Molte applicazioni richiedono un movimento fluido ed un’elevata precisione, sia durante l’operazione che alla fine, in particolare per applicazioni mediche e di laboratorio. Anche se si utilizzano servo parametri PID (proporzionali, integrali, derivati) perfettamente ottimizzati per controllare la posizione, il circuito di compensazione non è mai completamente perfetto poiché deve gestire l’influenza di una vasta gamma di forze sull’attuale sistema meccanico.

Una di queste forze è il carico dell’asse del motore stesso. Il carico ha una massa che riflette le forze inerziali verso il servo circuito e, nella misura in cui il motore o le connessioni meccaniche a valle hanno attrito e conformità (non sono infinitamente rigide), queste forze si riflettono anche sul motore e influenzano il servo tracking.

Che cosa succede quando l’output della coppia motrice è perfettamente lineare? Si ha un movimento più fluido, meno rumore e movimenti più precisi.

Generazione della coppia:

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Figura 1: tipico schema di controllo elettronico del motore


La Figura 1 mostra un tipico schema di controllo elettronico del motore: un profile generator, un compensatore di posizione PID, un loop di corrente, un generatore di segnale PWM e un amplificatore di commutazione. La corrente che fluisce attraverso il motore è ciò che guida l’asse della macchina generando una coppia.

Alcuni sistemi di controllo più semplici rinunciano al circuito di corrente e trasmettono direttamente un comando di tensione al motore, che a sua volta crea corrente nelle bobine del motore. Come risulta però, la relazione tra la tensione sulle bobine del motore e la corrente effettiva che fluisce attraverso il motore può essere piuttosto complicata.

I due effetti più importanti sono che se il motore gira, il motore diventerà un generatore e svilupperà la propria tensione “back-EMF”, e che quando la corrente fluisce attraverso la bobina del motore, tenderà a resistere attraverso l’auto- induzione. Entrambi gli effetti producono un flusso di corrente reale nella bobina che può essere molto diverso dal comando di tensione applicato.
Pertanto, per la maggior parte delle applicazioni di controllo del movimento, viene utilizzato un loop di corrente che misura e controlla attivamente la corrente del motore. I moderni controller svolgono questo compito in modo digitale, utilizzando convertitori A / D (da analogico a digitale). In un motore DC Brush, viene utilizzato un loop di corrente monofase, mentre nei motori step e soprattutto nei motori DC Brushless, vengono utilizzati schemi multifase più complicati come il Field-oriented Control (FOC).

Questi schemi computazionalmente intensivi sono in uso da un po’ di tempo e sono popolari perché forniscono più coppia a velocità di centrifuga più elevate e quindi aiutano a linearizzare la coppia erogata dal motore su un intervallo operativo più ampio.

Compensazione:

Con un circuito di corrente ben scelto sono possibili tecniche ancora più avanzate che utilizzano informazioni sul motore o sull’applicazione, per regolare la corrente comandata in modo tale che la coppia del motore sia più lineare.
Ciò è necessario perché la coppia fisica generata dal motore non è necessariamente uniforme o lineare (sia per un motore rotativo che per un motore lineare) e la macchina stessa, una volta che inizia a muoversi, è sovrastata di forze non solo dal motore ma indotte dal movimento della macchina stessa.
L’obiettivo è compensare le forze già conosciute della macchina o del motore, riducendo in tal modo l’output del comando di coppia necessario dal circuito PID.

Il tipo più semplice possibile di feedforward di coppia è la polarizzazione costante nel comando di coppia desiderato per compensare forze come la gravità. Oltre a ciò, ma ancora molto semplici, sono i termini di avanzamento proporzionale della coppia lineare ad asse singolo e dell’accelerazione proporzionale alla coppia, che compensa forze come attrito e inerzia.

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Figura 2: Errori di posizione del profilo di movimento trapezoidale dopo velocità e accelerazione Feedforward

La Figura 2 mostra un asse che si muove attraverso un profilo di movimento trapezoidale e una possibile risposta di errore di posizione da un controller PID ben regolato. Il grafico mostra l’errore di posizione senza compensazione feedforward, con velocità-feedforward e con accelerazione-feedforward applicata.

Parliamo di cinematica?

Le macchine costruite con attuatori “ortogonali”, come uno stadio XY, hanno forze riflesse semplici che sono relativamente facili da compensare. Tuttavia, alcune configurazioni di robot, come i bracci articolati in stile PUMA (sono i bracci che si vedono saldare macchine o spostare pallet nelle fabbriche) hanno coppie riflesse molto più complicate e includono forze completamente nuove come le forze centripete.

Un esempio molto semplice di forze che possono derivare da meccanismi non ortogonali è mostrato nella Figura 3, in cui la forza gravitazionale trasmessa a un motore dell’articolazione della spalla non è costante, ma è una funzione della posizione dell’articolazione della spalla.

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Figura 3: Meccanismi non ortogonali

Una delle principali categorie di forze (coppie) che possono essere compensate elettronicamente è il meccanismo di una macchina che si muove e induce coppie riflesse sui propri motori. Un’altra categoria importante viene dal motore stesso. La ragione di ciò è che i motori, sia rotativi che lineari, non forniscono una conversione proporzionale perfetta del flusso di corrente in coppia generata.

Uno di questi effetti è il “fermo” motore. I fermi vengono percepiti in un motore passo-passo come dossi regolari durante la rotazione. Con i motori Brushless DC esistono fermi per motori che non sono “senza slot”. Simile ai motori passo-passo, questi dossi causano una variazione della coppia generata anche quando viene fornita una forma d’onda di controllo “perfetta”.

Quindi, come possiamo correggere i fermi? La risposta è che possiamo mappare il profilo di movimento della coppia motrice mentre attraversa una rotazione elettrica e generare una mappa di compensazione dei valori di coppia (ancora un’altra forma di feedforward) per contrastare i fermi o qualsiasi altra non linearità sistematica della coppia. Anche se questa tecnica di compensazione raramente fornisce una linearizzazione perfetta, in particolare quando è inclusa la variazione da motore a motore, spesso può fornire un miglioramento molto significativo.

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Figura 4: Esempio di tabella di compensazione della coppia su rotazione elettrica a 360 gradi

A titolo di esempio, la Figura 4 mostra una tabella che è stata costruita per un motore DC Brushless nel laboratorio PMD. Si noti che ha una ripetizione regolare all’interno della rotazione elettrica a 360 gradi. Questo è comune per i motori e si ricollega alla complessa forma delle interazioni del campo magnetico tra lo statore e il rotore. Per questo motore l’ampiezza totale della regolazione non era maggiore del 5%, ma per le applicazioni che vogliono passare al “livello successivo” di scorrevolezza e precisione, quella piccola regolazione può essere importante.

Vale la pena notare che i motori passo-passo possono migliorare la precisione del posizionamento con una tecnica simile. Ad una risoluzione precisa, anche se presentato con una forma d’onda sinusoidale perfetta, i motori passo-passo non si muovono con incrementi esatti. Piccole regolazioni della tabella di ricerca della coppia vettoriale Sin / Cos comandata possono migliorare la precisione del microstepping proprio come nel caso dei motori BLDC.

Conclusione

Sebbene richiedano tempo per la configurazione, per i controller di movimento basati su software queste tecniche di regolazione della coppia sono così efficienti dal punto di vista computazionale che sono essenzialmente gratuite. I moderni DSP e i circuiti integrati dedicati per il controllo del movimento hanno così tanta potenza di calcolo disponibile che possono facilmente supportare funzioni come FOC, termini di velocità e accelerazione di avanzamento e mappatura di compensazione della coppia più complessa.
Quindi, per portare le prestazioni della tua macchina al livello successivo, i progettisti dovrebbero essere consapevoli della tendenza verso la compensazione elettronica della coppia erogata dal motore.

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Juno MC73112 Torque Control IC di PMD offre un controllo avanzato della coppia motrice per motori DC brushless. L’IC MC73112 è un membro della famiglia Juno di PMD di IC che include circuiti integrati che forniscono il controllo di motori DC Brush e motori passo-passo e forniscono un controllo di velocità ad alte prestazioni.

Tutte le specifiche nella pagina prodotto Juno MC73112 Torque Control IC di PMD


Contenuti ispirati all’articolo “Motion Control Technology Trends for Medical and Laboratory Applications” di Chuck Lewin, su pmdcorp.com

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