TECNOLOGIA FULL DIGITAL E MOTORI PASSO PASSO IN LOOP CHIUSO

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1 TECNOLOGIA FULL DIGITAL E MOTORI PASSO PASSO IN LOOP CHIUSO SOMMARIO La praica correne di usare il moore passo passo in anello apero non può e non deve precludere la possibilià di uilizzare ali moori in anello chiuso. Le presazioni oenibili in ale modalià da un moore passo passo piloao da un azionameno full digial di Ever Eleronica, dimosrano infai che ali sisemi sono in grado di rendere velocemene sabile al valore desiderao l inseguimeno di un riferimeno di posizione anche in condizioni d uso che, specialmene in condizioni di direc driving e sino a velocià di 2 rpm, sarebbero impegnaive per un moore brushless. Il moore passo passo, inolre, pur resando per ipologia cosruiva uno dei ipi di auaore più adai al conrollo di cicli di posizionameno, con la modalià di conrollo in loop chiuso, può essere preso in considerazione anche per il conrollo molo preciso di velocià. Il uo a cosi che, aspeo sicuramene non rascurabile, si avvicinano più a quelli di un drive in anello apero che a quelli ipici per un comune servoazionameno di uguale poenza. PROGETTAZIONE MECCATRONICA Le auali condizioni di mercao impongono alle macchine livelli di produivià e di flessibilià sempre cresceni assieme a una migliore qualià del prodoo finio. Inolre, negli ulimi anni, la progeazione di macchine sempre più sofisicae ha porao all inegrazione di ecnologie che permeono la realizzazione di cinemaismi ad ale presazioni: veri e propri sisemi definii in modo meccaronico e adoando sraegie di sviluppo inegrao fra meccanica ed eleronica adeguae al livello di inegrazione desiderao. AZIONAMENTI FULL DIGITAL Ever Eleronica propone, per queso scopo, nuove soluzioni per lo sviluppo delle macchine ad ale presazioni: il conrollo del moore passo passo in anello chiuso. Implemenao negli azionameni full digial di ulima generazione di Ever, il conrollo in anello chiuso permee di migliorare le presazioni del servomoore, in relazione alla precisione di posizionameno, alla dinamica (velocià di risposa) e all efficienza. L oimizzazione delle presazioni del moore passo passo è oenua mediane una gesione real-ime dei parameri di conrollo del moore (correne, velocià, posizione) e rappresena una risposa concrea alla crescene richiesa di migliorameno delle presazioni di conrollo e velocià dei sisemi passo passo in anello apero, senza l obbligo di dover aumenare significaivamene i cosi, ed esporsi ai rischi connessi con il cambio, adoando una soluzione di conrollo del moo con moore brushless. La nuova soluzione è infai perfeamene inercambiabile con le soluzioni passo passo pre-esiseni e semplice da implemenare e paramerizzare in funzione dell applicazione. AZIONAMENTI PASSO PASSO IN LOOP CHIUSO Il sisema di conrollo di moo presenao viene realizzao reazionando il moore con un encoder incremenale con risoluzione dipendene dalla precisione richiesa dall applicazione. In genere, grazie al sofisicao algorimo di conrollo implemenao, è possibile oenere buone presazioni anche con poco cososi encoder a bassa risoluzione (5 imp/giro), eviando l impiego di encoder a grande risoluzione quali quelli necessari ad esempio ai sisemi brushless per simulare il funzionameno di un moore passo passo. RIFERIMENTO DI POSIZIONE CONTROLLO IN ANNELLO CHIUSO POSIZIONE La funzione dell encoder non consise semplicemene nella soluzione del problema della perdia di passo conrollando i passi effeuai alla fine del movimeno del moore, ma garanisce soprauo posizionameni precisi (il grado di precisione può essere definio in funzione dell applicazione) moniorando in empo reale lo sposameno che il moore é in grado di effeuare. Pagina di 9

2 Il sisema in anello chiuso è sao sviluppao in modo che si possano avere reazioni isananee a variazioni di carico sul moore, oenendo oimi risulai anche per i carichi ipicamene inerziali, senza pregiudicare il buon funzionameno dell applicazione. Si eviano in al modo i sovradimensionameni necessari per moli sisemi passo passo in anello apero e brushless, per garanire il correo funzionameno in ue le siuazioni di carico. In queso modo inolre non sono necessarie ricerche di risonanza meccanica (FFT) o analisi di modulo e fase che vengono effeuae per gli azionameni brushless. In presenza di carichi variabili un analisi di queso ipo non è peralro uilizzabile, perché il puno di risonanza cambia in funzione del carico applicao al moore menre la paramerizzazione dell applicazione ramie i sisemi auomaici di apprendimeno previsi per moli azionameni brushless è uile solo nel caso in cui il carico del sisema non sia variabile o comunque non subisca variazioni significaive durane il funzionameno. Tramie il conrollo in anello chiuso è inolre possibile eviare le risonanze dovue alla sruura del moore passo passo, come anche per i moori brushless, che viene conrollao oimizzando l angolo dell ecciazione, eviando le pendolazioni del roore nell inorno della posizione finale. A ale caraerisica si aggiunge anche la possibilià di effeuare il micropasso, che grazie all ala risoluzione, può spingersi fino a 256 passi/giro. Il sisema è molo flessibile, poendo l uilizzaore decidere se il moore deve raggiungere una cera posizione in modo dolce (basse vibrazioni) o veloce (ala precisione). Tue le regolazioni necessarie per il conrollo con feedback avvengono ramie l inerfaccia seriale RS232/485 oppure ramie bus di campo CANbus in funzione della versione di azionameno uilizzaa. Tramie ali inerfacce è possibile paramerizzare infai i dai specifici relaivi al conrollo in anello chiuso così come ui i dai relaivi all azionameno e all applicaivo uene dal momeno che la funzione conrollo in anello chiuso è saa aggiuna al firmware di cui sono doai gli azionameni Ever. VELOCITY (Hz) Fpasso( ) FMR.7 Fpasso_filer ( ) FMR PRESTAZIONI DEL MOTORE PASSO PASSO IN ANELLO APERTO Analizzando il comporameno di un moore passo passo comandao in anello apero nell inseguimeno di un profilo di velocià ipico, quale ad esempio quello riporao nella figura precedene, si rova che la velocià del moore non converge al valore di riferimeno, ma coninua ad oscillare aorno a ques ulimo. Inolre è dimosrabile che una variazione dell inerzia del carico oppure un aumeno della coppia resisene, possono porare il sisema in una condizione di insabilià. Il modo più economico in quese condizioni per porare il sisema in uno sao sabile è agire sulla correne e ensione applicae al moore, oppure rallenare la velocià di funzionameno. Dalla relazione che esprime in funzione delle coppie Tm e Tr e l inerzia oale J l accelerazione imposa al moore Dw/d = (T m T R ) / J risulano chiari i moivi per cui, in presenza di una coppia morice Tm in esubero rispeo alla coppia di carico resisene rappresenaa nella formula da T R, oppure di variazioni di Tr, la velocià del moore sia soggea a variazioni. Per oenere un posizionameno sicuro infai in anello apero si deve uilizzare una correne di fase I F in grado di garanire una coppia Tm ale che il moore non si blocchi per variazioni del carico, essendo l ampiezza della coppia sviluppaa dal moore espressa come: Tm = K e x I F ( ) Pagina 2 di 9

3 Dalla figura che segue risula evidene l andameno reale della velocià del moore in ale siuazione. 225 VMR PAR VELOCITY (rpm) w ( ) wrif ( ) p ( wrif ( ) w ( ) ) a erins_medio ( ) da erins ( ) 2 76 werr( ) 2 wn( ) VMR 6.5 PAR La figura seguene evidenzia invece l andameno della correne di fase durane il movimeno che non può, per i moivi sopra esposi, essere ridoa significaivamene durane il movimeno a velocià cosane rispeo al valore uilizzao per accelerare il carico. Correne nelle fasi moore (A) Ia_rif( ) Ib_rif( ) Ia_avv( ) Ib_avv( ) Cb.4 Ia_avv( ) 2 + Ib_avv( ) 2 2 Cb Pagina 3 di 9

4 PRESTAZIONI DEL MOTORE PASSO PASSO PILOTATO IN LOOP CHIUSO CON FIRMWARE FULL DIGITAL DI EVER ELETTRONICA Le differenze presazionali principali di un conrollo full digial del moore passo passo in anello chiuso rispeo ad un conrollo in l anello apero sono relaive a: la precisione di posizionameno; la sabilià della velocià; l oimizzazione della correne di fase del moore; il manenimeno del passo; la riduzione della poenza assorbia dalla ree; il minor riscaldameno del moore. Precisione e sabilià delle presazioni Il conrollo in anello chiuso permee infai di oenere un inseguimeno preciso e sabile del profilo di velocià eorico eviando le oscillazioni di velocià e riducendo l errore isananeo di inseguimeno. Il sisema risulane è robuso rispeo alle variazioni di inerzia di carico e immune ai disurbi di coppia, quali quelli causai ad esempio da un aumeno impreviso degli arii. È imporane noare come un ale sisema, anche qualora si presenassero delle siuazioni di carico proibiive (aumeni olre i parameri ammessi di alcuni valori di carico dell applicazione), è in grado di adaare le condizioni di funzionameno del moore allo scopo di non perdere il passo e realizzare un auounig dell inseguimeno. La figura seguene mosra il comporameno ipico di un conrollo in anello chiuso, come si vede, significaivamene migliore rispeo ala quello di un azionameno in anello apero a parià di condizioni di funzionameno (velocià, accelerazione e inerzie). Il valore di correne di fase I F nell inseguimeno del riferimeno di posizione viene oimizzao ramie una relazione del ipo: I F = Kp * e θ + Kd * de θ / d + Kf * d 2 e θ / d 2 in cui il valore e θ, che esprime l errore di posizione isananeo è deerminao, così come la sua derivaa de θ /d =? R -?, che esprime invece l errore isananeo di velocià, ogni µs in modo di consenire all azionameno un inseguimeno molo reaivo ed accurao. A iolo di confrono si osserva che i servosisemi per moori brushless più diffusi hanno un eveno di leura dei suddei parameri mediamene ogni in 25us. 225 VMR PAR VELOCITY (rpm) w ( ) wrif( ) p ( wrif( ) w( ) ) a erins_medio( ) daerins( ) 5 76 werr( ) 5 wn( ) VMR PAR Dao che in un servo azionameno che conrolla la posizione del moore, la precisione di inseguimeno della posizione di riferimeno dipende anche dalla sabilià della velocià del moore, nel senso che se la velocià non è sabilmene agganciaa al valore di riferimeno l errore isananeo di posizione aumena all aumenare della velocià, si può capire l imporanza di un ciclo di regolazione veloce quale quello implemenao negli azionameni full digial di Ever Eleronica. Poiché inolre con il conrollo in anello chiuso si possono raggiungere accelerazioni maggiori di quello oenibili in anello apero grazie al manenimeno del sincronismo del moo in ogni condizione di carico, è possibile incremenare le presazioni dinamiche del moore sfruando le sue caraerisiche di coppia in modo oimale e manenendo sabile la risposa del moore anche in movimeni soggei a coninue fluuazioni di coppia richiesa. Pagina 4 di 9

5 Oimizzazione della correne di fase del moore e manenimeno del passo L incremeno delle presazioni è relaivo anche alla oimizzazione della correne negli avvolgimeni del moore: in anello chiuso, allorché si è agganciao il riferimeno di velocià, si insegue ques ulimo con una sensibile diminuzione della correne di avvolgimeno rispeo al valore erogao durane l accelerazione. La figura che segue evidenzia come, con gli sessi parameri di moo e con lo sesso moore analizzai nel movimeno in loop apero, basi alimenare ques ulimo con una correne di fase molo più bassa nel caso di conrollo in anello chiuso, rispeo a quella necessaria in anello apero, per oenere presazioni dinamicamene superiori. Correne nelle fasi moore (A) Ia_rif( ) Ib_rif( ) Ia_avv( ) Ib_avv( ) Cb.4 Ia_avv( ) 2 + Ib_avv( ) 2 2 Cb Riduzione della poenza assorbia dalla ree e del riscaldameno del moore Ciò ha come conseguenze posiive la diminuzione dell energia dispersa in calore e quindi della emperaura di esercizio del moore e la non generazione di coppia in esubero che si radurrebbe, come viso nel conrollo in anelo apero, in coninue accelerazioni e decelerazioni non volue del moore. Quesa caraerisica è imporane soprauo in movimeni con cicli di sposameno coninui dove si possono oenere risparmi energeici considerevoli. Dall ulimo grafico relaivo alla correne isananea in anello chiuso, oenuo imposando un valore massimo di correne erogabile durane i ransiori di accelerazione e decelerazione di 5 Arms e una correne minima erogabile a regime di Arms, si rileva un valore di correne media Irmsa= 2,28Arms per la fase a e Irmsb= 2,239 Arms per la fase b ed i segueni dai per poenze e innalzameno della emperaura del moore: Poenza_assorbia = 9,32 Poenza_meccanica =,47 Pj_diss = 7,662 DELTA_Temperaura_Moore_Ambiene = 5,324 Avendo imposao una correne massima erogabile durane i ransiori di accelerazione e decelerazione uguale a 8 Arms e una correne minima erogabile a ransiorio esaurio uguale a 7Arms, dal precedene grafico relaivo all andameno della correne di fase in anello apero, si leggono, per le fasi a e b rispeivamene, le correni Irmsa = 4.22 Arms e Irmsb = 4.26 Arms, ed i segueni dai per poenze e innalzameno della emperaura del moore: Poenza_assorbia = 3,268 Poenza_meccanica =,47 Pj_diss = 9,798 DELTA_Temperaura_Moore_Ambiene = 39,596 Risula evidene la differenza fra le due soluzioni in ermini di poenza assorbia dalla ree, poenza dissipaa (Pj_diss) dal moore e innalzameno ermico del moore sesso rispeo all ambiene eserno a uo vanaggio della soluzione in anello chiuso. Pagina 5 di 9

6 PRECISIONE DELL INSEGUIMENTO DI POSIZIONE Grazie all espressione dell algorimo di conrollo della correne implemenao da Ever Eleronica, di ipo proporzionale e derivaivo, con feedforward di velocià ed accelerazione, e la frequenza di leura dell errore di posizione e chiusura del relaivo anello di regolazione, la posizione del moore risula cosanemene conrollaa e correa. Quesa è una caraerisica presazionale imporane perché in una macchina in cui il carico all albero moore non è cosane influenza direamene la qualià di lavorazione. È imporane noare, dal grafico che segue, come le oscillazioni nell errore di inseguimeno vengono smorzae dopo pochi cicli di regolazione. Posizione angolare [gradi meccanici] a ( ) Pmo_( ) 36 PAR arif_o( ) 92 a ( ) Nr 6 arif_o( ) Nr an( ) Con il conrollo in anello apero, se necessario, un meodo per minimizzare gli errori di posizionameno sa nell adoare sisemi di smorzameno delle oscillazioni di ipo meccanico pur essendo ale soluzione non è sempre uilizzabile sia per moivi di coso sia per ragioni ecniche in applicazioni che necessiano di ala velocià, precisione e comunque per macchine con carichi variabili. Posizione angolare [gradi meccanici] a ( ) Pmo_( ) 36 PAR arif_o( ) 92 a ( ) Nr 6 arif_o( ) Nr an( ) Pagina 6 di 9

7 CONFRONTO CON LE PRESTAZIONI TIPICHE DEL SERVOAZIONAMENTO BRUSHLESS Analizzando le presazioni dinamiche raggiungibili con un sisema di conrollo del movimeno con moore passo passo in anello chiuso risulano evideni alcune differenze presazionali rispeo al servomoore brushless. Per il confrono, nella figura seguene, viene riporao un profilo di velocià ipico per un moore brushless durane l inseguimeno di un riferimeno di posizione: il riardo di chiusura del loop di conrollo uniamene alla presenza di un ermine inegrale dell errore in posizione nella formula di calcolo della correne di avvolgimeno, del ipo I F = Kp * e θ + Ki *? e θ d, non permee dei empi di assesameno e valori di sovraelongazione ridoi quano quelli oenibili con gli algorimi di conrollo in anello chiuso del moore passo passo implemenai dal Ever in cui è presene un ermine derivaivo uilizzao ogni µs, rispeo ai 25us ipici per i servoazionameni con moore brushless. 225 VMR PAR w ( ) 35 VELOCITY (rpm) wrif( ) p ( wrif( ) w ( ) ) 2 6 aerins_medio( ) daerins( ) 76 werr( ) wn( ) VMR PAR Un uleriore vanaggio del servomoore di ipo passo passo rispeo al ipo brusless è conseguene alla sruura meccanica del primo che presena un elevao numero di poli, usualmene 5 in un moore a 2 passi per giro, rispeo al numero di poli di un moore brushless, ipicamene uguale a sei. Dipendendo il ripple di coppia da ale paramero, risula evidene che il moore passo passo presena una componene alernaa della coppia con frequenza maggiore rispeo a quella del moore brushless e permee quindi un miglior conrollo nei cicli di posizionameno. Pagina 7 di 9

8 .45.5 y( z) g( z) y( z) + g( z) z 6.28 Andameno della coppia in un moore brushless a 6 poli per 36 meccanici.45.5 y ( z ) g( z ) y ( z ) + g( z ) z 6.28 Andameno della coppia in un moore passo passo a 5 poli per 36 meccanici Le due curve che precedono esprimono il fao che la coppia in un moore passo passo a due fasi è definia dalla relazione Tm = Ia * Ke * sin(nr*α) + Ib * Ke * sin(nr*α+9) con Nr ipicamene uguale a 5, menre in un moore brushless la coppia è definia dalla somma di re componeni sinusoidali sfasae di 2 e con Nr ipicamene uguale a 6. Pagina 8 di 9

9 CONCLUSIONI La praica correne di usare il moore passo passo in anello apero non può e non deve precludere la possibilià di uilizzare ali moori in anello chiuso. Tali sisemi infai, come i dai sopra riporai, fruo dell esprienza di Ever Eleronica, dimosrano, rappresenano uno srumeno in grado di conrollare con oime performance il comporameno di un sisema dinamico. Tali sisemi infai sono in grado di rendere velocemene sabile al valore desiderao l inseguimeno di un riferimeno di posizione anche in condizioni d uso che, specialmene in condizioni di direc driving e sino a velocià di 2 rpm, sarebbero impegnaive per un moore brushless. Il uo a cosi che, aspeo sicuramene non rascurabile si avvicinano più a quelli di un drive in anello apero che a quelli ipici per un comune servoazionameno di uguale poenza. Il conrollo in anello chiuso è una funzionalià aggiuniva in via di inroduzione in ue le ipologie di azionameni prodoi da Ever Eleronica, che in al modo consenirà agli uilizzaori dei propri azionameni in anello apero di incremenare facilmene le presazioni della macchina senza dover soosare ai rischi insii in ogni cambio di ipologia di moore precedenemene uilizzao con successo. Il moore passo passo, infine, pur resando per ipologia cosruiva uno dei ipi di auaore più adai al conrollo di cicli di posizionameno, con la modalià di conrollo in loop chiuso, può essere preso in considerazione anche per il conrollo molo preciso di velocià a cosi conenui. Pagina 9 di 9