Progettazione di stadio, azionamento ed encoder.

I componenti che compongono il vostro sistema di posizionamento ad alta precisione (cuscinetti, sistema di misurazione della posizione, sistema motore-azionamento e controller) devono funzionare insieme nel miglior modo possibile. La Parte 1 riguardava la base e i cuscinetti del sistema. La parte 2 ha trattato la misurazione della posizione. Qui discutiamo della progettazione di stadio, azionamento ed encoder; l'amplificatore di trasmissione; e controllori.

I tre metodi comunemente utilizzati per assemblare le fasi lineari quando si utilizzano gli encoder lineari:
• L'azionamento e l'encoder sono posizionati il ​​più vicino possibile al centro di massa della slitta.
• L'azionamento si trova nel baricentro; l'encoder si attacca su un lato.
• L'azionamento si trova su un lato; l'encoder, dall'altro.

Il sistema ideale prevede l'azionamento al centro della massa della slitta con l'encoder. Tuttavia, questo è solitamente poco pratico. Il solito compromesso posiziona l'unità leggermente su un lato; l'encoder, leggermente spostato rispetto all'altro. Ciò fornisce una buona approssimazione di un azionamento centrale con il feedback del movimento accanto al sistema di azionamento. Gli azionamenti centrali sono preferiti perché la forza motrice non introduce vettori di forza indesiderati nel carrello che possano causare torsioni o armamenti. Poiché il sistema di cuscinetti vincola saldamente il carrello, l'armamento produrrebbe maggiore attrito, usura e imprecisione nella posizione del carico.

Un metodo alternativo utilizza un sistema a portale con due azionamenti, uno su ciascun lato della slitta. La forza motrice risultante emula una trasmissione centrale. Con questo metodo è possibile posizionare il feedback di posizione al centro. Se ciò è impossibile, è possibile posizionare gli encoder su ciascun lato e controllare il tavolo con uno speciale software di azionamento del gantry.

Amplificatore di guida
Gli amplificatori del servoazionamento ricevono segnali di controllo, solitamente ±10 V CC, dal controller e forniscono tensione operativa e corrente in uscita al motore. In generale, esistono due tipi di amplificatori di potenza: l'amplificatore lineare e l'amplificatore modulato in larghezza di impulso (PWM).

Gli amplificatori lineari sono inefficienti e quindi vengono utilizzati principalmente su azionamenti a bassa potenza. Le limitazioni principali sulla capacità di gestione della potenza di uscita di un amplificatore lineare sono le caratteristiche termiche dello stadio di uscita e le caratteristiche di rottura dei transistor di uscita. La dissipazione di potenza dello stadio di uscita è il prodotto della corrente e della tensione sui transistor di uscita. Gli amplificatori PWM, al contrario, sono efficienti e vengono generalmente utilizzati per capacità di potenza superiori a 100 W. Questi amplificatori commutano la tensione di uscita a frequenze fino a 50 MHz. Il valore medio della tensione di uscita è proporzionale alla tensione di comando. Il vantaggio di questo tipo è che la tensione viene attivata e disattivata, determinando un notevole aumento della capacità di dissipazione di potenza.

Una volta scelto il tipo di amplificatore, il passo successivo è garantire che l'amplificatore possa fornire la corrente continua richiesta e la tensione di uscita ai livelli richiesti per la massima velocità di rotazione del motore (o velocità lineare per i motori lineari) dell'applicazione.

Per i motori lineari brushless è possibile fare un'altra distinzione tra gli amplificatori. Sono di uso generale due tipi di commutazione del motore: trapezoidale e sinusoidale. La commutazione trapezoidale è un tipo di commutazione digitale in quanto la corrente per ciascuna delle tre fasi viene attivata o disattivata. Di solito lo fanno i sensori ad effetto Hall impiantati nel motore. I magneti esterni attivano i sensori. Tuttavia, la relazione tra i sensori a effetto Hall, gli avvolgimenti della bobina e i magneti è critica e comporta sempre una piccola tolleranza di posizione. I tempi di risposta dei sensori, pertanto, si verificano sempre leggermente sfasati rispetto alle posizioni effettive della bobina e del magnete. Ciò porta ad una leggera variazione nell'applicazione della corrente alle bobine, con conseguente vibrazione inevitabile.

La commutazione trapezoidale è meno adatta per applicazioni di scansione molto precise e a velocità costante. Tuttavia, è meno costosa della commutazione sinusoidale, quindi è ampiamente utilizzata per sistemi punto a punto ad alta velocità o su sistemi in cui la fluidità del movimento non influisce sull'elaborazione.

Con la commutazione sinusoidale non avviene la commutazione On-Off. Piuttosto, mediante commutazione elettronica, lo sfasamento di corrente di 360 gradi delle tre fasi viene modulato secondo uno schema sinusoidale. Ciò si traduce in una forza uniforme e costante dal motore. La commutazione a forma sinusoidale è quindi adatta per creare contorni di precisione e per applicazioni che richiedono una velocità costante e precisa, come gli usi di scansione e visione.

Controllori
Esistono più classi di controllori di quante ne possiamo discutere adeguatamente qui. Fondamentalmente, i controller possono essere suddivisi in diverse categorie a seconda del linguaggio di programmazione e della logica di controllo.

I controllori logici programmabili (PLC) utilizzano uno schema logico "ladder". Vengono utilizzati principalmente per il controllo di più funzioni di ingresso/uscita (I/O) discrete, sebbene alcuni offrano funzionalità limitate di controllo del movimento.

I sistemi di controllo numerico (NC) sono programmati tramite un linguaggio standard del settore, RS274D o una variante. Possono eseguire movimenti complessi come forme sferiche ed elicoidali con controllo su più assi.

I sistemi non NC utilizzano una varietà di sistemi operativi proprietari, inclusi programmi di interfaccia facili da usare per i profili di movimento di base. La maggior parte di questi controller è costituita da un modulo controller di base senza monitor o tastiera. Il controller comunica con un host tramite una porta RS-232. L'host può essere un Personal Computer (PC), un terminale stupido o un'unità di comunicazione portatile.

Quasi tutti i controller aggiornati sono controller digitali. Forniscono un livello di affidabilità e facilità d'uso inaudito nei controller analogici. Le informazioni di feedback sulla velocità vengono solitamente derivate dal segnale di posizione dell'asse. Tutti i parametri del servo vengono regolati tramite software anziché regolare faticosamente i "vasi" dell'amplificatore di trasmissione, che tendono a spostarsi dopo l'uso e con i cambiamenti di temperatura. La maggior parte dei controller moderni offre anche la regolazione automatica di tutti i parametri dei servoassi.

I controller più avanzati includono anche l'elaborazione distribuita e il controllo degli assi DSP (Digital Signal Processor). Un DSP è in sostanza un processore appositamente progettato per eseguire calcoli matematici molto rapidamente (almeno dieci volte più velocemente di un microprocessore). Ciò può fornire tempi di campionamento servo dell'ordine di 125 msec. Il vantaggio è il controllo preciso dell'asse per un controllo della velocità costante e una contornatura fluida.

Un algoritmo di filtro proporzionale-integrale-derivativo (PID) e il feed-forward di velocità e accelerazione migliorano il servocontrollo dell'asse. Inoltre, la programmazione della curva a S dei profili di accelerazione e decelerazione controlla lo strappo che solitamente accompagna l'avvio e l'arresto del movimento della tavola. Ciò garantisce un funzionamento più fluido e controllato, con tempi di assestamento più rapidi sia per la posizione che per la velocità.

I controller includono anche ampie funzionalità di ingresso/uscita digitali o analogiche. Il programma utente o la subroutine possono essere modificati in base alle informazioni sulla posizione, all'ora o allo stato, ai valori delle variabili, alle operazioni matematiche, agli eventi I/O esterni o interni o agli interrupt di errore. Il processo dell'utente può essere facilmente automatizzato.

Inoltre, la maggior parte dei controller può aumentare la risoluzione del feedback di posizione attraverso la moltiplicazione elettronica. Sebbene la moltiplicazione 4× sia comune, alcuni controller avanzati possono moltiplicarsi fino a 256×. Sebbene ciò non fornisca alcun miglioramento in termini di precisione, comporta un reale aumento della stabilità della posizione dell'asse e, cosa ancora più importante in molti usi, della ripetibilità.

Nel tuo approccio generale, oltre ai fattori sopra menzionati, devi considerare altri fattori che possono modificare le decisioni sui componenti, come budget, ambiente, aspettativa di vita, facilità di manutenzione, MTBF e preferenze dell'utente finale. L'approccio modulare consente l'assemblaggio del sistema partendo da componenti standard e facilmente disponibili che soddisferanno anche i requisiti applicativi più esigenti se un sistema viene analizzato dalla base per la compatibilità complessiva dei componenti.