“Servo o non servo? Questo è il problema”

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Disque DurServo o non servo? Questo è il problema. Le otto-regole-otto per la scelta del servo ottimizzato per ogni applicazione.

A parole siamo tutti bravi: asincrono, posizionamento assoluto, anello chiuso, brushless, direct-drive, encoder, codice Gray… Ma siamo veramente in grado di scegliere la soluzione migliore per situazioni applicative diverse? Applicazioni elementari di motion control che richiedono velocità e coppia costanti possono essere affrontate e risolte brillantemente con un semplice motore asincrono, magari sovradimensionato per stare tranquilli e supportato da un buon soft starter; situazioni ad alta dinamica (ovvero con frequenti ed elevate accelerazioni) e/o a coppia variabile richiedono invece che il motore, di qualunque tipo esso sia, possa erogare la coppia necessaria a qualsiasi velocità prevista senza dissipare quantità esorbitanti di calore e con un occhio ai consumi energetici. Dunque la scelta del servoazionamento (tipo di motore, drive di controllo e catena cinematica sono scelte spesso difficili vuoi per le conoscenze tecniche specifiche richieste, vuoi per l’enorme offerta di mercato che può lasciare interdetti i meno esperti. In questo articolo proviamo a tracciare alcune linee guida per non perdere la bussola e applicare la migliore soluzione per ogni problema di motion control.

Otto regole otto – 1: alimentazione

Sembra incredibile, ma la tensione di lavoro viene spesso trascurata perché ritenuta un dato scontato su cui non vale la pena soffermarsi con il risultato di trovarsi a dover collegare un motore da 400 V ad un drive che eroga 230 V o viceversa. Dunque il primo e più semplice dato progettuale da considerare sono le tensioni di lavoro per i diversi dispositivi; la disponibilità nel posto di installazione deve essere congruente con la scelta tecnica. Sul mercato sono disponibili drive 115, 230 e 400 Vac singola fase o trifase.

Otto regole otto – 2: profilo di movimento

Occorre innanzitutto distinguere fra sistemi che presentano elevata ripetitività e sistemi a ciclo libero e non noto a priori. In tutte le applicazioni in cui vengono eseguite sequenze ripetitive è buona norma tracciare il profilo delle velocità richieste durante il ciclo badando a non sovraccaricare il sistema con richieste di accelerazioni e decelerazioni eccessive; i servomotori, infatti, non sono oggetti magici ed elevate prestazioni in termini di variazione di velocità richiedono notevoli sforzi elettrici e meccanici da parte dei componenti con conseguente produzione di calore e rapida usura. Nei sistemi non ripetitivi, come ad esempio le lavorazioni meccaniche, occorre invece tenere presenti velocità e accelerazione di picco richieste per l’esecuzione.

Otto regole otto – 3: coppia

La coppia rappresenta quanta “forza muscolare” è necessaria per porre in rotazione un meccanismo; la sua entità è legata alla sommatoria di tre differenti contributi da vincere: l’inerzia dei corpi, ovvero la loro tendenza a mantenere lo stato di quiete o di moto a fronte di richieste di variazione di velocità, gli attriti ovvero le forze di strisciamento e/o rotolamento che si oppongono al moto e, infine, le forze esterne che interagiscono con il sistema come la pressione, la gravità, ecc… La coppia è certamente la grandezza più difficile da calcolare ma, occorre dire, rappresenta la parte più “elastica” del processo di selezione della giusta soluzione per il moto. In linea generale si può affermare che è necessario:

  • calcolare l’inerzia di ogni singolo componente del sistema sommando poi fra loro le singole componenti; in rete si trovano facilmente le formule per calcolare l’inerzia alla rotazione di varie forme costruttive; per calcolare la coppia di accelerazione necessaria occorre semplicemente moltiplicare l’accelerazione richiesta per l’inerzia totale.
  • calcolare le forze di attrito per i carichi scorrevoli, la forza di gravità per i carichi verticali e qualsiasi altra forza esterna che interagisca con il sistema; è poi necessario moltiplicare il valore di ogni forza per la misura del braccio di azione per ottenere il momento corrispondente e la coppia necessaria a vincerlo. Il valore più elevato di coppia necessario è dato dalla somma dei singoli contributi valutati nel caso peggiore, ad esempio con la massima accelerazione prevista e la situazione di massimo carico statico.
  • sommare fra loro coppia di accelerazione e tutti i contributi di coppia dovuti agli attriti e alle forze esterne; il valore ottenuto rappresenta la coppia continua richiesta al sistema di moto.
  • Idealmente la coppia dovrebbe essere calcolata tramite il valore quadratico medio (RMS) anziché la semplice somma delle diverse componenti ma ciò comporterebbe comunque l’utilizzo di sistemi di calcolo ad hoc e competenze specifiche.

Otto regole otto – 4: rapporto di inerzia

Il calcolo del rapporto di inerzia è spesso trascurato da chi, non avendo una preparazione specifica, si approccia per le prime volte alle problematiche di dimensionamento dei sistemi di motion; in realtà è uno dei fattori più importanti per determinare le prestazioni di un servosistema. Matematicamente il rapporto di inerzia è calcolabile come il valore di inerzia del carico diviso per il valore di inerzia del rotore del motore diviso per il quadrato del rapporto di riduzione del motoriduttore. Per usare un’analogia pugilistica, se la coppia rappresenta una misura della forza del pugile, il rapporto di inerzia costituisce l’espressione della classe di peso cui il pugile appartiene; in altri termini un servosistema non solo deve poter sviluppare abbastanza coppia per porre in rotazione il carico previsto ma, altresì, deve poterne controllare con accuratezza il moto. In un servosistema teorico, tutti i dispositivi sono perfettamente rigidi e la coppia erogata dal motore viene agevolmente trasferita senza oscillazioni e ritardi al carico; in un servosistema reale gli accoppiamenti flessibili, l’elongazione dei nastri e delle catene, la presenza di ingranaggi, ecc…, introducono giochi che, tramite un’accurata progettazione meccanica, possono essere minimizzati ma non totalmente eliminati. Quando il motore inizia a ruotare tutta la catena cinematica si comporta come una molla che, caricata, spinge indietro sul motore con un lieve ritardo. Ovviamente l’effetto molla dovuto alle imperfezioni meccaniche è ulteriormente accentuato da grandi rapporti di inerzia. I drive dei servosistemi retroazionati, utilizzando i segnali dei datori di posizione, basano il proprio controllo su sofisticati algoritmi PID per controllare con precisione posizione, velocità e accelerazione del motore ma i piccoli ritardi dovuti all’effetto molla e alle elevate inerzie possono innescare oscillazioni e perdite di controllo se il guadagno dell’amplificatore è troppo elevato, ovvero se si pretende una forte reattività da parte del servosistema; la riduzione del guadagno può comportare miglioramenti nella dinamica del sistema ma a scapito della risposta del sistema. In genere, mentre i modelli di base dei controllori sopportano rapporti di inerzia al più di 3:1, i drive di classe elevata dispongono di tutta una serie di meccanismi e automatismi che consentono loro l’auto-tuning del sistema, la soppressione delle vibrazioni, l’inserzione di filtri per le frequenze di risonanza, l’esecuzione di funzioni di compensazione dei disturbi. Questi drive sono in grado di sopportare rapporti di inerzia anche di 30:1 senza apprezzabili peggioramenti delle performances. Tecnicamente è possibile raggiungere rapporti di inerzia anche di 1:1 per alti livelli di eccellenza del servosistema, ma simili valori sono raggiungibili solo tramite sovradimensionamento del motore ovvero con maggiori costi di investimento iniziale e di utilizzo.

Otto regole otto – 5: scelta del motore, fase 1

Una volta definiti i criteri base per la scelta del motore è necessario sfogliare i cataloghi dei costruttori per identificare il modello necessario a soddisfare tutti i requisiti. Occorre che motore e drive siano alimentabili con la tensione disponibile, consentano la  velocità nominale necessaria, un’erogazione continua di coppia ed una coppia di spunto pari o superiori ai valori calcolati; spesso esistono più soluzioni che offrono le stesse performances ma con differenti inerzie rotoriche; nel caso, a parità di prestazioni, è da preferire la minore inerzia rotorica. Se la scelta effettuata soddisfa in toto i requisiti prestazionali, il lavoro è terminato altrimenti occorre pensare all’adozione di un motoriduttore per rendere più compatibili motore e carico.

Otto regole otto – 6: motoriduzione

I servomotori possono generare la coppia nominale teoricamente in tutta la gamma di velocità, da zero a diverse miglia di giri al minuto ma pochi sistemi meccanici possono realmente trarre vantaggio da un’ampia gamma di velocità senza la presenza di un motoriduttore. Un motoriduttore, infatti, consente di adattare le caratteristiche di un servosistema ad un carico sostanzialmente in tre modi: riducendo la necessità di alte velocità di rotazione, aumentando la coppia e riducendo il rapporto di inerzia. In particolare, a valle del riduttore, la velocità di rotazione viene diminuita in maniera proporzionale al rapporto di riduzione (minori giri al minuto = minor usura meccanica) mentre il rapporto di inerzia viene decrementato in maniera proporzionale al quadrato del rapporto di riduzione (minore rapporto di inerzia = risposta più pronta e precisa del sistema); la coppia, sempre a valle del riduttore, viene invece incrementata in maniera proporzionale al rapporto di riduzione (coppia più elevata senza sovradimensionamento del motore). Tutti I costruttori forniscono dati precisi sull’inerzia dei propri prodotti rendendo semplice per I progettisti tener conto di tali valori nel dimensionamento dei sistemi.

Otto regole otto – 7: scelta del motore, fase 2

Se il motore identificato nella fase 1 di scelta, ovvero prima della decisione di adottare un motoriduttore, presenta valori di velocità nettamente superiori a quanto richiesto dall’applicazione potrebbe valere la pena di dividere la velocità del motore per quella realmente necessaria ottenendo in tal modo un rapporto di riduzione da utilizzare poi come divisore per ridurre la coppia necessaria ed ottenere un nuovo valore richiesto di coppia del motore. Se ad esempio un motore fornisce una velocità massima di 6000 rpm ma la velocità realmente richiesta dall’applicazione è di soli 2000 rpm si può adottare un rapporto di riduzione 3:1 che può essere utilizzato per scegliere un motore con una coppia nominale inferiore di tre volte. Ciò significa minori dimensioni di ingombro del motore, minori costi di acquisto, minori costi di esercizio. Ovviamente se si identifica più di una soluzione, quella a minor rapporto di inerzia è preferibile.

Otto regole otto – 8: servodrive e opzioni

Una volta selezionato il motore, occorre scegliere il corretto drive, in grado di operare con l’alimentazione disponibile e capace di fornire sufficiente corrente di pilotaggio per il motore. Nella scelta del drive, occorre tenere presente alcuni punti:

  • tipo di controllo; i servodrive possono essere controllati tramite differenti tipi di interfaccia: controllo digitale tramite segnali di I/O, controllo analogico (anche se questo è decisamente sulla via dell’abbandono), controllo via bus di campo e reti industriali specializzate per servosistemi.
  • tipo di interfaccia utente; pannellini operatore troppo semplificati e/o con pochi tasti consentono un dialogo locale primitivo e molto limitato con l’operatore impedendo di fatto la rapida risoluzione di eventuali problemi.
  • la disponibilità di migliaia e migliaia di parametri, nella maggior parte dei casi, è quasi sempre inutile; un buon sistema di auto-tuning vale molto di più del poter personalizzare, ad esempio, la derivata seconda dell’accelerazione.

Ove possibile conviene scegliere il controllo via bus di campo o rete che, oltre a consentire un cablaggio ridotto, fornisce capacità diagnostiche e di dialogo molto più ampie di tutte le altre interfacce. Infine è bene dotare il servoazionamento di tutte le opzioni esterne comunque necessarie per il funzionamento corretto del sistema: alberi motore con chiavetta, anelli di tenuta, freni di stazionamento per carichi verticali o resistenze esterne di frenatura. La capacità di selezionare il miglior servosistema per ogni applicazione, infine, è un’abilità che cresce con la pratica e, inizialmente, è sempre bene appoggiarsi per un consiglio ed una valutazione al proprio produttore e/o fornitore.

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