicare tra di loro e con altri dispositivi con segnali i/o (input/output).

Negli ultimi anni, la linea tra controller del motore e amplificatore è diventata molto confusa. I servoazionamenti hanno ora la loro propria potenza di elaborazione, permettendo loro di fare più del lavoro normalmente richiesto da un controller esterno. La loro memoria incorporata permette loro di memorizzare i profili di movimento, riducendo di nuovo il carico di lavoro del controller e a volte eliminando completamente la necessità di esso.

Una parte significativa del business del controllo del movimento rimane in analogico, ma l'industria diventa più digitale ogni anno che passa. Si può leggere di più sul differenze tra servoazionamenti digitali e analogici qui.

Cosa c'è dopo?

Mentre la tecnologia di base del controllo del movimento è ormai ben consolidata, l'industria continua a crescere ed evolversi. Se siete curiosi di sapere dove è diretto il settore del controllo del movimento, leggete Tendenze del servoazionamento per il 2020 qui.

da Jackson McKay, ingegnere di marketing