Schema di controllo
Il controllo del motore sincrono a magneti permanenti (il caso del motore asincrono è analogo). 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 di tipo incrementale e la velocità viene ricavata per semplice differenziazione. Vengono inoltre misurate due correnti di fase del motore attraverso sensori a effetto Hall. Tali informazioni vengono utilizzate per chiudere i rispettivi anelli di controllo. Il riferimento istantaneo di posizione viene calcolato in tempo reale da un generatore di profili (descritto nel seguito) in funzione di alcuni parametri inviati dal master controller che definiscono completamente il movimento. Il periodo di controllo delle correnti è sincronizzato con quello di modulazione dell’inverter ed è pari a 100 µs, corrispondente a una frequenza di 10 kHz. I periodi di controllo della velocità e della posizione coincidono e sono pari a 2 ms (500 Hz). L’elevato grado di flessibilità dell’azionamento ne consente la completa configurazione attraverso semplici comandi inviati in remoto dal master controller attraverso un bus di campo proprietario. È possibile, ad esempio, selezionare il tipo di motore (asincrono o sincrono a magneti permanenti) e, quindi, il relativo algoritmo di controllo, i principali parametri (nelle varie macchine sono utilizzate differenti taglie di motore) e alcune caratteristiche della sezione meccanica della macchina (rapporti di riduzione ecc.). Generazione di profili di moto “complessi” Alcuni tra i requisiti cui debbono soddisfare le macchine per imballaggio dei prodotti alimentari freschi sono l’affidabilità e la velocità di confezionamento. Il primo si riferisce non soltanto alla banale caratteristica di garantire il minor numero di guasti (che implicherebbero una condizione di fuori servizio e la necessità di assistenza tecnica specializzata), ma soprattutto alla riduzione della possibilità di inceppamento dei pacchi all’interno della macchina con conseguente interruzione del ciclo produttivo (condizione di fuori servizio che generalmente non necessita di assistenza tecnica specializzata ma semplicemente l’intervento dell’operatore).
Tali situazioni sono normalmente causate da bruschi movimenti del pacco all’interno della macchina i quali provocano la fuoriuscita dei prodotti dalle vaschette utilizzate per il confezionamento. Il più semplice dei metodi per evitare tale fenomeno è quello di diminuire la velocità di transito dei pacchi o le accelerazioni cui sono sottoposti. Tale soluzione è però chiaramente in contrasto con le esigenze di aumento della produttività e, quindi, della velocità di confezionamento (espressa ad esempio in numero di pacchi al minuto). Un buon compromesso si è dimostrato essere quello del controllo accurato dell’accelerazione e della velocità di transito dei pacchi all’interno della macchina, ottenuto attraverso profili di posizionamento relativamente complessi, noti a livello analitico, attraverso i quali fosse possibile poter variare le principali caratteristiche del moto al fine di ottenere una maggiore regolarità di movimentazione [16÷18]. Si è considerato un generico movimento decomposto dalle fasi di accelerazione, di eventuale funzionamento a velocità costante (accelerazione pari a zero) e decelerazione. Il problema è stato formulato a livello analitico assumendo un profilo di accelerazione e decelerazione di tipo sinusoidale parametrico e sono state ricavate le equazioni del moto in funzione di tali parametri. Sono stati in seguito definiti e imposti vincoli sulle caratteristiche del movimento (ad esempio accelerazione e decelerazione massime, velocità massima ecc.) in funzione dei requisiti dell’applicazione. Ciò ha consentito di risolvere in forma chiusa ed esplicitare i parametri del moto in funzione delle caratteristiche del movimento richieste. L’approccio utilizzato è uno degli aspetti di ciò che è normalmente classificato come intelligent motion, riferendosi allo spostamento di alcune funzioni (quali quelle di generazione dei profili di posizionamento) dal master controller al singolo azionamento [16, 17]. In tal modo l’azionamento non è più un controllore di coppia e/o di velocità e/o di posizione, ma diventa un componente meccatronico di tipo “intelligente”. I vantaggi derivanti dall’inclusione del generatore di profili all’interno dell’azionamento sono molteplici: è possibile ridurre i requisiti del sistema di comunicazione master controller-azionamento poiché si evita la trasmissione dei riferimenti istantanei delle grandezze meccaniche (durante tutto il posizionamento), sostituendola con l’invio di un umero ridotto di parametri univocamente caratterizzanti il moto (all’inizio del posizionamento); tale riduzione è maggiormente apprezzabile nel caso in cui il sistema di controllo comprenda numerosi assi; inoltre, la conoscenza analitica dei profili di moto ne consente l’utilizzo all’interno dell’algoritmo di controllo in modo da migliorare la risposta dinamica del sistema e ridurre gli errori transitori durante un generico posizionamento.
Stima della posizione iniziale di rotore del motore sincrono a magneti permanenti
Uno dei problemi che è stato infine affrontato è quello dell’individuazione della posizione iniziale di rotore di un motore sincrono a magneti permanenti. L’originale soluzione proposta ha fornito ottimi risultati rispetto ai metodi tradizionalmente impiegati ed è stata quindi oggetto di pubblicazioni cientifiche [19]. Il controllo dei motori sincroni a magneti permanenti richiede infatti la conoscenza istantanea della posizione di rotore, informazione normalmente ricavata attraverso un trasduttore (ad esempio encoder ottico) calettato sull’asse. Nella maggior parte delle applicazioni, il trasduttore è di tipo incrementale, in virtù del costo relativamente basso rispetto ad un uno di tipo assoluto. Per tale motivo la posizione di rotore all’accensione della macchina non è disponibile, se non attraverso una specifica procedura di “inizializzazione” della macchina” o sensori di posizione supplementari a bassa risoluzione (sensori ad effetto Hall). I metodi di inizializzazione normalmente utilizzati ricavano l’informazione sulla posizione di rotore imponendo spostamenti non controllati dell’asse, i quali non sono però tollerabili in certe applicazioni o in alcune situazioni di funzionamento. L’originale metodo proposto, invece, consente la stima della posizione iniziale evitando movimenti del rotore e garantendo una precisione sufficiente ad avviare la macchina in maniera controllata da subito. La stima viene poi corretta utilizzando l’informazione fornita dal sensore incrementale (l’impulso di sincronismo del giro). I risultati (sperimentali) mostrati in Figura 8 riportano il confronto tra la posizione di rotore stimata e quella misurata (attraverso un sensore assoluto) e il relativo errore di stima: è evidente come quest’ultimo si mantenga limitato a circa ±7 gradi elettrici. Si può inoltre dimostrare che esso risulta pressoché indipendente dal tipo di motore e dalla coppia di carico eventualmente presente sull’asse, contrariamente ad altri metodi che sono, invece, molto sensibili rispetto tali fattori.
Azionamenti per macchine per la lavorazione del legno
La lavorazione dei pannelli in legno, plastica, vetro ecc., (taglio, fresatura, foratura, bordatura ecc.) viene effettuata attraverso macchine a controllo numerico al cui interno sono utilizzate decine di motori elettrici di varia tipologia, controllati (attraverso azionamenti di tipo digitale) e non.