Scelta dell'encoder – Parte 3: il controllo della velocità

Un'analisi generale approfondita mostra che l'encoder deve disporre della massima risoluzione possibile per il controllo estremamente preciso della velocità. La risoluzione dell'encoder è direttamente proporzionale al quadrato della precisione della velocità richiesta. Oltre al loop di controllo rapido della velocità necessario, l'inerzia di massa elevata incide positivamente sulla stabilità della velocità.

• Ricordate: non è solo la risoluzione dell'encoder a incidere sul controllo preciso e dinamico della velocità, ma la risposta del sistema nel complesso. Il tempo di risposta può essere limitato dai vincoli di corrente e tensione dell'alimentazione e dell'unità di comando, dalla frequenza di campionamento del loop di controllo, dalle inerzie di massa, dalle variazioni nell'attrito e dal gioco meccanico.

Come viene analizzata la velocità con gli encoder incrementali?

La velocità viene analizzata nell'unità di comando contando il numero di cambiamenti di stato in un intervallo di tempo definito. Ad esempio, l'EPOS 2 presenta una frequenza di campionamento del controllo della velocità di 1 kHz. Pertanto la velocità interna viene misurata in integer di quadcount per ms (qc/ms), che corrisponde a una risoluzione della velocità di 30 rpm per gli encoder da 500 cpt (2000 qc per giro). Minore è la risoluzione dell'encoder, maggiore è la quantizzazione dei segnali di velocità.

Occorre sottolineare che è un problema metrologico dovuto all'acquisizione digitale. Ciò che viene misurato non è il comportamento del sistema. La velocità effettiva del motore raggiunge il valore nominale e lo mantiene per effetto dell'inerzia meccanica (effetto volano). Sono solo i valori misurati che oscillano attorno alla velocità media.

Segnali di velocità registrati su un motore con encoder MR maxon. (Screenshot di EPOS2 Studio Data Recorder.) La linea nera indica la velocità letta dal sensore. Salta a incrementi di 30 rpm secondo la risoluzione 1 qc/ms. Inoltre il segnale presenta un periodo di stemming di 30 ms per giro motore. La linea verde della velocità media mostra questa periodicità in modo più chiaro. Il segnale della velocità media è più vicino alla velocità reale del motore. Tuttavia in questo caso riflette piuttosto le imperfezioni dell'encoder. Tuttavia, laprecisione della velocità del segnale medio presenta una deviazione di circa 3 rpm a una velocità di 2000 rpm: un ottimo risultato!

Controllo della velocità a velocità elevate

I componenti elettronici dell'encoder limitano la frequenza massima degli impulsi gestibile e quindi limitano la velocità massima dell'encoder. In alcuni casi la limitazione deriva dai vari aspetti meccanici quali lo squilibrio e le tolleranze di montaggio.

È necessario anche tener conto dei limiti di frequenza sull'ingresso dell'encoder lato unità di comando. Se sono richieste velocità particolarmente elevate è necessario selezionare di conseguenza encoder con risoluzione bassa.

Una piccola percentuale di variazione della velocità relativa a velocità elevate (diverse migliaia di rpm) corrisponde a una precisione assoluta di diverse decine di rpm, facilmente raggingibile. 

Regola 4: Encoder per il controllo di velocità elevate (> 500 rpm)

Selezionate un encoder con un numero di stati medio o basso e una velocità nominale massima sufficientemente elevata. In molti casi l'encoder maxon EASY è la soluzione perfetta. Di solito non sono necessari encoder ottici ad alta precisione. Regola empirica: (velocità in rpm) x (risoluzione encoder in cpt) > 100.000 rpm cpt è più che sufficiente per la maggior parte delle applicazioni.

Controllo della velocità a velocità ridotte

Il conteggio stati in fase di analisi della velocità assicura un ottimo controllo della velocità a regimi elevati ma risulta particolarmente scomodo a velocità particolarmente basse. Immaginatevi una velocità di 60 rpm, ovvero 1 giro al secondo da mantenere con una precisione del 5% (3 rpm). Con lo stesso encoder da 500 cpt e tempo del ciclo di controllo 1 ms usato prima non potreste avere una velocità stabile e controllata in maniera fluida.

Per ridurre la variazione di velocità assoluta è necessaria una risoluzione encoder più elevata e un'unità di comando più rapida. Immaginatevi di utilizzare invece un encoder da 5000 cpt: otterreste un feedback 10 volte maggiore. Tuttavia, a velocità ridotte il loop di controllo dovrebbe essere in grado di reagire più rapidamente per mantenere ridotta la deviazione dalla velocità assoluta. Entrambe queste condizioni rendono più complessi i requisiti dell'encoder. La risoluzione dell'encoder è direttamente proporzionale al quadrato della stabilità della velocità assoluta: Metà della variazione di velocità consentita necessita una risoluzione encoder 4 volte maggiore. 

In caso di velocità particolarmente basse, alcune unità di comando offrono un modo alternativo per analizzare la velocità. In questo caso viene misurato il tempo tra uno stato e l'altro. I valori di feedback della velocità sono più omogenei e consentono un controllo più rigido e dinamico.

L'unità di comando EPOS4 permette di usare un altro metodo con velocità ridotte, chiamato speed observer. Lo speed observer è un elemento del loop di controllo. Calcola la velocità monitorata in due fasi. Prima viene fatta una prognosi di velocità, posizione e coppia esterna sulla base dei parametri che definiscono la funzione di trasferimento meccanico del sistema. Quindi vengono corretti i valori prognosticati sulla base della posizione del rotore appena misurata.

Anche in questo caso però, gli encoder con risoluzione elevata e unità di comando rapida sono decisivi.

Regola numero 5: encoder per il controllo di velocità basse (< 100 rpm)

Selezionate un encoder con numero di stati alto o molto alto combinato con un'unità di comando rapida.