Controllo dual loop: niente più gioco tra gli ingranaggi

È possibile posizionare i carichi in modo dinamico, con elevata precisione e senza oscillazioni nonostante il gioco meccanico e i componenti elastici? Sì, se viene utilizzato un sistema intelligente.

Lo spostamento di carichi con un azionamento elettrico viene solitamente eseguito con un sistema che utilizza un encoder sull'albero motore per fornire le informazioni su posizione e velocità al controllo. L'elevata risoluzione dell'encoder e il rilevamento preciso della reazione dell'albero motore sono fondamentali per il controllo dinamico della posizione. Dal punto di vista dell'applicazione, tuttavia, è sicuramente la precisione del movimento del carico sul lato in uscita a essere fondamentale per la qualità e la precisione dimensionale delle merci prodotte. Riduttori, mandrini e cinghie di azionamento possono incidere negativamente. In base alla direzione di movimento, il gioco del riduttore può causare una diversa posizione di carico sul lato in uscita. L'elasticità può causare ritardi e oscillazioni all'avvio o all'arresto del movimento. La prima soluzione che viene in mente consiste nel montare l'encoder sull'albero di trasmissione invece che sull'albero motore. Tuttavia, invece che un maggiore successo, questo comporta prestazioni peggiori del sistema.

Nel caso di un meccanismo con gioco o elasticità, un posizionamento dinamico e preciso del carico richiede l'uso di un sistema in cui il controllo si basa su due sistemi con encoder:

• un encoder rotativo, l'encoder ausiliario, rigidamente collegato all'albero motore, che dovrebbe fare parte della combinazione del motore.
• un altro encoder, l'encoder principale, collegato al carico movimentato sul lato di uscita.
  
  
  

  Fig. 1 L'architettura dual loop è composta da tre circuiti di feedback integrati.

Per elaborare i segnali da questi due sistemi di encoder, è necessario un controllo dual loop. I comandi di posizionamento EPOS4 di maxon aumentano il controllo dual loop con un filtro di ordine secondario e un temporizzatore del guadagno per reagire alla risonanza meccanica e al gioco del riduttore. Il software di messa in servizio EPOS Studio fornisce lo strumento Regulation Tuning che determina automaticamente i parametri della complessa struttura dell'unità di comando. Pianifica inoltre la funzione di trasferimento dell'azionamento.

Architettura di controllo

EPOS4 usa una struttura di controllo a cascata per il controllo dual loop (vedere la figura 1):

• Il loop di controllo più interno fornisce un controllo a orientamento di campo (= FOC) della corrente del motore in base alla misurazione della corrente del motore come segnale di feedback.
• Il loop di controllo centrale (controllo ausiliario) controlla la velocità del motore sulla base dell'encoder sull'albero motore.
• Il loop di controllo più esterno (controllo principale) controlla la posizione del carico sulla base del sistema di encoder sul carico.

Una vista dettagliata della struttura di controllo dual loop EPOS4 è rappresentata nella Figura 2.

Loop di controllo principale

Il loop di controllo principale è formato da un controllo proporzionale (P), un temporizzatore di guadagno e un filtro di ordine secondario (il filtro del loop principale). Un pianificatore di percorso fornisce la posizione del carico e la velocità desiderate e l'accelerazione come variabili di input del loop di controllo principale. Un'altra variabile di input è la posizione corrente del carico misurata dal relativo encoder.

• Temporizzatore di guadagno

Il controllo dual loop EPOS4 utilizza il temporizzatore di guadagno per eliminare gli effetti negativi del gioco del riduttore. L'operazione viene eseguita automaticamente regolando il guadagno P del loop di controllo principale. Se l'errore di tracciamento, la deviazione dalla posizione attuale del carico dalla posizione desiderata, è troppo ampio, verrà applicato un guadagno P alto con conseguente riduzione rapida dell'errore. Quando l'errore di tracciamento diventa più piccolo, anche il guadagno P viene ridotto in modo che l'oscillazione non sia presente nell'azionamento nonostante il gioco del riduttore.

• Filtro del loop principale

In presenza di una determinata elasticità tra il motore e il carico dovuta ad accoppiamenti, cinghie o mandrini lunghi, le frequenze di risonanza possono causare l'amplificazione delle oscillazioni, aumentando così il punto in cui il controllo diventa instabile. Per impedire questo, il controllo dual loop EPOS4 utilizza un filtro di ordine secondario, ossia il tipo di filtro elimina banda. Questo filtro elimina l'intervallo di frequenza di risonanza nel segnale in uscita dal loop di controllo principale impedendo così le oscillazioni armoniche nella trasmissione.
 

Loop di controllo ausiliario

Il loop di controllo ausiliario è composto da un controllo proporzionale-integrale (PI) in feedforward (FF) e un osservatore che stima la velocità del motore dai dati di posizione dell'encoder del motore e dalle misurazioni della corrente del motore.

Procedura di auto-tuning

Per semplificare la messa in servizio, il software EPOS Studio di maxon presenta una procedura di auto-tuning integrata per determinare e convalidare i parametri sul controllo dual loop. La procedura di auto-tuning consiste in due esperimenti eseguiti automaticamente.

• L'esperimento 1 attiva le oscillazioni dell'albero motore. Queste oscillazioni vengono utilizzate per determinare l'inerzia di massa, la costante di coppia e la frizione nel motore. I parametri del controllo del loop ausiliario e dell'osservatore vengono quindi calcolati sulla base dei dati individuati.
• L'esperimento 2 viene usato per calcolare i parametri del loop di controllo principale e del filtro elimina banda. Un segnale PRBS (= Pseudo-Random Binary Sequence) viene utilizzato per eccitare l'impianto. Sulla base dei dati di input-output risultanti, viene individuata la funzione di trasferimento e presentata come diagramma di Bode (vedere la Figura 3).

È possibile esportare il diagramma di Bode. Supporta i tecnici di controllo nell'analisi di sistema ai fini dell'ottimizzazione della progettazione meccanica e nell'adattamento manuale del controllo per le applicazioni specifiche.

Controllo del controllo single loop e del controllo dual loopl

I seguenti grafici mostrano le differenze nella risposta di riferimento e l'errore di tracciamento per un sistema con gioco del riduttore (figura 4) e un sistema con accoppiamento elastico (figura 5). I grafici confrontano il controllo single loop con l'encoder sul carico e il controllo dual loop regolato automaticamente con l'encoder sull'albero motore e sul carico.

Il controllo dual loop è un metodo per rendere i sistemi di azionamento più precisi ed efficienti. maxon propone non solo tutti i componenti necessari ma anche una vasta esperienza di consulenza: dall'idea iniziale alla progettazione del sistema fino alla produzione commerciale su vasta scala.