GIUGNO 2013
AUTOMAZIONE OGGI 364
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AO
Tutorial
del motore, i costi di acquisto emanutenzione pesano inmedia
solo per il 2-3%: il 97-98% del costo della vita complessiva del
motore è dunque costituito dal costo dell’energia che esso
consuma. La meccatronica fornisce, anche in questo caso, la
strategia da utilizzare: è opportuno da un lato scegliere motori
a elevata efficienza (evitando tuttavia sovradimensionamenti),
dall’altro utilizzare sistemi elettronici che ne favoriscano la re-
golazione (tipicamente gli inverter). Si raccomanda, al posto dei
classici motori in corrente continua, l’uso di motori in corrente
alternata, e in particolare motori brushless a commutazione
elettronica, soprattutto per applicazioni di bassa potenza instal-
lata (< 1 kW). L’elettronica di controllo del loro azionamento li
rende infatti particolarmente efficaci nella regolazione di velo-
cità, posizione e coppia.
Verso la massima efficienza
Il percorso verso la massima efficienza passa necessariamente
per la definizione di un buon sistema di controllo, basato su un
modello del sistema. Il buon progettista meccatronico dovrà
considerare l’utilizzo del sistema nelle diverse condizioni di
carico e ricavare un modello della dinamica del sistema, per le
due fasi di funzionamento a regime e funzionamento in tran-
sitorio. Considerando la situazione di regime, è importante ef-
fettuare il cosiddetto adattamento statico del motore al carico.
Tale procedura consente di scegliere il motore e il riduttore che
consentono di ottimizzare le prestazioni, una volta fissato un
determinato carico, evitando sprechi di potenza che si verifiche-
rebbero con l’utilizzo di un motore sovradimensionato. Spesso
infatti vengono inopportunamente scelti motori di potenza
esuberante, quando invece una scelta adeguata del riduttore
consentirebbe di utilizzare motori di taglia più piccola. Un’altra
regola di base per ridurre gli sprechi di energia prevede poi di
utilizzare vari motori di piccola taglia, anziché un unico motore
di taglia grande. Notevoli risparmi energetici si possono inol-
tre avere ottimizzando il transitorio, effettuando il cosiddetto
adattamento dinamico del motore al carico. Questa procedura
consente di scegliere quel valore del riduttore che consente di
ottenere le massime prestazioni dinamiche del sistema, ovvero
l’accelerazione massima del carico, a parità di forze e coppie in
gioco.
Le leggi del moto
Risulta poi di fondamentale importanza definire le leggi del
moto ottime per il motore, tenuto conto delle caratteristiche
dell’intero sistema motore-utilizzatore. La pianificazione della
legge del moto è un aspetto fondamentale della progettazione
di sistemi meccatronici. Anche in questo caso, è decisamente
opportuno basarsi su un modello dell’intero sistema motore-
utilizzatore: in alcuni casi ci si può accontentare di un semplice
modello cinematico, ma per ottenere migliori prestazioni sa-
rebbe opportuno utilizzare un modello dinamico, che tenga
quindi conto dell’inerzia del motore, della trasmissione e del ca-
rico. Basandosi su talemodello, il progettistameccatronico può
determinare la legge di moto ottimale per il sistema, compati-
bilmente con gli eventuali vincoli di progetto. Se ad esempio
è imposta una legge di velocità trapezoidale, sarà necessario
determinare i valori ottimi delle rampe di accelerazione, non-
ché la durata del tratto a velocità costante. Spesso poi è conve-
niente esplorare altre leggi del moto (polinomiali, armoniche)
che potrebbero permettere di raggiungere migliori prestazioni
dinamiche. È inoltre di fondamentale importanza poter control-
lare il motore avendo la possibilità di applicare effettivamente
la legge progettata.
Sistemi di controllo elettronici
La disponibilità di sistemi di controllo elettronici è fondamen-
tale a questo riguardo: ecco perché una tendenza ineludibile,
nell’ottica di unamaggiore efficienza energetica, è quella dell’u-
tilizzo di attuatori elettrici in sostituzione di attuatori di altro
tipo (in particolare oleodinamici), i quali non possono essere
controllati in maniera altrettanto precisa ed efficiente. Inoltre,
con riferimento a quest’ultimo aspetto, è opportuno sottoline-
are come gli attuatori elettrici siano più intrinsecamente per-
formanti da un punto di vista energetico, in quanto gli attuatori
oleodinamici presentano notevoli perdite di carico nei tubi di
trasporto del fluido. L’elettronica, con i suoi continui sviluppi,
offre poi molteplici possibilità per il controllo efficiente degli
attuatori. Ad esempio, l’utilizzo della modulazione PWM, con
un duty-cycle opportuno, permette di evitare sprechi di ener-
gia, ottimizzando le prestazioni del sistema durante il transito-
rio. Inoltre, fondamentale ai fini dell’efficienza energetica può
rivelarsi l’utilizzo di sensori, che danno al sistema di controllo
la possibilità di monitorare la situazione delle variabili di inte-
resse (posizione, velocità, accelerazione, coppia ecc.) durante
il movimento del sistema, ed eventualmente di intervenire con
azioni di regolazione finalizzate alla riduzione degli sprechi. In-
fine, un altro punto fondamentale nella strategia di risparmio
energetico è costituito dalla caratteristica di reversibilità tipica
dei motori elettrici, che consente di recuperare energia quando
il motore funziona da carico, cioè in fase di frenatura. Ancora
una volta, l’utilizzo di attuatori elettrici, opportunamente con-
trollati dal loro azionamento, è pertanto preferibile, in quanto
consente un vantaggio energetico che gli altri tipi di attuatori
non presentano. In conclusione, risulta del tutto evidente che,
per incrementare le prestazioni di un sistema dal punto di vista
dell’efficienza energetica, l’uso di un approccio ‘try and error’,
che spesso viene impiegato in ambienti di progettazionemeno
evoluti, non risulta adeguato. La metodologia che dà i risultati
migliori è senz’altro l’approccio meccatronico che, essendo ba-
sato da un lato su una visione integrata del sistema, dall’altro sul
principio della prototipazione virtuale model-based, permette
di individuare le inefficienze energetiche del sistema e di cor-
reggerle implementando strategie verificabili su un prototipo
virtuale.
* Comitato tecnico di Automazione Oggi
Fonte: http://www.itea2.org
