Progettazione di stadi, azionamenti ed encoder.

I componenti che compongono il vostro sistema di posizionamento ad alta precisione – cuscinetti, sistema di misurazione della posizione, sistema motore-azionamento e controller – devono funzionare insieme nel miglior modo possibile. La Parte 1 ha trattato la base del sistema e i cuscinetti. La Parte 2 ha trattato la misurazione della posizione. In questa parte, discuteremo la progettazione di stadio, azionamento ed encoder; l'amplificatore di azionamento; e i controller.

I tre metodi comunemente utilizzati per assemblare le fasi lineari quando si utilizzano encoder lineari:
• L'azionamento e l'encoder sono posizionati nel baricentro della slitta o il più vicino possibile ad esso.
• L'azionamento è posizionato nel centro di massa; l'encoder è fissato su un lato.
• L'azionamento si trova da un lato, l'encoder dall'altro.

Il sistema ideale prevede l'azionamento al centro della massa della slitta con l'encoder. Tuttavia, questa soluzione è solitamente poco pratica. Il compromesso più comune prevede che l'azionamento sia leggermente spostato da un lato e l'encoder leggermente spostato dall'altro. Questo fornisce una buona approssimazione di un azionamento centrale con il feedback del movimento accanto al sistema di azionamento. Gli azionamenti centrali sono preferiti perché la forza di azionamento non introduce vettori di forza indesiderati nella slitta che potrebbero causare torsioni o armamenti. Poiché il sistema di cuscinetti vincola saldamente la slitta, l'armamento produrrebbe un aumento di attrito, usura e imprecisione nella posizione del carico.

Un metodo alternativo utilizza un sistema a portale con due azionamenti, uno su ciascun lato della slitta. La forza motrice risultante emula un azionamento centrale. Con questo metodo, è possibile posizionare il feedback di posizione al centro. Se ciò non fosse possibile, è possibile posizionare gli encoder su ciascun lato e controllare la tavola con uno speciale software di azionamento a portale.

Amplificatore di pilotaggio
Gli amplificatori per servoazionamenti ricevono segnali di controllo, solitamente ±10 Vdc, dal controller e forniscono tensione e corrente di esercizio al motore. In generale, esistono due tipi di amplificatori di potenza: l'amplificatore lineare e l'amplificatore a modulazione di larghezza di impulso (PWM).

Gli amplificatori lineari sono inefficienti e pertanto vengono utilizzati principalmente su azionamenti a bassa potenza. Le principali limitazioni alla capacità di gestione della potenza di uscita di un amplificatore lineare sono le caratteristiche termiche dello stadio di uscita e le caratteristiche di breakdown dei transistor di uscita. La dissipazione di potenza dello stadio di uscita è il prodotto della corrente e della tensione ai capi dei transistor di uscita. Gli amplificatori PWM, al contrario, sono efficienti e vengono tipicamente utilizzati per potenze superiori a 100 W. Questi amplificatori commutano la tensione di uscita a frequenze fino a 50 MHz. Il valore medio della tensione di uscita è proporzionale alla tensione di comando. Il vantaggio di questa tipologia è che la tensione viene commutata on e off, determinando un notevole aumento della capacità di dissipazione di potenza.

Una volta scelto il tipo di amplificatore, il passo successivo è assicurarsi che l'amplificatore possa fornire la corrente continua e la tensione di uscita richieste ai livelli richiesti per la velocità massima di rotazione del motore (o velocità lineare per i motori lineari) dell'applicazione.

Per i motori lineari brushless, è possibile fare un'ulteriore distinzione tra gli amplificatori. Due tipi di commutazione del motore sono generalmente utilizzati: trapezoidale e sinusoidale. La commutazione trapezoidale è un tipo di commutazione digitale in cui la corrente per ciascuna delle tre fasi viene commutata in modalità On o Off. I sensori a effetto Hall installati nel motore solitamente svolgono questa funzione. I sensori sono attivati da magneti esterni. Tuttavia, la relazione tra i sensori a effetto Hall, gli avvolgimenti delle bobine e i magneti è critica e comporta sempre una piccola tolleranza di posizione. Il tempo di risposta dei sensori, quindi, è sempre leggermente sfasato rispetto alle posizioni effettive di bobina e magnete. Ciò comporta una leggera variazione nell'applicazione della corrente alle bobine, con conseguenti inevitabili vibrazioni.

La commutazione trapezoidale è meno adatta per applicazioni di scansione molto precise e a velocità costante. Tuttavia, è meno costosa della commutazione sinusoidale, quindi è ampiamente utilizzata per sistemi punto-punto ad alta velocità o su sistemi in cui la fluidità del movimento non influisce sull'elaborazione.

Con la commutazione sinusoidale, non si verifica alcuna commutazione On-Off. Piuttosto, tramite commutazione elettronica, lo sfasamento di corrente di 360° delle tre fasi viene modulato secondo un andamento sinusoidale. Ciò si traduce in una forza motore uniforme e costante. La commutazione sinusoidale è quindi adatta per la realizzazione di contorni di precisione e per applicazioni che richiedono una velocità costante precisa, come la scansione e la visione artificiale.

Controllori
Esistono più classi di controller di quante ne possiamo discutere qui. In sostanza, i controller possono essere suddivisi in diverse categorie a seconda del linguaggio di programmazione e della logica di controllo.

I controllori logici programmabili (PLC) utilizzano uno schema logico "a scala". Sono utilizzati principalmente per controllare più funzioni di Input/Output (I/O) discrete, sebbene alcuni offrano funzionalità limitate di controllo del movimento.

I sistemi a controllo numerico (NC) sono programmati tramite un linguaggio standard del settore, RS274D o una sua variante. Possono eseguire movimenti complessi come forme sferiche ed elicoidali con controllo multiasse.

I sistemi non NC utilizzano una varietà di sistemi operativi proprietari, inclusi programmi di interfaccia di facile utilizzo per profili di movimento di base. La maggior parte di questi controller è costituita da un modulo controller di base senza monitor o tastiera. Il controller comunica con un host tramite una porta RS-232. L'host può essere un Personal Computer (PC), un terminale stupido o un'unità di comunicazione portatile.

Quasi tutti i controller più recenti sono digitali. Offrono un livello di affidabilità e facilità d'uso inaudito nei controller analogici. Le informazioni di feedback della velocità derivano solitamente dal segnale di posizione dell'asse. Tutti i parametri dei servocomandi vengono regolati tramite software anziché ricorrere laboriosamente alla regolazione dei "potenziometri" dell'amplificatore di pilotaggio, che tendono a variare dopo l'uso e con le variazioni di temperatura. La maggior parte dei controller moderni offre anche la regolazione automatica di tutti i parametri dei servocomandi degli assi.

I controllori più avanzati includono anche l'elaborazione distribuita e il controllo degli assi tramite processore di segnale digitale (DSP). Un DSP è essenzialmente un processore appositamente progettato per eseguire calcoli matematici molto rapidamente (almeno dieci volte più velocemente di un microprocessore). Questo può fornire tempi di campionamento del servo nell'ordine di 125 msec. Il vantaggio è un controllo preciso dell'asse per un controllo della velocità costante e un contorno uniforme.

Un algoritmo di filtro proporzionale-integrale-derivativo (PID) e un feed-forward di velocità e accelerazione migliorano il controllo servo dell'asse. Inoltre, la programmazione a curva a S dei profili di accelerazione e decelerazione controlla il jerk che solitamente accompagna l'avvio e l'arresto del movimento della tavola. Ciò garantisce un funzionamento più fluido e controllato, con tempi di assestamento più rapidi sia per la posizione che per la velocità.

I controllori includono anche ampie capacità di input/output digitali o analogici. Il programma utente o la subroutine possono essere modificati in base a informazioni di posizione, tempo o stato, valori di variabili, operazioni matematiche, eventi di I/O esterni o interni o interrupt di errore. Il processo utente può essere facilmente automatizzato.

Inoltre, la maggior parte dei controller può aumentare la risoluzione del feedback di posizione tramite moltiplicazione elettronica. Sebbene la moltiplicazione 4x sia comune, alcuni controller avanzati possono moltiplicare fino a 256x. Sebbene ciò non fornisca alcun miglioramento in termini di precisione, comporta un reale aumento della stabilità della posizione degli assi e, cosa ancora più importante in molti casi, della ripetibilità.

Nell'approccio complessivo, oltre ai fattori sopra menzionati, è necessario considerare altri fattori che possono influenzare le decisioni sui componenti, come budget, ambiente, aspettativa di vita, facilità di manutenzione, MTBF e preferenze dell'utente finale. L'approccio modulare consente l'assemblaggio del sistema a partire da componenti standard e facilmente reperibili, in grado di soddisfare anche i requisiti applicativi più esigenti, se il sistema viene analizzato a partire dalle basi per verificarne la compatibilità complessiva dei componenti.