3 modalità di controllo del servomotore spiegate

1. Modalità di controllo degli impulsi del servomotore

I servomotori sono ampiamente utilizzati in varie applicazioni grazie alla loro precisione e affidabilità. Uno dei metodi più comuni per controllare i servomotori, soprattutto nelle piccole apparecchiature autonome, è il controllo a impulsi. Questo metodo è semplice e di facile comprensione e rappresenta una scelta popolare per il posizionamento dei motori.

Concetto di controllo di base

La modalità di controllo a impulsi si basa su due principi fondamentali:

1. Conteggio totale degli impulsi: Determina lo spostamento del motore. Il numero di impulsi inviati al servomotore corrisponde direttamente alla distanza di spostamento del motore. Ad esempio, se un servomotore necessita di 2000 impulsi per completare una rotazione completa, inviando 1000 impulsi si otterrà una mezza rotazione.
2. Frequenza d'impulso: Determina la velocità del motore. La frequenza degli impulsi inviati al motore determina la velocità di movimento del motore. Una frequenza di impulsi più elevata determina una maggiore velocità del motore, mentre una frequenza più bassa determina un movimento più lento.

Implementazione del controllo a impulsi

Per implementare il controllo a impulsi di un servomotore, procedere come segue:

1. Selezionare la modalità di controllo degli impulsi: Assicurarsi che il servomotore e il suo controllore siano impostati per funzionare in modalità di controllo a impulsi. In genere ciò può essere fatto attraverso le impostazioni di configurazione del motore o selezionando la modalità appropriata nel software del controllore.
2. Determinare i requisiti di impulso: Consultare il manuale del servomotore per capire la relazione tra impulsi e movimento del motore. Il manuale fornisce una tabella o una formula che indica il numero di impulsi necessari per determinati movimenti.
3. Generare impulsi: Utilizzare un generatore di impulsi o un microcontrollore per generare gli impulsi richiesti. Il generatore di impulsi deve essere in grado di produrre impulsi alla frequenza e al conteggio desiderati.
4. Inviare impulsi al motore: Collegare il generatore di impulsi all'ingresso del servomotore. Il motore riceverà gli impulsi e si muoverà di conseguenza. Assicurarsi che i collegamenti siano sicuri e che il generatore di impulsi sia configurato correttamente.

Tabella di esempio dal manuale del servomotore

Ecco un esempio di come potrebbe apparire una tipica tabella tratta dal manuale di un servomotore:

Forma dell'impulso di comando	Nome del segnale	Comando di direzione positivo	Comando di direzione negativa
90 bit di differenza di fase   Impulso bifase Fase A + B	SEGNO PULS	B è 90 gradi più veloce della fase a	B è 90 gradi più lento della fase a
Treno di impulsi positivi + treno di impulsi negativi	SEGNO PULS
Impulso + simbolo	SEGNO PULS

Vantaggi del controllo a impulsi

• Semplicità: Il controllo a impulsi è facile da implementare e da capire e si adatta a diverse applicazioni.
• Precisione: Controllando il numero e la frequenza degli impulsi, è possibile ottenere un posizionamento preciso e un controllo della velocità.
• Flessibilità: Il controllo a impulsi può essere utilizzato con vari tipi di servomotori e controllori, offrendo flessibilità nella progettazione del sistema.

Metodi di implementazione del driver del motore controllato da impulsi

Nel campo del controllo dei motori, in particolare per le applicazioni ad alta velocità, i metodi di controllo a impulsi sono fondamentali per determinare la direzione e la velocità di rotazione del motore. Di seguito analizziamo tre metodi distinti di controllo a impulsi, ciascuno con caratteristiche, vantaggi e limiti unici.

Metodo 1: Controllo differenziale

Implementazione:

• Il driver riceve due impulsi ad alta velocità, contrassegnati come 𝑎a e 𝑏b.
• Il senso di rotazione del motore è determinato dalla differenza di fase tra questi due impulsi.
  • Se l'impulso 𝑏b impulso dei conduttori 𝑎a di 90 gradi, il motore ruota in direzione positiva.
  • Se l'impulso 𝑏b ritardo dell'impulso 𝑎a di 90 gradi, il motore ruota in senso inverso.

Caratteristiche:

• Impulsi alternati: Gli impulsi bifase si alternano, dando origine al termine "controllo differenziale".
• Anti-Interferenza: Questo metodo presenta maggiori capacità anti-interferenza, rendendolo adatto ad ambienti con forti interferenze elettromagnetiche.

Limitazioni:

• Intenso di risorse: Richiede due porte per impulsi ad alta velocità per un singolo albero motore, il che può costituire un limite nei sistemi con disponibilità limitata di porte per impulsi ad alta velocità.

Metodo 2: Controllo sequenziale degli impulsi

Implementazione:

• Il driver riceve ancora due impulsi ad alta velocità, ma non sono simultanei.
• Quando un impulso è attivo, l'altro deve essere inattivo.
• Un impulso controlla la direzione positiva, mentre l'altro controlla la direzione negativa.

Caratteristiche:

• Impulsi sequenziali: Assicura l'emissione di un solo impulso in qualsiasi momento, evitando conflitti di impulsi simultanei.

Limitazioni:

• Intenso di risorse: Come il controllo differenziale, anche questo metodo richiede due porte per impulsi ad alta velocità per un singolo albero motore.

Metodo 3: Impulso singolo con segnale IO direzionale

Implementazione:

• Il driver riceve un singolo segnale a impulsi ad alta velocità.
• Il senso di rotazione del motore è controllato da un ulteriore segnale direzionale IO.

Caratteristiche:

• Controllo più semplice: Questo metodo semplifica la logica di controllo riducendo il numero di segnali a impulsi necessari.
• Efficienza delle risorse: Occupa un numero inferiore di porte per impulsi ad alta velocità, il che lo rende ideale per i sistemi più piccoli con risorse limitate.

Limitazioni:

• Inferiore Anti-Interferenza: Pur essendo più semplice, questo metodo potrebbe non offrire lo stesso livello di capacità anti-interferenza del controllo differenziale.

Sintesi

Ogni metodo di controllo degli impulsi offre vantaggi distinti ed è adatto a diversi scenari applicativi:

• Controllo differenziale: È la soluzione migliore per gli ambienti ad alta interferenza, grazie alle sue capacità anti-interferenza superiori, ma richiede più risorse.
• Controllo sequenziale degli impulsi: Offre un equilibrio tra complessità di controllo e utilizzo delle risorse, ma richiede comunque due porte per impulsi ad alta velocità.
• Impulso singolo con segnale IO direzionale: Ideale per sistemi di piccole dimensioni con risorse limitate, offre semplicità ed efficienza al costo di capacità anti-interferenza potenzialmente inferiori.

Quando si sceglie un metodo di controllo, occorre considerare i requisiti specifici dell'applicazione, tra cui il livello di interferenza, la disponibilità di risorse e la complessità del controllo.

2. Modalità di controllo analogico del servomotore

Nelle applicazioni in cui è richiesto un controllo preciso della velocità di un servomotore, il controllo analogico può essere un metodo efficace. Questa modalità utilizza un segnale analogico per regolare la velocità del motore, offrendo un approccio semplice e flessibile.

Selezione della quantità analogica

Il segnale di controllo analogico può essere una tensione o una corrente. Ogni metodo ha i suoi vantaggi e le sue considerazioni:

Modalità tensione

In modalità tensione, il segnale di controllo è una tensione specifica applicata all'ingresso di controllo del servomotore. Questo metodo è relativamente semplice da implementare e può essere realizzato anche utilizzando un potenziometro per le regolazioni manuali. Ecco i punti chiave:

• Attuazione: Applicare una tensione specifica all'estremità del segnale di controllo.
• Facilità d'uso: Impostazione semplice, spesso con l'uso di un potenziometro.
• Idoneità: Ideale per applicazioni semplici con interferenze ambientali minime.

Tuttavia, i segnali di tensione sono suscettibili di disturbi e interferenze, soprattutto in ambienti complessi. Ciò può portare a un controllo instabile del motore, rendendolo meno affidabile in questi scenari.

Modalità corrente

Il controllo in modalità corrente richiede un modulo di uscita in corrente corrispondente per generare il segnale di controllo. Nonostante il requisito hardware aggiuntivo, i segnali in corrente offrono notevoli vantaggi in termini di stabilità e affidabilità:

• Attuazione: Richiede un modulo di uscita in corrente.
• Anti-Interferenza: Forte resistenza al rumore ambientale e alle interferenze.
• Idoneità: Ottimale per ambienti complessi in cui la stabilità del controllo è fondamentale.

La natura robusta dei segnali di corrente li rende preferibili in ambienti industriali o in altre applicazioni in cui le condizioni ambientali possono influire sull'integrità del segnale.

3. Modalità di controllo della comunicazione del servomotore

I servomotori sono componenti fondamentali in diverse applicazioni industriali e forniscono un controllo preciso del movimento. La modalità di controllo della comunicazione per i servomotori è essenziale per ottenere un funzionamento efficiente e preciso, soprattutto in sistemi complessi e su larga scala. Qui esploriamo i protocolli di comunicazione più comuni utilizzati per il controllo dei servomotori e i loro vantaggi.

Protocolli di comunicazione comuni

1. CAN (Controller Area Network)
   • Panoramica: Il CAN è un robusto standard di bus per veicoli progettato per consentire a microcontrollori e dispositivi di comunicare tra loro senza un computer host.
   • Vantaggi: Alta affidabilità, funzionalità in tempo reale e meccanismi di rilevamento degli errori.
   • Applicazioni: Ampiamente utilizzato nei sistemi di automazione automobilistica e industriale.
2. EtherCAT (Ethernet per la tecnologia di automazione di controllo)
   • Panoramica: EtherCAT è un sistema di bus di campo basato su Ethernet progettato per applicazioni di controllo in tempo reale.
   • Vantaggi: Comunicazione ad alta velocità, bassa latenza e capacità di sincronizzazione.
   • Applicazioni: Ideale per applicazioni ad alte prestazioni come robotica, macchine CNC e sistemi di controllo del movimento.
3. MODBUS
   • Panoramica: MODBUS è un protocollo di comunicazione seriale originariamente pubblicato da Modicon per l'uso con i suoi controllori logici programmabili (PLC).
   • Vantaggi: Semplicità, facilità di implementazione e ampia adozione.
   • Applicazioni: Comunemente utilizzato in ambienti industriali per il collegamento di dispositivi elettronici.
4. PROFIBUS (Bus di campo di processo)
   • Panoramica: PROFIBUS è uno standard per la comunicazione su bus di campo nella tecnologia dell'automazione.
   • Vantaggi: Alta velocità di trasmissione dei dati, affidabilità e ampie capacità diagnostiche.
   • Applicazioni: Utilizzato nell'automazione di fabbrica e di processo.

Vantaggi del controllo della comunicazione nei servomotori

L'utilizzo di protocolli di comunicazione per il controllo dei servomotori offre diversi vantaggi, soprattutto in applicazioni complesse e su larga scala:

• Scalabilità: Le dimensioni del sistema e il numero di alberi motore possono essere facilmente adattati senza modifiche significative all'infrastruttura.
• Ridotta complessità di cablaggio: Il controllo tramite comunicazione riduce la necessità di un cablaggio di controllo esteso, semplificando l'installazione e la manutenzione.
• Flessibilità: Il sistema costruito è altamente flessibile e consente una facile integrazione e riconfigurazione dei componenti.
• Diagnostica avanzata: I protocolli di comunicazione spesso includono funzioni diagnostiche che aiutano a monitorare e a risolvere i problemi del sistema.
• Controllo in tempo reale: Protocolli come EtherCAT offrono funzionalità di controllo in tempo reale, essenziali per le applicazioni che richiedono tempistiche e sincronizzazioni precise.

4. Ampliamento delle modalità di controllo dei servomotori

1. Controllo della coppia del servomotore

La modalità di controllo della coppia consente di impostare con precisione la coppia di uscita esterna dell'albero motore mediante l'ingresso di un segnale analogico esterno o l'assegnazione diretta dell'indirizzo. Questa modalità è particolarmente utile nelle applicazioni in cui è fondamentale mantenere costante la sollecitazione del materiale.Esempio:

• Se un ingresso di 10 V corrisponde a 5 Nm di coppia, un ingresso di 5 V produrrà 2,5 Nm di coppia in uscita.
• Quando il carico sull'albero del motore è inferiore a 2,5 Nm, il motore ruota in avanti.
• Quando il carico esterno è pari a 2,5 Nm, il motore rimane fermo.
• Quando il carico supera i 2,5 Nm, il motore inverte il senso di marcia (comune nei sistemi con carico di gravità).

Applicazioni:

• Dispositivi di avvolgimento e svolgimento, come quelli utilizzati nella produzione tessile o nelle apparecchiature di trazione delle fibre ottiche, dove la sollecitazione del materiale deve rimanere costante.
• Le regolazioni in tempo reale dell'impostazione della coppia possono essere effettuate modificando l'ingresso analogico o il valore attraverso i protocolli di comunicazione, garantendo una sollecitazione costante del materiale nonostante le variazioni del raggio di avvolgimento.

2. Controllo della posizione del servomotore

In modalità di controllo della posizione, la velocità di rotazione del motore è tipicamente determinata dalla frequenza degli impulsi di ingresso esterni, mentre l'angolo di rotazione è controllato dal numero di impulsi.Caratteristiche:

• Alcuni servosistemi consentono l'assegnazione diretta dei valori di velocità e spostamento attraverso la comunicazione.
• Questa modalità offre un controllo preciso della velocità e della posizione, ideale per le applicazioni che richiedono un'elevata precisione.

Applicazioni:

• Dispositivi di posizionamento
• Macchine utensili CNC
• Macchine da stampa

3. Modalità velocità del servomotore

La modalità velocità consente di controllare la velocità di rotazione del motore tramite ingresso analogico o frequenza di impulsi.Caratteristiche:

• Con il controllo PID ad anello esterno da un dispositivo di controllo superiore, la modalità velocità può essere utilizzata anche per il posizionamento.
• Il segnale di posizione del motore o del carico diretto deve essere inviato al computer superiore per l'elaborazione.
• Supporta il rilevamento diretto della posizione dell'anello esterno del carico, in cui l'encoder dell'albero motore misura solo la velocità e un dispositivo separato all'estremità del carico fornisce il segnale di posizione.

Vantaggi:

• Riduce gli errori nella trasmissione intermedia
• Migliora l'accuratezza complessiva del posizionamento del sistema

4. Comprendere i tre loop

I servosistemi funzionano in genere con tre sistemi di regolazione PID a retroazione negativa ad anello chiuso: l'anello di corrente, l'anello di velocità e l'anello di posizione.Loop attuale:

• Il loop più interno, gestito interamente dal servoazionamento.
• Rileva e regola la corrente di uscita di ciascuna fase del motore utilizzando un dispositivo Hall.
• Controlla la coppia del motore con un carico computazionale minimo e una risposta dinamica rapida.

Loop di velocità:

• Il secondo anello, che utilizza il feedback dell'encoder del motore.
• L'uscita PID dell'anello di velocità imposta l'anello di corrente, il che significa che il controllo della velocità include intrinsecamente il controllo della corrente.
• Essenziale per qualsiasi modalità di controllo, poiché l'anello di corrente costituisce la base del controllo.

Posizione Loop:

• Il loop più esterno, che può essere configurato tra il driver e l'encoder del motore o tra un controllore esterno e l'encoder del motore/carico finale.
• L'uscita interna dell'anello di controllo della posizione imposta l'anello di velocità, rendendo necessario il funzionamento di tutti e tre gli anelli in modalità di controllo della posizione.
• Questa modalità comporta il maggior sforzo computazionale e ha la risposta dinamica più lenta.

Conclusione

La comprensione delle diverse modalità di controllo e del sistema a tre anelli dei servomotori è essenziale per ottimizzarne le prestazioni in varie applicazioni industriali. Ogni modalità offre vantaggi unici ed è adatta a compiti specifici, garantendo un controllo preciso su coppia, posizione e velocità.