Cos'è il controllo di posizione a doppio anello e dove è necessario?

La maggior parte dei sistemi di controllo del motore usano accoppiamenti come ingranaggi, viti a sfera, cinghie e altri metodi per trasmettere le forze dal motore al carico. Sono usati per varie ragioni, come aumentare la coppia attraverso i rapporti di trasmissione, cambiare il moto rotatorio in moto lineare o cambiare l'angolo della coppia applicata. Insieme ai loro benefici, questi sistemi di trasmissione hanno anche dei costi associati, per esempio possono aumentare l'attrito nel sistema e ridurre la rigidità tra il motore e il carico. La rigidità può essere compromessa dalla flessione dei componenti della trasmissione, così come dal gioco introdotto dagli ingranaggi. Per esempio, le viti a sfera non sono perfettamente rigide, possono piegarsi e allungarsi leggermente sotto carico. Anche gli ingranaggi non sono perfetti, possono avere un gioco che può aggiungere una piccola quantità di "gioco" tra l'ingresso e l'uscita.

Il nostro argomento di oggi sarà come i problemi introdotti dalla flessione e dal gioco possono essere affrontati utilizzando il controllo di posizione a doppio anello.

Il problema del Single-Loop

A causa di fattori di costo e convenienza, i dispositivi di feedback come gli encoder sono spesso integrati nel motore. L'encoder sulla maggior parte dei servomotori è di solito montato direttamente sull'albero del motore, in genere sul retro del motore. In questa configurazione l'encoder è direttamente accoppiato all'albero del motore e quindi la sua uscita è un'indicazione della vera posizione del motore.

Se un ingranaggio, una vite a sfera o un altro dispositivo di trasmissione fosse poi collegato all'albero del motore, la posizione del carico sarebbe poi calcolata tenendo conto dei rapporti di trasmissione dei dispositivi utilizzati. In molti casi questa configurazione è abbastanza accurata per l'applicazione. Tuttavia, in alcuni casi la flessibilità aggiunta e il gioco della trasmissione possono introdurre abbastanza errori da diventare un problema.

Per esempio, diciamo che c'è una fresatrice che usa un motore rotativo che gira una vite a sfera per spostare il carico. Le fresatrici possono applicare grandi forze per spingere i pezzi attraverso la fresa e queste forze possono causare la flessione dei pezzi nella fresatrice. La quantità di flessione è influenzata da una serie di variabili, tra cui quanto è estesa la vite a sfera e quanta forza è applicata al carico. Se l'unico feedback fosse sul motore, allora potremmo essere nei guai. Questo perché c'è una lunga catena di parti che possono piegarsi e flettere tra il motore e il carico. Fortunatamente c'è una soluzione facile ed è quella di mettere una scala (o encoder) sul carico. In questo modo possiamo misurare direttamente la posizione del carico indipendentemente dalla flessione delle parti della trasmissione.

Tuttavia spostare semplicemente l'encoder dal motore al carico non è la soluzione completa. Posizionando la retroazione sul motore si ottiene un controllo stabile e accurato del motore, tuttavia la precisione della posizione del carico viene sacrificata. In alternativa, posizionare il feedback sul carico aumenta la precisione finale della posizione, ma senza feedback sul motore, il sistema può diventare instabile perché il gioco può lasciare il motore momentaneamente scarico in modi che sono imprevedibili.

Aggiungere il controllo a doppio anello

Per ottenere sia la precisione che la stabilità, la soluzione è quella di utilizzare due dispositivi di feedback. Uno sul motore e uno sul carico. Questa configurazione è chiamata controllo a doppio anello e funziona così:

A partire dal motore, il sistema di controllo chiude l'anello di velocità intorno al motore. La chiusura dell'anello di velocità qui stabilizza il sistema controllando la velocità del motore indipendentemente da come il gioco causa il carico o lo scarico del motore. Questo anello sarebbe l'anello interno in uno schema di controllo a doppio anello.

Il secondo anello di questo sistema è l'anello esterno. Qui l'azionamento chiude l'anello di posizione usando un feedback che misura direttamente la posizione del carico. Il posizionamento della retroazione sul carico permette al controllore di misurare accuratamente la posizione e di chiudere correttamente l'anello di posizione.

Entrambi gli anelli di un sistema a doppio anello lavorano insieme per creare un controllo del movimento stabile e accurato. Misurare direttamente la posizione fornisce al sistema di controllo informazioni accurate per l'anello di posizione. Piccoli aggiustamenti della posizione e, soprattutto, cambiamenti di direzione sono gestiti da comandi di velocità nell'anello di velocità. I comandi di velocità provengono dall'anello di posizione dove la grandezza del comando è proporzionale alla quantità di errore di posizione. Poiché l'anello di velocità è chiuso intorno al motore, non crea l'effetto 'slapping' in cui il motore accelera improvvisamente quando è scarico a causa del gioco. L'anello di velocità migliora il controllo del motore e permette al motore di girare ad una velocità controllata indipendentemente da come è caricato.

Azionamenti più intelligenti per un migliore controllo

I sistemi a doppio anello sugli azionamenti intelligenti possono avere diverse configurazioni come da rotativo a rotativo o da rotativo a lineare. Un esempio di un sistema da rotativo a rotativo sarebbe un motore rotativo collegato a un riduttore rotativo. La retroazione sia per il motore che per il carico userebbe degli encoder rotativi. Un esempio di un sistema da rotativo a lineare sarebbe un motore rotativo collegato a una vite a sfera come nell'esempio precedente della fresatrice. Il feedback del motore userebbe un encoder rotativo mentre il feedback del carico userebbe un encoder lineare.

Molti servoazionamenti intelligenti di ADVANCED Motion Controls hanno capacità a doppio anello integrate. Gli azionamenti di posizionamento che elencano "Auxiliary Feedback" come caratteristica hanno un controllo a doppio anello. Possono essere trovati sul nostro sito web filtrando per "Auxiliary Feedback" nella nostra ricerca di prodotti.

da Rene Ymzon, Marketing Manager