Assi elettrici – Stato dell’arte e applicazioni industriali……

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La natura e la funzione svolta dai vari azionamenti può essere molto differente: spostamento e posizionamento del pannello all’interno della macchina, movimentazione del gruppo elettromandrino/utensili utilizzato per l’esecuzione delle varie fasi della lavorazione, realizzazione degli elettromandrini stessi e altre funzioni accessorie. I requisiti dei vari azionamenti, in termini di tipo di grandezza controllata (posizione, velocità o coppia), di caratteristiche di funzionamento (intervalli di velocità/coppia e/o potenza), di precisione e di prestazioni dinamiche, variano chiaramente in funzione dell’applicazione per cui vengono impiegati. I vari azionamenti sono controllati e coordinati da un master controller attraverso un bus di campo di tipo proprietario. In Figura 9 è mostrata una delle macchine attualmente prodotte, cioè un centro a controllo numerico per la lavorazione di finestre e porte in legno massello, top per cucina, piani e scrivanie e di tavoli ecc. Nella stessa Figura sono anche mostrate alcune delle principali caratteristiche tecniche. I temi oggetto della collaborazione sono quelli degli azionamenti elettrici per motori sincroni a magneti permanenti finalizzati al controllo assi. In tale categoria sono stati considerati sia gli azionamenti per motori rotanti che per motori lineari. Riguardo a tale ultima problematica la collaborazione (attualmente in corso) si è estesa anche al settore della progettazione ottimizzata del motore sincrono lineare, con risultati molto interessanti riportati nel seguito. Un primo risultato della collaborazione ha riguardato la progettazione, la realizzazione e la messa a punto di un azionamento elettrico in corrente alternata (con potenza di circa 1,5 kVA) per il controllo della posizione di motori sincroni a magneti permanenti di tipo rotante. Le prestazioni dell’azionamento sono state verificate attraverso un banco prova dedicato sviluppato dall’azienda. Queste attività hanno portato al trasferimento di know-how, consentendo il successivo autonomo sviluppo di un azionamento per controllo di posizione, di taglia inferiore (circa 40 W), attualmente in produzione e utilizzato in decine di esemplari per ciascuna macchina. Un secondo risultato è stato quello dell’estensione dell’azionamento inizialmente sviluppato al caso dei motori sincroni lineari. L’attività, attualmente in svolgimento, prevede innanzi tutto la caratterizzazione di un azionamento (motore e elettronica di controllo) di tipo commerciale attraverso un banco prova dedicato sviluppato dall’azienda. Successivamente sono previste la graduale sostituzione dell’elettronica di controllo e del motore con le rispettive soluzioni sviluppate dall’Università e, infine, la verifica delle prestazioni complessive. Nel corso delle attività descritte, inoltre, sono state assegnate tesi di laurea specifiche ed è stata attivata una convenzione per il tirocinio degli studenti, sia nell’ambito del settore degli azionamenti elettrici, che del settore meccanico. I benefici derivanti dall’impegnare gli studenti prossimi alla laurea in alcuni aspetti dei progetti svolti in collaborazione con le aziende sono da ricercarsi non soltanto nella valenza fortemente didattica e di arricchimento culturale e professionale di tali attività, ma anche dell’estensione delle possibilità occupazionali dopo il corso di studi universitari. Lo studente che ha seguito la progettazione ottimizzata del motore sincrono lineare, infatti, una volta conseguita la laurea, ha continuato a collaborare per un certo periodo con l’azienda (nella forma di stage di formazione) per seguire la fase di realizzazione del prototipo ed è stato infine recentemente assunto. Hardware di controllo L’azionamento realizzato è di tipo singleboard: la porzione di sinistra della scheda include la sezione di controllo e di comunicazione, mentre quella di destra la ezione di potenza e la necessaria elettronica di pilotaggio. Il sistema di calcolo utilizzato è un microcontrollore Dsp fixed-point di ultima generazione (rispetto al periodo in cui è cominciata la collaborazione), cioè il Tms320F241 prodotto dalla Texas Instruments. La sezione di potenza (un inverter trifase a tensione impressa) è stata dimensionata per un potenza di circa 1.5 kVA ed è realizzata con Igbt discreti con corrente massima di 30 A (includono i diodi di ricircolo e non sono visibili nella figura poiché inseriti nella parte inferiore della scheda, a contatto con il dissipatore). La tensione continua in ingresso al convertitore viene ottenuta a partire dall’alimentazione di rete attraverso un ponte raddrizzatore monofase ed è comune per un certo numero di azionamenti. Tale soluzione consente la condivisione dell’energia generata in seguito ai transitori di frenatura di ciascuno di essi.

Schema di controllo

Il controllo del motore sincrono a magneti permanenti viene realizzato attraverso lo schema mostrato in Figura 12, simile a quello utilizzato nel caso delle macchine per imballaggio. Si tratta di un controllo vettoriale di posizione con anelli di controllo di velocità e coppia in cascata. La posizione di rotore viene misurata attraverso un encoder ottico incrementale di tipo lineare (opportunamente interpolata) e la velocità viene ricavata attraverso un algoritmo di elaborazione che consente di limitare gli errori di misura, specialmente alle basse e bassissime velocità. Tale approccio consente di migliorare le caratteristiche del controllo (di posizione e di velocità) negli spostamenti a bassa velocità e durante le inversioni del moto, permettendo di limitare la generazione di vibrazioni indesiderate. Tali caratteristiche sono di fondamentale importanza nelle macchine utensili, ad esempio nel caso di lavorazioni di profili di tipo circolare. Nelle operazioni di fresatura dei pannelli in legno (o in plastica o in vetro) in cui si vuole eseguire una fresatura circolare, infatti, i due assi devono periodicamente rallentare e muoversi a bassissima velocità fino ad arrestarsi e invertire il moto in corrispondenza delle posizioni k·ð/2.

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