Un sistema servo è un sistema di controllo del motion closed-loop composto da quattro elementi fondamentali: un attuatore (il “muscolo”), un dispositivo di controllo (il “cervello”) un elemento di feedback (i “sensi”) e i cavi (il “sistema nervoso”). Questi elementi lavorano insieme per garantire un movimento preciso e ripetibile attraverso un processo continuo di feedback e correzione.
Nell’automazione industriale, l’attuatore è generalmente un servomotore, mentre il dispositivo di controllo è in genere un servoazionamento, un controllore di motion o una combinazione dei due. L’elemento di feedback può essere costituito da un sensore di corrente, un encoder, un resolver o persino un sistema di visione, a seconda dei requisiti prestazionali dell’applicazione. I cavi completano il sistema servo trasmettendo alimentazione, segnali di comunicazione e segnali di feedback tra il motore, l’azionamento e gli elementi di controllo. Cavi dotati di un’adeguata schermatura e progettati per l’applicazione contribuiscono a mantenere precisione, affidabilità e prestazioni complessive del sistema.
Comprendere il funzionamento dei singoli componenti e il modo in cui interagiscono all’interno di un sistema di motion integrato è fondamentale per scegliere e ottimizzare le applicazioni servo.
Punti chiave
- I sistemi servo si basano su cinque componenti integrati. Servomotori, servoazionamenti, controllori, dispositivi di feedback e cavi lavorano insieme per garantire un controllo preciso del motion closed-loop.
- Le prestazioni del sistema dipendono dal corretto abbinamento dei componenti. Selezionare e integrare correttamente ogni componente del sistema contribuisce a migliorarne precisione, ripetibilità e affidabilità.
- Sono i requisiti dell’applicazione a guidare la scelta del sistema servo. I requisiti relativi a carico, coppia, precisione e coordinamento determinano la combinazione più adatta di servomotore, servoazionamento e dispositivo di feedback.
- Ottimizzare il sistema di motion nel suo complesso permette di ridurre i rischi. Un approccio a livello di sistema semplifica l’integrazione, migliora le prestazioni e accelera la messa in servizio.
Come funziona un sistema servo?
Un sistema servo monitora e corregge continuamente il movimento del servomotore per raggiungere con elevata precisione la posizione, la velocità o la coppia comandate. Quando il controllore di motion o il servoazionamento invia al servomotore un comando per raggiungere una determinata posizione, il motore inizia a muoversi e il dispositivo di feedback comunica al controllore di motion o al servoazionamento dove si trova il motore e a quale velocità si sta muovendo. Il controllore di motion o il servoazionamento analizza quindi il feedback e verifica se il servomotore ha raggiunto la posizione comandata. In caso contrario, il dispositivo di controllo continua a inviare comandi al motore finché il dispositivo di feedback non conferma che il servomotore ha raggiunto la posizione desiderata.
Questo processo di controllo del motion closed-loop funziona in modo molto simile a quello del corpo umano: uno straordinario sistema di motion multiassiale composto da centinaia di muscoli, molteplici dispositivi di feedback e un sistema di controllo in grado di effettuare rapide correzioni. Per esempio, quando prendiamo un bicchiere d’acqua, il cervello invia segnali ai muscoli, mentre la vista e il tatto forniscono continuamente informazioni sulla posizione del bicchiere e sul movimento della mano. Senza doverci pensare consapevolmente, il cervello effettua innumerevoli correzioni finché la mano non raggiunge il bersaglio. Un sistema servo esegue lo stesso ciclo continuo di comando, feedback e correzione, ma nell’ordine dei microsecondi. I moderni sistemi servo industriali utilizzano controllori sofisticati, molteplici dispositivi di feedback e processori ad alta velocità per eseguire queste correzioni con una precisione eccezionale.
Quali sono i principali componenti di un sistema servo?
Gli elementi fondamentali di un sistema servo svolgono ciascuno una funzione distinta, ma strettamente interdipendente con le altre. Un tipico sistema servo industriale comprende:
- Servomotore: il muscolo del sistema, disponibile in diverse tecnologie, tra cui motori a spazzole o brushless, housed o frameless, lineari o rotativi. Il servomotore genera la coppia necessaria per accelerare e movimentare il carico.
- Servoazionamento: può rappresentare il cervello del sistema o una parte del sistema di controllo. I servoazionamenti più semplici possono controllare la coppia e/o la velocità, mentre quelli di livello superiore offrono funzionalità aggiuntive e possono essere configurati come posizionatori con capacità di programmazione. Un servoazionamento abbinato al servomotore controlla la tensione e la corrente fornite al motore.
- Controllore servo: il cervello del sistema, che utilizza un ambiente di programmazione per offrire diverse possibilità di controllo della macchina, gestione degli ingressi e delle uscite e collegamento a un’interfaccia grafica. I controllori servo possono essere dispositivi autonomi oppure integrati nei servoazionamenti.
- Dispositivo di feedback: i sensi del sistema, generalmente integrati direttamente nel servomotore. L’elemento di feedback può essere costituito da un encoder, un resolver, un dispositivo di feedback lineare, un tachimetro o un altro sensore. I sistemi di controllo più sofisticati possono utilizzare forme di feedback più avanzate, come i sistemi di visione.
- Cavi: il sistema nervoso del sistema servo, che collega feedback, comunicazione e alimentazione tra cervello, muscoli e sensi.
Quali dispositivi di feedback vengono utilizzati in un sistema servo?
Il dispositivo di feedback di un sistema servo comunica in tempo reale al dispositivo di controllo la posizione e la velocità del motore, consentendo le correzioni closed-loop che determinano le prestazioni del sistema servo. I dispositivi di feedback più comuni sono encoder e resolver, entrambi generalmente integrati direttamente nel servomotore.
Gli encoder (incrementali o assoluti) convertono la posizione dell’albero in segnali digitali e sono ampiamente utilizzati nelle applicazioni industriali di controllo del motion. I resolver sono dispositivi analogici apprezzati per la loro robustezza negli ambienti più difficili. Le applicazioni più esigenti possono utilizzare dispositivi di feedback lineare per la misurazione diretta della posizione lineare, tachimetri per il feedback della velocità o sistemi di visione per ottenere informazioni spaziali più complesse.
Sono i requisiti di precisione dell’applicazione a determinare la scelta del dispositivo di feedback. Maggiore è la risoluzione del feedback, maggiore è la precisione di posizionamento e più preciso è il controllo a circuito chiuso. Per maggiori dettagli, consultare il nostro white paper sulla scelta del dispositivo di feedback di posizione più adatto per i sistemi servo.
Come scegliere il servomotore e il servoazionamento più adatti alla tua applicazione
La scelta del servomotore e del servoazionamento più adatti richiede un’analisi strutturata dei requisiti prestazionali del sistema. La coppia necessaria per accelerare e movimentare il carico determina il dimensionamento del servomotore e, di conseguenza, condiziona la scelta del servoazionamento. Il processo che segue illustra i principali aspetti da considerare nella scelta:
1. Definire i requisiti di carico e coppia
È necessario calcolare i requisiti di coppia e inerzia dell’applicazione, considerando accelerazione, decelerazione e carichi durante il funzionamento continuo. Questi dati determinano il dimensionamento minimo del servomotore.
2. Determinare i requisiti di precisione, feedback e sicurezza
I requisiti di precisione, prestazioni e sicurezza dell’applicazione determinano il tipo di dispositivo di feedback e le eventuali funzionalità di sicurezza funzionale necessarie nel sistema di azionamento. Le applicazioni ad alta precisione richiedono generalmente encoder assoluti ad alta risoluzione.
3. Abbinare il servoazionamento al servomotore
È necessario selezionare un servoazionamento compatibile con la tensione, la corrente e l’interfaccia di comunicazione del servomotore. Un corretto abbinamento tra servoazionamento e servomotore garantisce un controllo stabile ad anello chiuso e protegge entrambi i componenti dal funzionamento al di fuori dei rispettivi parametri nominali.
4. Valutare i requisiti di coordinamento e controllo
Il numero di assi, il livello di coordinamento tra gli assi e la velocità di risposta richiesta determinano se è sufficiente un servoazionamento autonomo con funzionalità di posizionamento integrata o se è necessario un controllore servo dedicato.
5. Verificare i cavi e l’integrazione del sistema
È necessario verificare che i cavi per feedback, comunicazione e alimentazione siano adeguati all’ambiente operativo e all’architettura del sistema. I cavi costituiscono il sistema nervoso del sistema di controllo servo. Cavi sottodimensionati o non correttamente abbinati possono introdurre errori nei segnali e compromettere le prestazioni.
Prossimo passo: avviare il processo di selezione
Mettere insieme tutti questi aspetti può richiedere un lavoro considerevole. Nel caso della selezione di un sistema servo per la progettazione di una nuova macchina, gli esperti di motion control di Kollmorgen possono aiutare a individuare la combinazione più adatta ai requisiti dell’applicazione.
È inoltre possibile approfondire ogni fase del processo attraverso le seguenti risorse:
- Come scegliere un servomotore: come coppia, velocità, inerzia, dimensioni fisiche e condizioni ambientali influenzano la scelta del motore.
- Come scegliere un servoazionamento: come tensione, corrente, opzioni di feedback e protocolli di comunicazione determinano la scelta del servoazionamento più adatto all’applicazione.
- Da dove iniziare: dimensionamento e selezione dei sistemi servo – Un approccio a livello di sistema per dimensionare motori, servoazionamenti, dispositivi di feedback e cavi e ottimizzare le prestazioni della macchina.
- Come scegliere i cavi più adatti al sistema: come progettazione dei cavi, schermatura e condizioni ambientali influiscono sull’integrità del segnale, sull’affidabilità e sulle prestazioni complessive del sistema.
Domande frequenti
Qual è la differenza tra un sistema servo e un sistema di motion open-loop?
Un sistema servo utilizza il feedback closed-loop per monitorare e correggere continuamente la posizione, la velocità o la coppia del motore, mentre un sistema open-loop funziona senza verificare il motion effettivo. Poiché i sistemi servo rilevano e correggono gli errori in tempo reale, offrono maggiore precisione, migliori prestazioni dinamiche e un funzionamento più affidabile nelle applicazioni di motion control più esigenti.
Qual è la differenza tra un servoazionamento e un controllore servo?
Un servoazionamento regola la tensione e la corrente fornite al servomotore, mentre un controllore servo gestisce funzioni della macchina di livello superiore, come le sequenze di motion, il coordinamento e gli I/O. Alcuni servoazionamenti avanzati integrano entrambe le funzioni, mentre altri richiedono un controllore separato. Scopri di più sulle differenze tra servoazionamenti e controllori di motion.
Un servoazionamento può funzionare come controllore servo?
I servoazionamenti di livello superiore possono integrare funzionalità di posizionamento e programmazione, consentendo di svolgere le funzioni combinate di azionamento e controllo in applicazioni a uno o più assi, senza la necessità di un controllore di motion separato. Tuttavia, per macchine complesse che richiedono un motion coordinato su più assi, i controllori servo dedicati offrono una gestione più completa degli I/O, ambienti di programmazione più avanzati e interfacce grafiche che i servoazionamenti autonomi non offrono.
In che modo il dispositivo di feedback influisce sulle prestazioni di un sistema servo?
Il dispositivo di feedback influisce direttamente sulla precisione di posizionamento e sulla risposta dinamica del sistema di controllo servo: una maggiore risoluzione del feedback consente un controllo più preciso e una maggiore accuratezza del motion. Encoder e resolver sono i dispositivi di feedback più comuni nei sistemi servo industriali, ma per applicazioni che richiedono livelli estremi di precisione o che operano in condizioni ambientali particolarmente difficili possono essere necessari dispositivi di feedback lineare, tachimetri o sistemi di visione per raggiungere le prestazioni richieste.
