Profili per il controllo del movimento: buoni, più efficaci e ottimali

Il controllo del movimento è la capacità di controllare i parametri legati alle prestazioni di un motore e al suo carico, per raggiungere in modo ottimale un obiettivo designato. Questa semplice affermazione però nasconde molte variabili: quale o quali attributi dei parametri si desidera controllare? Posizione, velocità, accelerazione o variazione dell'accelerazione? L'obiettivo principale è ottenere una posizione precisa o una velocità accurata? Avere una soluzione ottimale significa raggiungere un obiettivo il più rapidamente possibile, con la precisione richiesta? E come si gestisce la sovraelongazione? E in caso di variazioni del carico? E per quanto riguarda rendimento in potenza e gestione degli inevitabili errori come gli stalli?

Non è facile raggiungere tutti questi obiettivi che, spesso, per certi versi, sono anche in conflitto tra di loro. È più che altro responsabilità del controller di movimento del motore. Il controller è il "cervello" del sistema di controllo. Implementa gli algoritmi progettati e ottimizzati per gli obiettivi dell'applicazione, tenendo anche in considerazione il tipo di motore che, ad esempio, può essere passo-passo, a spazzole, brushless c.c. (BLDC) o c.a. Gli algoritmi devono inoltre considerare la natura del carico (solido, liquido, polvere, ingranaggi, binari), eventuali collegamenti meccanici e giochi.

Il controller funziona insieme a un driver per motori che contiene i dispositivi di alimentazione come MOSFET, che modulano la corrente verso il motore secondo le indicazioni del controller. Come si può notare, le funzioni dei due ruoli si sovrappongono in parte, dato che alcuni driver hanno funzionalità di controller di base e alcuni controller possono incorporare MOSFET di bassa potenza.

Iniziare con un buon profilo

Il modo più ovvio per portare il motore dove serve è semplicemente far leva sulla potenza, facendolo accelerare alla massima velocità possibile, mantenendo la velocità e poi arrestandolo quando raggiunge la posizione di finecorsa o la velocità desiderata (Figura 1).

Figura 1: La tattica più semplice per gestire il movimento del motore è farlo accelerare alla massima velocità possibile fino al raggiungimento del finecorsa desiderato e poi arrestarlo in modo istantaneo. (Immagine per gentile concessione di Trinamic Motion Control GmbH)

Questo approccio, detto profilo trapezoidale, funziona ed è molto usato, ma inaccettabile in molte applicazioni. Ad esempio, un forte sobbalzo quando l'accelerazione passa da zero al valore massimo alle transizioni di inizio e finecorsa può destabilizzare e far oscillare i liquidi. La sovraelongazione è inoltre spesso inaccettabile, perché i motori del mondo reale e i loro carichi non si arrestano in modo istantaneo.

Ottenere un profilo più efficace

Un miglioramento standard consiste nell'aggiungere transizioni graduali tra le fasi iniziale e di funzionamento e le fasi di funzionamento e di finecorsa. Questo è detto profilo con curva a S (Figura 2).

Figura 2: Il profilo con curva a S aggiunge un arrotondamento nei punti di transizione della velocità tra le fasi di finecorsa e funzionamento e all'azione inversa. (Immagine per gentile concessione di Trinamic Motion Control GmbH)

Quanto debba essere tonda o affilata la "parte S" e quanto debba durare all'interno del profilo totale dipende dall'applicazione, dal carico e dalle priorità del sistema in un equilibrio di compromessi tra i molti obiettivi di prestazioni e i vincoli.

Inoltre, esiste un buon motivo per ridurre al minimo i sobbalzi: valori elevati tendono a indurre oscillazioni del carico, in quanto aggiungono più frequenze allo spettro del profilo di movimento, e una o più di esse potrebbero corrispondere alle risonanze naturali del sistema. L'impatto di un'oscillazione di questo tipo nel mondo reale può andare da un rumore fastidioso a una vibrazione dannosa e magari distruttiva.

Pertanto, una tale oscillazione (diversa da una sovraelongazione più semplice e indesiderata) in genere non è accettabile.

Scegliere il profilo ottimale

La curva S di base è efficace, ma potrebbe non garantire un profilo di movimento ottimale per l'applicazione. Le dinamiche del motore, i collegamenti meccanici al carico e il carico stesso infatti complicano enormemente il modello di movimento semplice iniziale.

Il tipo di motore da controllare poi rende tutto ancora più difficile. Inoltre, aggiungere un sensore di retroazione per il controllo a circuito chiuso consente di ottenere una maggiore precisione e una risposta più rapida, ma per raggiungere questo scopo è necessario far ricorso a strategie di controllo più avanzate, come l'algoritmo proporzionale, integrale e derivato (PID).

Una possibilità per garantire la curva a S e un controllo più avanzato è data dall'uso di un microprocessore con funzionalità potenziate di elaborazione numerica, per implementare le equazioni richieste in tempo reale, in aggiunta ad altre funzioni e caratteristiche hardware integrali incentrate sul controllo del movimento. Questi processori ottimizzati per l'applicazione possono eseguire software di controllo del movimento, che spesso vengono forniti dal produttore del processore.

Ad esempio, la famiglia C2000 di Texas Instruments è specifica per questa applicazione e include F28M35H52C1RFPS, un microcontroller serie C28x/ARMCortex-M3 con processore dual core a 32 bit e frequenza di 100 MHz, supportato da 512 kB di memoria flash, 2 kB di RAM e un array di porte di comunicazione.

Il processore è solo una parte della soluzione per personalizzare l'algoritmo per l'applicazione, in quanto Texas Instruments offre due diversi percorsi per il controllo di un motore basato su C2000. La libreria Digital Motor Control (DMC) è un'ampia raccolta di componenti costitutivi software per il controllo dei motori, creata negli anni, che presume che gli utenti sviluppino in modo autonomo un'ottimizzazione del ciclo di controllo. Include esempi base disponibili su moduli di valutazione hardware, che ingegneri esperti di controllo dei motori possono usare come punto di partenza.

Per i progettisti con esperienza limitata nel controllo del movimento, invece, la soluzione di controllo del motore InstaSPIN di TI offre accesso ad algoritmi ad alte prestazioni, semplificando molte delle sfide legate allo sviluppo di soluzioni avanzate nel mondo reale. Include un'autoregolazione automatica che potrebbe non garantire gli stessi risultati di una ottimizzata dall'utente, ma risultare più che adeguata per l'applicazione.

Altri produttori offrono CI autonomi e moduli scheda CS completi, spesso con driver per motori già completamente programmati con algoritmi sofisticati per il controllo del movimento, che comunque consentono all'utente di impostare i parametri principali e creare profili personalizzati. Un ottimo esempio è la scheda di valutazione TMC5041-EVAL di Trinamic Motion Control GmbH per il doppio controller/driver per la gestione della potenza passo-passo TMC5041-LA-T (Figura 3).

Figura 3: Il doppio controller/driver TMC5041 per la gestione della potenza passo-passo, visto qui sulla scheda di valutazione TMC5041-EVAL, include algoritmi e funzioni embedded per il controllo del movimento e supporta la programmazione da parte dell'utente dei parametri di funzionamento principali. (Immagine per gentile concessione di Trinamic Motion Control GmbH)

TMC5041 include funzioni come generatori di rampa flessibili per il posizionamento automatico nella destinazione per driver per motori passo-passo avanzati e assicura un funzionamento silenzioso unito alla massima efficienza e alla migliore coppia motore. Tra le funzioni preprogrammate è presente la capacità di adattamento alle variazioni della forza controelettromotrice (BEMF) del motore causata da accelerazione e decelerazione, che potrebbe richiedere una regolazione più rapida. È così possibile regolare e ottimizzare le impostazioni associate (PWM_GRAD designato) per ottenere la massima rampa di accelerazione e decelerazione (Figura 4).

Figura 4: Il livello di sofisticazione di TMC5041 è rappresentato dalla possibilità per l'utente di specificare i valori correnti del driver per garantire la massima accelerazione e decelerazione, unita a prestazioni rapide e sovraelongazione minima. (Immagine per gentile concessione di Trinamic Motion Control GmbH)

Conclusione

Per un controllo del movimento e una gestione dei profili efficaci è necessario raggiungere il giusto compromesso tra posizione, velocità e accelerazione, garantendo allo stesso tempo precisione e prestazioni rapide. Utilizzando un controller di movimento sofisticato per impostare i parametri principali per la corrente e la tensione del motore, è possibile avere una precisione eccezionale e una risposta rapida.

I controller di movimento possono essere implementati tramite algoritmi eseguiti in microprocessori ad alte prestazioni o tramite dispositivi dedicati, preprogrammati con firmware embedded, che consentono di regolare e ottimizzare i punti di lavoro per raggiungere prestazioni avanzate.

Letture consigliate

1: Metodologia di controllo digitale di motori per i microcontroller in tempo reale C2000™

https://www.digikey.com/en/articles/digital-motor-control-methodology-for-c2000-real-time-control-microcontrollers

2: Utilizzare il controllo vettoriale senza sensori con i motori BLDC e PMS per il controllo preciso del movimento

https://www.digikey.com/en/articles/use-sensorless-vector-control-with-bldc-and-pms-motors

3: Usate MCU appositi per semplificare la progettazione

https://www.digikey.com/en/articles/use-specialized-mcus-to-simplify-motion-control-design

4: Controllo per movimento avanzato

https://www.digikey.com/en/articles/control-for-advanced-motion