AZIONAMENTO ELETTRICO

Gli organi meccanici azionati da motori elettrici si occupano di:

•         Controllare l’energia nelle macchine operatrici;
•          Regolare il flusso di materiale negli impianti.

STRUTTURA

Per ogni movimento, il motore compie 3 fasi:

•         Accelerazione;
•         Funzionamento a velocità costante;
•         Frenatura.

Si definisce AZIONAMENTO il sistema di conversione dell’energia elettrica in energia meccanica, usando apparecchiature elettroniche di potenza (CEI 301-1). È formato da:

•           Un’elettronica di controllo (servo drive);
•           Un motore elettrico (servo motore) con un eventuale trasduttore in retroazione che chiude l’anello.

Nell'automazione industriale si usano gli azionamenti elettrici. Vi sono 2 modelli:

1.             L’azionamento asse;
2.             L’azionamento tipo mandrino, il quale lavora a velocità costante su ampi range di velocità, a seconda del tipo di lavorazione.

I dispositivi che si occupano del controllo motore sono:

•           Azionamenti;
•           Convertitori;
•           Alimentatori;
•           Variatori;
•           Servocomandi;
•           Servodrive;
•           Ecc.

Per la movimentazione di un asse, si devono controllare: accelerazione, velocità e posizione dell’asse.

I sistemi di regolazione sono uno interno all’altro:

•           Il più interno è l’anello di accelerazione, detto anello di corrente o di coppia;
•           Al centro c’è l’anello di velocità;
•           Il più esterno è l’anello di posizione.

Il sistema di controllo asse, grazie alle posizioni di riferimento, controlla il moto. In particolare, sono i controlli numerici e i posizionatori a controllare il moto. Di regola, definiamo:

•           un azionamento per motore = un controllo di velocità che usa come trasduttore un encoder (o un resolver);
•           un controllo di moto = un controllo numerico o una scheda motion per PLC o PC, che gestisce l’anello di posizione e si occupa delle funzioni di programma e di calcolo delle traiettorie degli assi della macchina.

L’albero principale (anche detto albero master o motion controller) emette una sequenza di impulsi, che viene inviata sugli ingressi encoder ausiliari di tutti gli azionamenti slave, modificando il contenuto del contatore interno al sistema di controllo che risponde facendo ruotare il motore così da cancellare gli impulsi ricevuti grazie a impulsi di segno opposto prodotti dall’encoder calettato sul motore. Si ha quindi un movimento dell’albero master e di conseguenza di tutti i motori in maniera sincronizzata con una precisione di velocità migliore dello 0,1% grazie alle moderne digitalizzazioni degli azionamenti.

AZIONAMENTI PER MOTORI C.C.

Il controllo della tensione di armatura regola la velocità dei motori in continua a eccitazione costante.

 Il funzionamento del motore a regime è dato dalle formule:

V = R · I + E                      E = k_e · ω                                         T = k_m · I

ove:

-          V = tensione di armatura

-          R = resistenza degli avvolgimenti

-          E = forza contro-elettromotrice

-          I = corrente di armatura

-          k_e = costante di tensione del motore e misurata in [V· s /rad]

-          k_m = costante di coppia [Nm/A]

Il costruttore fornisce per ogni motore i grafici delle regioni garantite per un funzionamento continuativo e intermittente del motore in funzione della velocità:

-          La regione a funzionamento continuativo ha forma arrotondata e parte dalla coppia nominale erogabile con continuità a rotore bloccato e diminuisce all'aumentare della velocità, fino alla velocità massima;

-          La regione a funzionamento intermittente è compresa tra un limite di coppia massima e un tratto a potenza costante, causato dai limiti di commutazione delle spazzole.

Quando si sceglie un motore, vanno considerati i limiti di coppia e le velocità nominali per il funzionamento continuativo.

CONVERTITORI PER MOTORI C.C. E A MAGNETI PERMANENTI

I motori dotati di convertitori A MAGNETI PERMANENTI sono usati per le applicazioni di azionamento. Gli azionamenti relativi comprendono:

-          Un trasformatore esterno per ridurre la tensione di rete 230/400 V;

-          Un ponte di raddrizzamento per costruire la tensione di bus interna OPPURE un alimentatore switching direttamente dalla rete.

Un ponte di uscita a MOSFET o IGBT fornisce la tensione al motore, posto sulla diagonale, come valore medio di una PWM a frequenza costante (circa 10 kHz) regolata in duty cycle.

AZIONAMENTI ELETTRICI

In genere, i motori usati hanno tensioni nominali tra 90 e 180 V, per cui gli azionamenti hanno tensioni di bus 120-200 V e vengono suddivisi per prestazioni in corrente nominale (I_n = 5, 10, 20, 50 A) e hanno corrente massima (I_p) pari al doppio, ma disponibile solo per qualche secondo.

La taglia di corrente deve garantire la coppia nominale (T_n = k_t · I_n) e la coppia di picco (T_p = k_t · I_p).

Per ogni convertitore viene specificato il valore minimo di induttanza del motore, adatto alla frequenza del PWM, da integrare con l’induttanza esterna in serie al motore stesso. La resistenza di frenatura va collegata ai morsetti e inserita in automatico, quando la tensione di bus supera il valore nominale del 40-50%.

La costante di tempo di risposto dell’azionamento dipende dalla frequenza della PWM ed è estremamente bassa.

SERVOAMPLIFICATORE

Il SERVOAMPLIFICATORE può funzionare in diversi modi:

•           In controllo di tensione = il sistema lavora in anello aperto = non si usa il trasduttore in retroazione, per cui all'aumentare della coppia, diminuisce la velocità; il convertitore funge da amplificatore di tensione e di potenza, applicando al motore una tensione media proporzionale alla tensione di riferimento impostata in ingresso;
•           In controllo di coppia o di corrente = la corrente del motore è proporzionale alla tensione di comando;
•           In controllo di velocità (la più usata) = la velocità richiesta al motore (detta velocità di consegna) è impostata grazie a una tensione esterna o grazie a un potenziometro manuale, nel range ±10 V e la velocità del motore viene regolata usando l’informazione fornita dal trasduttore in retroazione (dinamo tachimetrica o encoder).

CONTROLLORE DI POSIZIONE

È un dispositivo regolato da un micro-controllore da almeno 15 bit che:

•           contiene il servoamplificatore PWM;
•           rispetta un profilo di velocità e una sequenza di accostamento, inseriti tramite porta di comunicazione e memorizzati in E2PROM.

Il trasduttore in retroazione è un encoder che ha almeno due canali. Ha diverse funzioni. Consente anche il funzionamento con emulazione passo-passo nei controlli di posizione, grazie a 2 segnali che arrivano al convertitore:

1. -          un segnale di avanzamento ad impulsi (passo);
2. -          un segnale di direzione.

Ogni impulso di passo corrisponde a uno spostamento dato da un determinato numero di impulsi di encoder in retroazione.

AZIONAMENTI PER MOTORI PASSO-PASSO

Un AZIONAMENTO PER MOTORI PASSO-PASSO regola i due avvolgimenti del motore con sequenze comprese tra 12 e 80 V e correnti comprese tra 0,2 e 6 A.

Il comando di avanzamento è dato dal segnale logico di frequenza e da impulsi che durano meno di 1 microsec.

A ogni impulso il motore ruota di un passo nella direzione suggerita dall’ingresso logico di direzione.

Gli ingressi di preselezione (dip switch) si ha la movimentazione a passo intero, mezzo passo oppure   di passo. In caso di azionamenti più complessi, si hanno anche i micropassi (microstep).

Per motori asincroni si ha un azionamento detto INVERTER, che converte in trifase alternata in frequenza variabile usando un ponte con IGBT, pilotato in tecnica SPWM.