Conosci le tecnologie e scegli consapevolmente
L'invenzione del servomotore circa 100 anni fa ha trasformato le capacità del motion elettrico, consentendo un controllo preciso della velocità e della posizione per applicazioni che vanno dall'automazione industriale alla robotica, ai dispositivi medici, al controllo del volo, alle macchine CNC e molte altre.
Le tecnologie dei servomotori si sono evolute nel corso degli anni, ampliando il campo delle possibilità di applicazione e creando anche un dilemma: quale tecnologia dovresti scegliere per la tua applicazione? Diamo un'occhiata ai motori a magnete permanente CC a spazzole, ai motori brushless DC BLDC e ai motori a magnete permanente CA, valutando i punti di forza, i punti deboli e i migliori utilizzi di ciascuna categoria.
Servomotori a magnete permanente CC a spazzole
Inventata nel 1926, la tecnologia dei primi servomotori utilizza un motore CC a spazzole, un concetto che risale addirittura al 1832. Gli schemi comunemente utilizzati oggi incorporano magneti permanenti sullo statore e coil di rame avvolti sulle laminazioni del rotore, con servoazionamento realizzato utilizzando un dispositivo di retroazione in tempo reale come un tachimetro.
Il servoazionamento interpreta i segnali di retroazione e modula la tensione fornita al motore in una serie di impulsi di larghezza variabile, un processo noto come modulazione a larghezza di impulso. Questi impulsi vengono commutati - cioè consegnati alle fasi multiple dei rotori - mediante un interruttore rotante composto da una serie di barre di rame (il commutatore) a contatto con spazzole fisse realizzate in un materiale conduttivo come la grafite.
Man mano che i coil vengono commutati in sequenza, generano un campo magnetico rotante che interagisce con i magneti permanenti per far girare il rotore. Sulla base dei dati provenienti dal dispositivo di retroazione della velocità, l'azionamento utilizza la modulazione a larghezza di impulso per correggere continuamente eventuali errori, ad esempio per assicurare una velocità e un posizionamento costanti del rotore anche quando il motore aziona carichi variabili.
Vantaggi dei servomotori CC a spazzole
- Costo iniziale inferiore, anche se la durata limitata può annullare questo vantaggio.
- Alta coppia all'avviamento e alle basse velocità.
- Sistema di controllo motore relativamente semplice.
Svantaggi dei servomotori CC a spazzole
- Le spazzole consumate richiedono una sostituzione regolare.
- Un commutatore usurato richiede rilavorazione, nuovi cuscinetti o addirittura la sostituzione del motore.
- La commutazione fisica limita il trasferimento di potenza e, se superata, può provocare archi elettrici.
Servomotori brushless DC (BLDC)
I motori brushless DC sono stati inventati negli anni '60, resi possibili dai progressi nell'elettronica basata su semiconduttori. I primi modelli avevano una potenza limitata, ma i motori BLDC si sono affermati negli anni '80 grazie alla crescente disponibilità di potenti materiali a magneti permanenti. Oggi questi motori sono molto più comunemente utilizzati nelle applicazioni industriali rispetto ai servomotori CC a spazzole.
Senza spazzole fisiche che entrano in contatto con un commutatore rotante, il design di base di un motore BLDC è invertito rispetto a un motore a spazzole per migliorare l'efficienza e le prestazioni. I coil dell'armatura sono avvolti all'interno dello statore/del telaio su laminazioni scanalate, e i magneti permanenti sono fissati al rotore.
Un dispositivo di retroazione come un encoder riporta continuamente la posizione del rotore al servoamplificatore, che a sua volta commuta direttamente la tensione continua fornita ai coil per correggere eventuali errori di rotazione e raggiungere la direzione, la velocità e la posizione desiderate. Questa commutazione elettronica avviene in fasi che imitano grossolanamente un'onda sinusoidale, con la corrente in un determinato punto di rotazione applicata a due fasi con la terza fase sempre disattivata.
Questo andamento a gradini provoca fluttuazioni di coppia, mentre un effetto di cogging è creato dall'attrazione tra il rotore a magnete permanente e le laminazioni dentate in acciaio dello statore. Queste caratteristiche ostacolano il controllo preciso e il funzionamento fluido a basse velocità, ma questo è raramente un problema a velocità elevate. I motori slotless senza denti dello statore eliminano l'effetto di cogging, ma un funzionamento liscio a bassa velocità comporta un significativo calo di coppia.
Vantaggi dei servomotori brushless DC
- Controllo preciso e reattivo ad anello chiuso a velocità medio-alte.
- L'assenza di commutazione fisica significa maggiore durata, maggiore efficienza e manutenzione minima.
- Capace di velocità molto più elevate rispetto ai motori a spazzole, con minor calo di coppia.
Svantaggi dei servomotori brushless DC
- Programmazione/regolazione ed elettronica di azionamento più complesse.
- Cogging e fluttuazione di coppia possono ostacolare la fluidità e il controllo a 200 giri/min.
Servomotori a magnete permanente CA
I servomotori sincroni a magnete permanente CA sono la scelta preferita per la maggior parte delle applicazioni che richiedono un controllo preciso della posizione e della velocità. Sviluppata per la prima volta negli anni '80, questa tecnologia è continuamente migliorata grazie ai progressi nell'elettronica di azionamento, nei materiali magnetici permanenti, nelle tolleranze di produzione e ad altre innovazioni.
Il design di base è simile a un servomotore BLDC. Lo statore esterno è composto da coil di avvolgimento a 3 fasi inserite tra una serie di denti in acciaio laminato. Un sistema di commutazione elettronica alimenta questi coil in sequenza per produrre un campo magnetico rotante, che interagisce con i magneti permanenti sul rotore interno per creare rotazione.
A differenza dei servomotori BLDC, la corrente di commutazione per un servomotore CA viene fornita in forma di onda sinusoidale a tutte e tre le fasi in funzione della posizione del rotore. La corrente viene variata sia in ampiezza che in frequenza per fornire una coppia più potente e un controllo più preciso. Il segnale sinusoidale regolare minimizza anche gli effetti del cogging e della fluttuazione della coppia.
Vantaggi dei servomotori a magnete permanente CA
- Livelli eccezionali di potenza, efficienza e densità di coppia, in un pacchetto relativamente compatto.
- Fattori di forma, dimensioni e gamma di potenza versatili.
- Bassa inerzia per una risposta rapida a carichi e velocità in continua evoluzione.
- Lunga, affidabile durata con manutenzione minima.
Svantaggi dei servomotori a magnete permanente CA
- I motori scanalati possono manifestare cogging a basse velocità, anche se la commutazione a onda sinusoidale e il sofisticato firmware di azionamento possono compensare questo fenomeno.
Guida comparativa dei servomotori
| Servomotore CC | BLDC | Servomotore CA | |
|---|---|---|---|
| Fonte di alimentazione | Corrente continua | Corrente continua, commutazione | Corrente alternata |
| Efficienza | Minore efficienza | Elevata efficienza | Massima efficienza |
| Controllo della velocità | Eccellente (giri/min limitati nella fascia alta) | Medio | Eccellente |
| Controllo di posizione | Eccellente | Adeguato | Eccellente |
| Manutenzione e durata | Manutenzione più elevata, durata più breve | Bassa manutenzione, lunga durata | Bassa manutenzione, lunga durata |
| Densità di coppia | Medio | Alto | Massimo |
| Fluidità | Buono (limitato dalla risoluzione della retroazione, dalle frequenze di aggiornamento, ecc.) | Basso (tranne che per i vantaggi ad alto numero di giri/min.) | Ottimo (la capacità è funzione della risoluzione della retroazione, delle frequenze di aggiornamento, dei giri/min, ecc.) |
| Reattività | Potenza limitata | Buono | Ottimo |
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