Vale la pena comprendere i dispositivi di retroazione attualmente disponibili per il corretto tuning delle prestazioni del servomotore e come scegliere il tipo giusto per la tua applicazione di motion control.
I sistemi di motion control alimentati da servomotori dovrebbero essere veloci e accurati, e lo sono se specificati correttamente. Tuttavia, vi sono numerosi fattori che possono far sì che i motori non raggiungano l'obiettivo.
Un servosistema può funzionare solo con la stessa accuratezza del dispositivo di retroazione che riporta la posizione del motore. Inoltre, errori nella velocità o nella posizione possono essere introdotti nel sistema dai meccanismi non perfetti che trasferiscono la potenza del motore al carico. Anche fattori ambientali come il rumore elettrico o la temperatura possono introdurre errori di posizionamento.
A volte questi errori sono accettabili. Molto spesso, non lo sono. I servomotori e gli azionamenti sono specificati con l'aspettativa che saranno i più affidabili e accurati di tutti i sistemi di posizionamento.
La tua scelta del dispositivo di retroazione è fondamentale per ottenere i risultati desiderati. Questi dispositivi rientrano in diverse categorie, ognuna delle quali offre vantaggi e svantaggi unici, sia elettrici che meccanici, che determinano se una determinata tecnologia di retroazione sia la più adatta a un'applicazione specifica. Ecco una panoramica di alto livello dei criteri di selezione più importanti.
Posizione del dispositivo di retroazione
La posizione ottimale di un dispositivo di retroazione è al carico, dove i requisiti di controllo del motion si applicano in modo più diretto. Questo sistema mitiga gli errori introdotti da componenti di trasmissione non perfetti che trasferiscono il motion del motore al carico, come trasmissioni, cinghie e pulegge, viti a sfera e così via. Sebbene i dispositivi di retroazione siano tipicamente montati all'interno del motore, aggiungere un dispositivo di retroazione al carico può migliorare significativamente l'accuratezza nei sistemi azionati da trasmissione.
I motori brushless richiedono che la retroazione della posizione sia incorporata nel motore per fornire dati immediati sulla posizione del rotore per la commutazione elettronica (come discusso di seguito). Quando si utilizza un dispositivo di retroazione montato su un motore, è importante determinare l'errore ciclico e cumulativo associato alla trasmissione e al dispositivo di retroazione per stabilire se l'errore sia accettabile.
I servomotori ad azionamento diretto hanno il vantaggio che il dispositivo di retroazione interno è efficacemente collegato direttamente al carico, eliminando così la cedevolezza della trasmissione e il backlash. Questo si aggiunge ai vantaggi di avere meno componenti e una manutenzione ridotta, che rendono i motori ad azionamento diretto ideali per applicazioni che richiedono un motion preciso e un'ampia larghezza di banda.
Commutazione
La commutazione è il controllo della corrente per produrre coppia. Nei motori a magnete permanente, la coppia viene prodotta quando il campo magnetico degli avvolgimenti interagisce con il campo del magnete. Quando la corrente è canalizzata verso gli avvolgimenti corretti, viene prodotta una coppia ottimale.
Man mano che il motore si muove, la posizione degli avvolgimenti rispetto ai magneti cambia. Questo significa il percorso ottimale per canalizzare le attuali modifiche, a seconda della posizione del motore.
In un motore a spazzole, il percorso cambia automaticamente tramite spazzole e un commutatore collegato agli avvolgimenti dell'armatura. In un motore brushless, la posizione del rotore viene restituita all'azionamento, che poi commuta elettricamente la corrente agli avvolgimenti appropriati tramite transistor.
Retroazione single-turn o multigiro
I sensori di retroazione single-turn tracciano la posizione attraverso ogni rotazione meccanica di 360º. Un esempio di quando questo potrebbe essere utile è controllare la velocità di un nastro trasportatore, dove la velocità può essere derivata dalla posizione di un rullo nel tempo, ma il numero di giri del rullo è irrilevante. Tuttavia, un dispositivo single-turn sarebbe inappropriato in un'applicazione che richiede più rotazioni dell'albero motore per spostare un carico di una data distanza, e il controllo preciso di quella distanza è fondamentale.
Per quest'ultimo tipo di applicazione, un sensore di retroazione multigiro traccia la posizione attraverso 360º di rotazione e aggiunge anche la capacità di tracciare quante rivoluzioni complete sono avvenute. Tipicamente, i dispositivi di retroazione multigiro variano nella loro capacità di conteggio da 4.069 giri (12 bit o 2^12) a 65.536 giri (16 bit o 2^16). La retroazione multigiro può essere implementata attraverso un sistema di ingranaggi con letture individuali o utilizzando un contatore elettronico, che è una soluzione più compatta e generalmente fornisce conteggi di giri più elevati.
Retroazione assoluta o incrementale
I sensori di retroazione segnalano o la posizione assoluta o la posizione relativa incrementale. Un sensore di posizione assoluta single-turn ha la capacità di segnalare con accuratezza la posizione all'interno di un ciclo meccanico del motore in fase di accensione. Invece, un sensore di posizione incrementale fornisce tipicamente impulsi di uscita per ogni incremento di motion, ma senza riferimento a una posizione particolare all'interno dell'intervallo di motion del dispositivo.
Questi impulsi incrementali - se combinati con impulsi di marcatura periodici, un interruttore di home della macchina e un contatore - consentono di conoscere la posizione del carico. Tuttavia, se i circuiti di retroazione elettronica perdono energia, il sistema perde il tracciamento della sua posizione. Per alcune applicazioni critiche per la posizione che utilizzano encoder incrementali, il controller può collegarsi a un gruppo di continuità per mantenere le informazioni sulla posizione.
In alternativa, un encoder assoluto multi-turn fornisce informazioni di posizionamento accurate, attraverso più rotazioni, senza la necessità di mantenere l'alimentazione applicata. Questo può essere realizzato mediante un sistema di backup della batteria o utilizzando tecnologia di recupero dell'energia che mantiene il conteggio corretto nella memoria non volatile anche quando l'alimentazione è spenta e il rotore viene spostato manualmente.
Precisione e affidabilità
Un'altra considerazione importante è il tipo di tecnologia utilizzata nel dispositivo. Alcuni sensori sono estremamente robusti e sono destinati all'industria del controllo delle macchine industriali. Altri sono relativamente fragili e sono destinati ad applicazioni come attrezzature di laboratorio ad alta precisione. Ci sono anche applicazioni in cui questi requisiti si sovrappongono - ad esempio, la produzione di semiconduttori, dove le condizioni richiedono un'alta accuratezza in un ambiente particolarmente pulito insieme a un rapido throughput per soddisfare elevati programmi di produzione.
Geometria del sistema di motion
I sistemi di motion sono lineari, rotazionali o una combinazione dei due. I sensori di retroazione sono progettati specificamente per ogni case. Possono avere diverse caratteristiche di montaggio e direzioni di motion, ma il principio di base del funzionamento del dispositivo di retroazione si applica tipicamente a entrambe le configurazioni.
Per i sistemi lineari come quelli trovati nel posizionamento degli assi X-Y-Z, i dati di posizione indicano le posizioni esatte di tutti gli assi simultaneamente, il che può essere cruciale in alcune applicazioni. In una situazione di E-stop (arresto di emergenza), ad esempio, essere in grado di riavviare i componenti di motion nel punto in cui si sono fermati può prevenire inceppamenti della macchina e ridurre gli sprechi.
Le informazioni sulla velocità sono comunemente derivate dai dati di posizione prendendo la derivata rispetto al tempo, rendendo un dispositivo di retroazione un acquisto unico per la maggior parte dei sistemi basati su servomotori. Tuttavia, per le applicazioni che richiedono informazioni precise sulla velocità a basse velocità, a volte si preferisce un dispositivo progettato per quel preciso scopo, come un tachimetro analogico di precisione.
La buona notizia: la selezione del dispositivo di retroazione può essere semplice
I dispositivi di retroazione svolgono un ruolo fondamentale nei sistemi di controllo ad anello chiuso. Non molto tempo fa, scegliere quello giusto era un compito arduo, ma ora la selezione è stata notevolmente semplificata.
Molti produttori di controllo del motion offrono sistemi di controllo del motion completi, con il motore, il dispositivo di retroazione, l'azionamento e i cavi combinati in un pacchetto ottimizzato. Tali pacchetti gestiscono oltre il 90% delle applicazioni di motion odierne. Per gli ingegneri meccanici, il vantaggio è che non devono cablare o montare separatamente il dispositivo di retroazione nel servosistema, dove le connessioni cablate possono essere appena quattro o arrivare a 9 o 13 fili.
Inoltre, alcuni produttori come Kollmorgen offrono dispositivi di retroazione "intelligenti" nei loro motori, che consentono il funzionamento plug-and-play fornendo all'azionamento una targhetta elettronica del motore che ne specifica i parametri. Questi parametri configurano l'azionamento, consentendo la configurazione della retroazione in secondi. I dispositivi di retroazione intelligenti possono essere basati su uno qualsiasi dei tipi di retroazione standard con l'aggiunta di un chip incorporato contenente i parametri del motore.
Quindi, cosa devi sapere per selezionare il dispositivo di retroazione ottimale per la tua applicazione? In primo luogo ci sono i requisiti di accuratezza e risoluzione del posizionamento. Inoltre, fattori ambientali come la distanza tra il motore e l'azionamento, il rumore elettrico o la temperatura possono essere fattori determinanti per stabilire il dispositivo ottimale.
È disponibile una vasta gamma di dispositivi per soddisfare quasi qualsiasi esigenza di retroazione, inclusi sensori a effetto Hall, resolver, encoder di uso generale (di una vasta varietà) ed encoder sinusoidali. Fortunatamente, molti fornitori di servomotori offrono diverse opzioni di retroazione per un dato motore per soddisfare una vasta gamma di requisiti di prestazione o ambientali.
I sensori a effetto Hall sono tra i dispositivi di retroazione più semplici ed economici. Questi sono dispositivi digitali on/off che rilevano la presenza di campi magnetici. Realizzati in materiale semiconduttore, sono robusti, possono essere utilizzati a frequenze molto elevate (equivalenti a decine di migliaia di giri/min.) e consentono una sequenza di commutazione accurata. Poiché le informazioni sulla posizione fornite da questi dispositivi sono inesatte, è meglio utilizzarle per supportare il controllo trapezoidale (a sei fasi) piuttosto che il controllo sinusoidale. I sensori a effetto Hall sono adatti per il controllo della coppia o per il controllo grossolano della velocità, e semplificano l'elettronica dell'azionamento commutando direttamente i dispositivi di potenza della fase del motore.
I resolver sono trasformatori rotanti che si adattano bene ad ambienti difficili, dove temperature estreme o vibrazioni e urti sono fattori determinanti. Possono anche gestire velocità del motore superiori a 10.000 giri/min. Questi sono a costo basso-moderato e forniscono un'accuratezza e una risoluzione moderate, adatte per la maggior parte delle applicazioni industriali.
Gli encoder incrementali sono disponibili in una varietà di configurazioni, da quelli ottici senza contatto a quelli a contatto, in versioni sia lineari che rotanti, e con diverse varianti di conteggio delle linee. Questi encoder offrono un'ottima accuratezza e possono essere utilizzati fino a molte migliaia di giri/min. Sebbene gli encoder incrementali di oggi siano più robusti che mai, alcuni non sono adatti ad ambienti estremamente difficili.
Gli encoder sinusoidali offrono prestazioni di altissimo livello. Sebbene siano più costosi dei resolver o degli encoder incrementali, sono i più adatti per applicazioni che richiedono alta accuratezza unita a un'alta risoluzione.
Ulteriori informazioni
Assicurati di leggere tutti e tre i nostri blog Dispositivi di retroazione, sensori e resolver a effetto Hall ed encoder lineari, rotanti e sinusoidali per diventare esperto in questo argomento cruciale relativo al motion. Contatta un ingegnere Kollmorgen per discutere della tua applicazione specifica e ricevere informazioni sulla migliore tecnologia servo-loop adatta alle tue esigenze.
