Per l'automazione di macchine che richiedono solo due o tre assi di attuatori elettrici, le uscite a impulsi possono rappresentare la soluzione più semplice.

L'utilizzo di uscite a impulsi da un PLC è un modo conveniente per ottenere un movimento semplice. La maggior parte, se non tutti, i produttori di PLC offrono un modo per controllare servocomandi e motori passo-passo utilizzando un segnale a treno di impulsi. Pertanto, quando una macchina semplice deve essere automatizzata su soli due o tre assi con attuatori elettrici, le uscite a impulsi possono essere molto più facili da configurare, cablare e programmare rispetto all'utilizzo di segnali analogici. Potrebbe anche essere meno costoso rispetto all'utilizzo di sistemi di movimento in rete come Ethernet/IP.

Diamo quindi un'occhiata al controllo di un motore passo-passo o di un servo con un driver o un amplificatore tra il controller e il motore, concentrandoci sui segnali a impulsi utilizzati dal controller o dall'indicizzatore.

Nozioni di base sul treno di impulsi

I motori passo-passo e le versioni a impulsi dei servomotori possono ruotare in entrambe le direzioni. Ciò significa che un controller deve fornire, come minimo, due segnali di controllo all'azionamento. Esistono due modi per fornire questi segnali, e diversi produttori li chiamano in modo diverso. Esistono due modi comuni per fare riferimento ai due schemi di segnali di controllo utilizzati: "modalità 1P", nota anche come "modalità Passo/Direzione", e "modalità 2P", nota anche come "modalità CW/CCW" o modalità orario/antiorario. Entrambe le modalità richiedono due segnali di controllo dal controller all'azionamento.

In modalità 1P, un segnale di controllo è un treno di impulsi o segnale "a gradino". L'altro segnale è un ingresso direzionale. Se l'ingresso direzionale è attivo e sull'ingresso a gradino è presente un segnale a impulsi, il motore ruota in senso orario. Viceversa, se il segnale di direzione è disattivo e sull'ingresso a gradino è presente un segnale a impulsi, il motore ruota nell'altra direzione, ovvero in senso antiorario. Il treno di impulsi è sempre sullo stesso ingresso, indipendentemente dalla direzione desiderata.

In modalità 2P, entrambi i segnali sono un treno di impulsi. Solo un ingresso alla volta avrà una frequenza, quindi se è presente il treno di impulsi CW, il motore ruota in senso orario. Se è presente il treno di impulsi CCW, il motore ruota in senso antiorario. L'ingresso che riceve il treno di impulsi dipende dalla direzione desiderata.

Gli impulsi in uscita dal controller azionano il motore. Il motore ruota di un'unità incrementale per ogni impulso sull'ingresso impulsi dell'azionamento. Ad esempio, se un motore passo-passo bifase ha 200 impulsi per giro (ppr), un impulso fa ruotare il motore di 1/200 di giro o 1,8 gradi, mentre 200 impulsi fanno ruotare il motore di un giro.

Naturalmente, motori diversi hanno risoluzioni diverse. I motori passo-passo possono essere micro-steppati, il che consente loro di raggiungere migliaia di impulsi per giro. Inoltre, i servomotori hanno generalmente una risoluzione minima di migliaia di impulsi per giro. Indipendentemente dalla risoluzione del motore, un impulso dal controller o dall'indexer gli fa ruotare solo un'unità incrementale.

La velocità di rotazione di un motore dipende dalla frequenza degli impulsi, o velocità. Più veloci sono gli impulsi, più veloce gira il motore. Nell'esempio precedente, con un motore da 200 ppr, una frequenza di 200 impulsi al secondo (pps) farebbe ruotare il motore a una rotazione al secondo (rps) o 60 rotazioni al minuto (rpm). Più impulsi sono necessari per far compiere al motore un giro (ppr), più velocemente devono essere inviati per ottenere la stessa velocità. Ad esempio, un motore da 1.000 ppr dovrebbe avere una frequenza di impulsi pari a volte quella di un motore da 200 ppr per raggiungere lo stesso numero di giri al minuto. Il calcolo è piuttosto semplice:

rps = pps/ppr (rotazioni al secondo = impulsi al secondo/impulsi per rotazione)

giri al minuto = giri al secondo (60)

Controllo degli impulsi

La maggior parte dei controllori dispone di un metodo per determinare se il motore debba ruotare in senso orario o antiorario e controlla i segnali di conseguenza. In altre parole, normalmente non è necessario che il programmatore determini quali uscite attivare. Ad esempio, molti PLC dispongono di funzioni per il controllo del movimento tramite un segnale a impulsi, e tale funzione controlla automaticamente le uscite per ottenere la direzione di rotazione corretta, indipendentemente dal fatto che il controllore sia configurato per la modalità 1P o 2P.

Consideriamo due movimenti come un semplice esempio. Entrambi i movimenti sono da 1.000 impulsi. Uno è in direzione positiva, l'altro in direzione negativa. Il controller attiva le uscite appropriate, indipendentemente dal fatto che venga utilizzato 1P o 2P, per far ruotare il motore in direzione positiva (solitamente in senso orario) quando il numero di impulsi comandati è 1.000. D'altra parte, se un programma comanda -1.000 impulsi, il controller attiva le uscite appropriate per muovere in direzione negativa (solitamente in senso antiorario). Pertanto, non è necessario che il programmatore controlli la direzione di rotazione del motore utilizzando il codice nel programma per selezionare quali uscite utilizzare. Il controller lo fa automaticamente.

Controller e driver generalmente consentono agli utenti di selezionare il tipo di impulso, tramite dip switch o impostazioni software. È importante assicurarsi che controller e driver siano configurati allo stesso modo. In caso contrario, il funzionamento potrebbe risultare irregolare o addirittura non funzionare affatto.

Mosse assolute e incrementali

I due comandi di movimento più comuni nella programmazione del motion control sono i comandi di movimento incrementale e assoluto. Il concetto di movimento assoluto e incrementale confonde molti utenti, indipendentemente dal metodo di controllo motore utilizzato. Tuttavia, queste informazioni sono valide indipendentemente dal fatto che il motore sia controllato tramite impulsi, un segnale analogico o una rete come Ethernet/IP o Ethercat.

In primo luogo, se un motore è dotato di un encoder, il tipo di movimento non ha nulla a che fare con il tipo di encoder. In secondo luogo, i movimenti assoluti e incrementali possono essere eseguiti indipendentemente dalla presenza di un encoder assoluto o incrementale, o addirittura in assenza di encoder.

Quando si utilizza un motore per muovere un asse lineare, come un attuatore a vite a sfere, esiste (ovviamente) una distanza finita tra un'estremità dell'attuatore e l'altra. In altre parole, se il carrello si trova a un'estremità dell'attuatore, il motore può essere ruotato per muoversi solo finché il carrello non raggiunge l'estremità opposta. Questa è la lunghezza della corsa. Ad esempio, su un attuatore con una corsa di 200 mm, un'estremità dell'attuatore è normalmente la posizione "zero" o di riposo.

Un movimento assoluto trasporta il carrello nella posizione comandata indipendentemente dalla sua posizione attuale. Ad esempio, se la posizione attuale è zero e il movimento comandato è di 100 mm, il controller invia impulsi sufficienti per far avanzare l'attuatore fino al segno di 100 mm e fermarlo.

Ma se la posizione attuale dell'attuatore fosse 150 mm, uno spostamento assoluto di 100 mm farebbe sì che il controller inviasse impulsi nella direzione negativa per spostare l'attuatore indietro di 50 mm e fermarlo nella posizione di 100 mm.

Usi pratici

Il problema più comune con il controllo a impulsi risiede nel cablaggio. Spesso, i segnali vengono cablati accidentalmente in modo inverso. In modalità 2P, ciò significa che l'uscita CCW è collegata all'ingresso CW e viceversa. In modalità 1P, significa che l'uscita del segnale a impulsi è collegata all'ingresso direzionale e l'uscita del segnale direzionale è collegata all'ingresso a impulsi.

In modalità 2P, questo errore di cablaggio fa girare il motore in senso orario quando riceve il comando di andare in senso antiorario e in senso antiorario quando riceve il comando di andare in senso orario. In modalità 1P, il problema è più difficile da diagnosticare. Se i segnali vengono scambiati, il controller invia un treno di impulsi all'ingresso di direzione, che non produce alcun effetto. Invierebbe anche un cambio di direzione (accenderebbe o spegnerebbe il segnale a seconda della direzione) all'ingresso a gradino, il che potrebbe causare la rotazione di un impulso del motore. Un singolo impulso di movimento è solitamente piuttosto difficile da vedere.

L'utilizzo della modalità 2P semplifica la risoluzione dei problemi e solitamente è più semplice da comprendere per chi non ha molta esperienza in questo tipo di controllo del movimento.

Ecco un metodo per ridurre al minimo il tempo necessario alla risoluzione dei problemi degli assi a impulsi e direzionali. Permette agli ingegneri di concentrarsi su una cosa alla volta. Questo dovrebbe evitarvi di passare giorni a cercare di capire quale errore di cablaggio impedisca il movimento, per poi scoprire che la funzione di uscita a impulsi è configurata in modo errato nel PLC e che non avete mai emesso impulsi.

1. Determinare la modalità a impulsi da utilizzare e utilizzare la stessa modalità per tutti gli assi.

2. Impostare il controller sulla modalità corretta.

3. Impostare l'unità sulla modalità corretta.

4. Crea il programma più semplice nel tuo controller (solitamente una funzione jog) in modo che il motore possa essere comandato a ruotare in una direzione o nell'altra a bassa velocità.

5. Comandare un movimento CW e osservare eventuali stati nel controller che indicano che vengono emessi impulsi.

– Potrebbe trattarsi di LED sulle uscite del controller o di flag di stato come il flag di occupato nel PLC. Anche il contatore di impulsi in uscita nel controller può essere monitorato per vedere se cambia valore.

– Non è necessario collegare il motore agli impulsi di uscita.

6. Ripetere il test in direzione antioraria.

7. Se l'emissione degli impulsi in entrambe le direzioni ha esito positivo, procedere. In caso contrario, è necessario prima capire la programmazione.

8. Collegare il controller al driver.

9. Far girare il motore in una direzione. Se funziona, passare al punto 10. In caso contrario, controllare il cablaggio.

10. Fai girare il motore nella direzione opposta. Se funziona, hai avuto successo. In caso contrario, controlla il cablaggio.

Molte ore sono state sprecate in questa prima fase perché la frequenza degli impulsi è sufficientemente bassa da far girare il motore estremamente lentamente, circa 1/100 di giro al secondo. Se l'unico modo per capire se funziona è osservare l'albero motore, potrebbe non sembrare che si muova a bassa velocità, portando a credere che non stia emettendo impulsi. È meglio calcolare una velocità sicura in base alla risoluzione del motore e ai parametri dell'applicazione prima di impostare la velocità per il test. Alcuni credono di poter impostare una velocità utilizzabile semplicemente a caso. Ma se il motore necessita di 10.000 impulsi per ruotare di un giro e la frequenza degli impulsi è impostata a 1.000 pps, il motore impiegherà 10 secondi per compiere un giro. Al contrario, se il motore necessita di 1.000 impulsi per compiere un giro e la frequenza degli impulsi è impostata a 1.000, il motore compirà un giro al secondo o 60 giri al minuto. Questa velocità potrebbe essere eccessiva per il test se il motore è collegato a un carico come un attuatore a vite a sfere con una distanza di movimento limitata. È fondamentale controllare gli indicatori che segnalano l'emissione degli impulsi (LED o contatore di impulsi).

Calcoli per l'applicazione pratica

Gli utenti spesso si ritrovano con interfacce operatore che mostrano la distanza e la velocità della macchina in impulsi anziché in unità ingegneristiche come i millimetri. Spesso il programmatore ha fretta di far funzionare la macchina e non si prende il tempo di determinare le unità di misura della macchina e convertirle in unità ingegneristiche. Ecco alcuni suggerimenti per facilitare questa operazione.

Se si conosce la risoluzione del passo del motore (impulsi per giro) e il movimento effettuato per giro del motore (mm), la costante dell'impulso di comando viene calcolata come risoluzione/distanza per giro o impulsi per giro/distanza per giro.

La costante può aiutare a calcolare quanti impulsi sono necessari per percorrere una distanza specifica:

Posizione attuale (o distanza) = conteggio impulsi/impulsi di comando costanti.

Per convertire le unità ingegneristiche in impulsi, bisogna prima determinare la costante che determina il numero di impulsi necessari per un dato movimento. Ipotizziamo, nell'esempio precedente, che il motore richieda 500 impulsi per compiere un giro completo e che un giro sia lungo 10 mm. Il calcolo della costante può essere effettuato dividendo 500 (ppr) per 10 (mm p/r). Quindi la costante è 500 impulsi/10 mm o 50 impulsi/mm.

Questa costante può quindi essere utilizzata per calcolare il numero di impulsi necessari per uno spostamento di una determinata distanza. Ad esempio, per uno spostamento di 15 mm, 15 mm × 50 ppm = 750 impulsi.

Per convertire la lettura di un contatore di impulsi in unità ingegneristiche, è sufficiente dividere il valore del contatore di impulsi per la costante dell'impulso di comando. Pertanto, se il contatore di impulsi segna 6.000, dividendolo per la costante dell'impulso di comando calcolata nell'esempio precedente, la posizione dell'attuatore sarà di 6.000 impulsi/50 ppm = 120 mm.

Per comandare una velocità in mm e far calcolare al controller la frequenza corretta in Hz (impulsi al secondo), è necessario prima determinare la costante di velocità. Questo si ottiene trovando la costante di impulso di comando (come mostrato sopra), ma le unità di misura sono cambiate. In altre parole, se il motore eroga 500 impulsi al giro e l'attuatore si muove di 10 mm per giro, allora se vengono comandati 500 impulsi al secondo, l'attuatore si muoverà di 10 mm al secondo. Dividendo 500 impulsi al secondo per 10 mm al secondo si ottiene 50 impulsi al secondo per mm. Pertanto, moltiplicando la velocità target per 50 si ottiene la frequenza di impulso corretta.

Le formule sono le stesse, ma le unità cambiano:

Costante di velocità in pps = impulsi per rivoluzione/distanza per rivoluzione

Velocità dell'impulso (pps) = (costante di velocità) × velocità in mm

Utilizzare un sistema che utilizza segnali a treno di impulsi per controllare il movimento potrebbe sembrare inizialmente scoraggiante, tuttavia, prestare molta attenzione ai tipi di segnale e alle impostazioni del controller e degli azionamenti fin dall'inizio può ridurre il tempo impiegato per la sua messa a punto. Inoltre, se ci si prende il tempo di eseguire subito alcuni calcoli di base, programmare velocità e distanze sarà più semplice e gli operatori delle macchine avranno a disposizione informazioni più intuitive visualizzate sui loro HMI.