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

L'utilizzo delle uscite a impulsi di un PLC è un modo conveniente per ottenere un movimento semplice. La maggior parte, se non tutti, i produttori di PLC forniscono un modo per controllare servo e stepper utilizzando un segnale a treno di impulsi. Pertanto, quando è necessario automatizzare una macchina semplice solo su due o tre assi su attuatori elettrici, le uscite a impulsi possono essere molto più semplici da impostare, cablare e programmare rispetto all'utilizzo di segnali analogici. Potrebbe anche costare meno 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, ponendo l'accento sui segnali a impulsi utilizzati dal controller o dall'indicizzatore.

Nozioni di base sul treno di impulsi

I motori passo-passo e le versioni controllate a impulsi dei servomotori possono ruotare in entrambe le direzioni. Ciò significa che un controller deve fornire, come minimo, due segnali di controllo al convertitore. 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 che si stanno utilizzando: "modalità 1P", ovvero "modalità Passo/Direzione", e "modalità 2P", denominata "modalità CW/CCW" o senso orario/antiorario modalità. Entrambe le modalità richiedono due segnali di controllo dal controller all'azionamento.

Nella modalità 1P, un segnale di controllo è un treno di impulsi o un segnale “a gradino”. L'altro segnale è un ingresso direzionale. Se l'ingresso direzionale è attivo ed è presente un segnale a impulsi sull'ingresso passo, il motore ruota in senso orario. Al contrario, se il segnale di direzione è spento ed è presente un segnale a impulsi sull'ingresso del gradino, il motore ruota nell'altra direzione, ovvero in senso antiorario. Il treno di impulsi è sempre sullo stesso ingresso, indipendentemente dalla direzione desiderata.

Nella 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. Quale ingresso riceve il treno di impulsi dipende dalla direzione desiderata.

Gli impulsi emessi dal controller fanno muovere il motore. Il motore ruota un'unità incrementale per ogni impulso sull'ingresso impulsi del convertitore. Ad esempio, se un motore passo-passo bifase ha 200 impulsi per giro (ppr), un impulso farà ruotare il motore di 1/200 di giro o 1,8 gradi e 200 impulsi faranno ruotare il motore di un giro.

Naturalmente, motori diversi hanno risoluzioni diverse. I motori passo-passo possono essere micro-passi, fornendo loro molte migliaia di impulsi per giro. Inoltre, i servomotori hanno generalmente molte migliaia di impulsi per giro come risoluzione minima. Indipendentemente dalla risoluzione del motore, un impulso proveniente dal controller o dall'indicizzatore fa ruotare solo un'unità incrementale.

La velocità con cui ruota un motore dipende dalla frequenza o velocità degli impulsi. Più veloci sono gli impulsi, più velocemente gira il motore. Nell'esempio precedente, con un motore da 200 giri/min, una frequenza di 200 impulsi al secondo (pps) farebbe ruotare il motore a una rotazione al secondo (rps) o 60 rotazioni al minuto (rpm). Quanti più impulsi sono necessari per far compiere al motore un giro (ppr), tanto più velocemente dovranno essere inviati gli impulsi per ottenere la stessa velocità. Ad esempio, un motore con 1.000 giri al minuto dovrebbe avere tempi di frequenza degli impulsi più alti di quelli di un motore con 200 giri al minuto per raggiungere gli stessi giri al minuto. Il calcolo è piuttosto semplice:

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

giri/min = giri/min(60)

Controllare gli impulsi

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

Considera due mosse come un semplice esempio. Entrambe le mosse sono 1.000 impulsi. Uno è nella direzione positiva, l'altro in quella negativa. Il controller attiva le uscite appropriate, sia che si utilizzi 1P o 2P, per far ruotare il motore nella 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 muoversi nella 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.

I controller e i driver generalmente consentono agli utenti di selezionare il tipo di impulso, tramite dip switch o impostazione di selezione del software. È importante assicurarsi che il controller e il driver siano configurati allo stesso modo. In caso contrario, il funzionamento potrebbe essere irregolare o non funzionare affatto.

Movimenti assoluti e incrementali

I due comandi di movimento più comuni nella programmazione del controllo del movimento sono i comandi di movimento incrementale e assoluto. Il concetto di movimenti assoluti e incrementali confonde molti utenti, indipendentemente dal metodo di controllo del motore utilizzato. Ma queste informazioni si applicano se il motore è controllato con impulsi, un segnale analogico o una rete come Ethernet/IP o Ethercat.

Innanzitutto, se un motore è dotato di un encoder, i suoi tipi di movimento non hanno nulla a che fare con il tipo di encoder. In secondo luogo, i movimenti assoluti e incrementali possono essere eseguiti indipendentemente dal fatto che sia presente un encoder assoluto o incrementale o che non sia presente alcun encoder.

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

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

Ma se la posizione corrente dell'attuatore fosse 150 mm, uno spostamento assoluto di 100 mm farebbe sì che il controller invii 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 l'utilizzo del controllo a impulsi è nel cablaggio. I segnali spesso vengono accidentalmente cablati al contrario. 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 di impulso è collegata all'ingresso di direzione e l'uscita del segnale di direzione è collegata all'ingresso di impulso.

Nella modalità 2P, questo errore di cablaggio fa girare il motore in senso orario quando viene comandato di andare in senso antiorario e in senso antiorario quando viene comandato 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 fa nulla. Invierebbe anche un cambio di direzione (accende o spegne il segnale a seconda della direzione) all'ingresso passo che potrebbe far ruotare il motore con un impulso. Un impulso di movimento è solitamente piuttosto difficile da vedere.

L'uso della modalità 2P semplifica la risoluzione dei problemi e di solito è più facile da capire per chi non ha molta esperienza in questo tipo di controllo del movimento.

Ecco un metodo per garantire che venga dedicato il minor tempo possibile alla risoluzione dei problemi degli assi di impulso e direzione. Consente agli ingegneri di concentrarsi su una cosa alla volta. Ciò dovrebbe impedirti di passare giorni a cercare di capire quale errore di cablaggio impedisce il movimento solo per scoprire che la funzione di uscita a impulsi è configurata in modo errato nel PLC e non hai 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. Creare il programma più semplice nel controller (solitamente una funzione jog) in modo che sia possibile comandare al motore di ruotare in una direzione o nell'altra a bassa velocità.

5. Comandare un movimento in senso orario e osservare eventuali stati nel controller per indicare che gli impulsi vengono emessi.

–Potrebbero essere LED sulle uscite del controller o flag di stato come il flag di occupato nel PLC. È inoltre possibile monitorare il contatore dell'uscita a impulsi nel controller per vedere se cambia valore.

–Non è necessario che il motore sia collegato agli impulsi di uscita.

6. Ripetere il test in senso antiorario.

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

8. Collegare il controller al driver.

9. Far avanzare il motore in una direzione. Se funziona, vai al passaggio 10. Se non funziona, controlla il cablaggio.

10. Far avanzare il motore nella direzione opposta. Se funziona, ci sei riuscito. Se non funziona, 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 molto lentamente, come 1/100 di giro. Se l'unico modo per sapere se funziona è osservare l'albero del 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 indovinando. Ma se il motore necessita di 10.000 impulsi per compiere un giro e la frequenza degli impulsi è impostata su 1.000 pps, il motore impiegherà 10 secondi. per muovere una rivoluzione. Al contrario, se il motore necessita di 1.000 impulsi per compiere un giro e la frequenza degli impulsi è impostata su 1.000, il motore si sposterà di un giro al secondo o 60 giri al minuto. Potrebbe essere troppo veloce per il test se il motore è collegato a un carico come un attuatore con vite a ricircolo di sfere con distanza di movimento limitata. È fondamentale osservare gli indicatori che rivelano che gli impulsi vengono emessi (LED o contatore di impulsi).

Calcoli per l'applicazione pratica

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

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 trovare 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, determinare innanzitutto la costante che determina il numero di impulsi necessari per un determinato movimento. Supponiamo che nell'esempio sopra il motore richieda 500 impulsi per ruotare un giro e che un giro sia 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 spostare 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 degli impulsi legge 6.000, diviso per la costante dell'impulso di comando calcolata dall'esempio precedente, la posizione dell'attuatore sarebbe 6.000 impulsi/50 ppm = 120 mm.

Per comandare una velocità in mm e fare in modo che il controller calcoli la frequenza corretta in Hz (impulsi al secondo), è necessario prima determinare la costante di velocità. Questo viene fatto trovando la costante dell'impulso di comando (come mostrato sopra), ma le unità vengono modificate. In altre parole, se il motore eroga 500 giri/min e l'attuatore si muove di 10 mm per giro, quindi se vengono comandati 500 impulsi al secondo, l'attuatore si sposterà di 10 mm al secondo. Dividendo 500 impulsi al secondo per 10 mm al secondo si ottengono 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 giro/distanza per giro

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

Utilizzare una configurazione che utilizza segnali a treno di impulsi per controllare il movimento potrebbe sembrare inizialmente scoraggiante, tuttavia, prestando molta attenzione ai tipi di segnale e alle impostazioni sul controller e sugli azionamenti all'inizio è possibile ridurre il tempo impiegato per farla funzionare. Inoltre, se ci si prende il tempo per eseguire subito alcuni calcoli di base, programmare le velocità e le distanze sarà più semplice e gli operatori della macchina avranno informazioni più intuitive visualizzate sui loro HMI.