Azionamenti, controllo del movimento

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di Maurizio di Paolo Emilio

Gli azionamenti permettono di controllare la velocità, la posizione e la coppia di motori elettrici, garantendo precisione ed efficienza nelle loro applicazioni. Essi sono elementi fondamentali nell’automazione industriale e in molte altre applicazioni tecnologiche poiché permettono di gestire con precisione il movimento di macchine e dispositivi, garantendo soprattutto la sicurezza. Gli azionamenti e il controllo del movimento sono tecnologie fondamentali nell’automazione industriale e nei sistemi meccatronici.

Introduzione

Un azionamento elettrico è un sistema che regola il funzionamento di un motore attraverso un dispositivo di controllo. Il compito principale di un azionamento è quello di gestire la conversione dell’energia elettrica (o anche idraulica o pneumatica) in energia meccanica (movimento lineare, rotatorio, oscillatorio o altro) con parametri ottimizzati per l’applicazione specifica. Essi sono composti da diversi componenti, tra cui motori, servo motori, motori passo passo, inverter, sensori e sistemi di controllo. Il controllo del movimento, invece, si occupa di regolare e gestire tale movimento per ottenere comportamenti precisi e affidabili, quindi essi possono essere utilizzati per controllare la velocità, la coppia e la posizione di un motore, permettendo un’ampia gamma di applicazioni meccaniche. Gli azionamenti possono operare in corrente continua, per applicazioni di precisione del movimento, oppure in corrente alternata, specialmente in ambito industriale (monofase o trifase) dove è necessaria molta potenza. Oggi le applicazioni pratiche sono le più disparate, dall’automazione industriale alla robotica, dai nastri trasportatori alle macchine utensili, dal controllo dei motori nei veicoli elettrici ai sistemi di navigazione degli aeromobili, dai piccoli dispositivi di consumo come stampanti, hard disk e telecamere motorizzate alla regolazione di turbine eoliche e impianti fotovoltaici. Oggi le nuove tipologie di azionamenti sono muniti di elettronica integrata, per il massimo controllo e potenza in uno spazio compatto. Il driver è integrato direttamente sul motore per cui l’architettura della macchina è semplificata, con un cablaggio ridotto e dimensioni minime. L’azionamento deve poter svolgere due compiti principali, secondo le esigenze dell’utilizzo:

• alimentare adeguatamente il motore o l’attuatore con i corretti parametri di corrente e di tensione;

• controllare con precisione il comportamento del motore.

Tutti i parametri critici, come la potenza nominale, le situazioni di sovraccarico, la corrente a pieno carico e di spunto devono essere adeguati alle applicazioni dei dispositivi. Oltre alle caratteristiche di potenza il sistema deve soddisfare egregiamente i meccanismi di feedback, con una perfetta gestione dell’ingresso e dell’uscita del motore. E’ fondamentale garantire la corretta implementazione dei protocolli di comunicazione, affinché il sistema possa operare in maniera efficiente e integrata con altri dispositivi o reti di controllo. Inoltre, il monitoraggio continuo della temperatura di esercizio rappresenta un aspetto cruciale, poiché consente di rilevare eventuali surriscaldamenti e di intervenire tempestivamente. In caso di necessità, potrebbe essere opportuno adottare soluzioni di raffreddamento attivo, come sistemi di ventilazione o raffreddamento forzato, per garantire un funzionamento stabile e prolungato nel tempo. Allo stesso modo, in base alle specifiche esigenze dell’applicazione e ai requisiti di sicurezza, potrebbe essere necessario integrare freni dinamici o meccanici. Questi dispositivi risultano particolarmente utili per garantire un arresto immediato del sistema in situazioni di emergenza, riducendo il rischio di danni ai componenti o alle strutture circostanti e migliorando l’affidabilità complessiva del sistema.

Il meccanismo del feedback

Il feedback è un elemento fondamentale nel controllo di precisione dei motori, essenziale per garantire che il sistema operi in modo accurato e prevedibile (vedi il relativo diagramma in figura 1). Esso permette al sistema di monitorare costantemente la posizione, la velocità o altre variabili operative e correggere automaticamente eventuali deviazioni rispetto all’obiettivo impostato. Si tratta di un processo in cui una parte del segnale di uscita di un sistema viene riportata al suo ingresso, per confrontarla con un valore desiderato. La differenza tra il valore effettivo e quello desiderato genera un segnale utilizzato per regolare l’input del sistema e ridurre la differenza. L’azionamento controlla con precisione l’uscita e la risposta del motore rispetto a un segnale di ingresso. In pratica esso funziona come un “controllore” che corregge continuamente le azioni del motore per garantire che esegua il compito richiesto con precisione. E’ necessaria la presenza di un sensore (di posizione o di velocità) che fornisca informazioni precise sullo stato del sistema in tempo reale. Il controllore analizza i dati forniti dal sensore e calcola il segnale di errore (ossia la differenza). Mediante opportuni algoritmi di controllo (come il PID, per esempio) vengono determinate le azioni correttive da applicare. Il motore riceve il segnale di controllo corretto e agisce di conseguenza per ridurre l’errore. Il feedback avviene all’interno di un anello chiuso nel quale il sistema continua a monitorare e correggere fino a quando l’errore non è minimizzato. Implementare un anello di feedback permette al servoazionamento di eseguire correzioni in tempo reale al motore. Questo assicura che il motore operi alle condizioni desiderate. Un esempio di implementazione di uno pseudo codice per microcontrollore, senza entrare nei dettagli tecnici del linguaggio di programmazione, potrebbe essere il seguente:

• inizializzare i pin relativi al collegamento del motore e del sensore di temperatura;

• leggere continuamente il valore del sensore di temperatura dalla porta analogica della MCU;

• confrontare la tensione letta con una soglia predefinita;

• regolare la velocità del motore in base alla tensione del sensore selezionando un opportuno tasso del segnale PWM;

• ripetere il ciclo per monitorare costantemente la temperatura.

Figura 1: il funzionamento teorico del feedback

Servomotori e servoazionamenti

In figura 2 sono mostrati un servoazionamento assieme al proprio servomotore. Un servoazionamento è un componente elettronico fondamentale all’interno di un sistema di controllo a ciclo chiuso, che genera l’energia necessaria a far ruotare un servomotore. Esso comprende i circuiti elettronici, il servomotore e un sensore di retroazione. Il servoazionamento fa in modo che il motore acceleri, rallenti, si fermi o si muova all’indietro, secondo le necessità del sistema. Senza di esso un motore girerebbe in modo incontrollato. Esso deve soddisfare i requisiti delle applicazioni di controllo del movimento nell’automazione industriale o civile al fine di garantire il controllo del posizionamento ad alta precisione. Il target operativo può essere molto ampio, da piccole potenze di poche decine di watt fino a migliaia di watt. Può essere caratterizzato da un tasso di inerzia dipendente dalle specifiche del progetto, con valori variabili di coppia motore e di velocità angolare. Essi possono controllare una vasta gamma di servomotori, tra cui motori AC, CC, con spazzole, brushless, rotativo o lineare. Il dispositivo di retroazione può essere un potenziometro, un sensore a effetto Hall, un accelerometro, un contagiri o un altro sensore adatto allo scopo. Il servoazionamento, dunque, fornisce energia al servomotore e compara i segnali retroazionati, adeguando il comportamento del motore secondo le necessità.

Figura 2: un servoazionamento assieme al proprio servomotori (fonte: Inovance)

Conclusioni

Gli azionamenti e le tecnologie di controllo del movimento rappresentano oggi dei pilastri fondamentali dell’automazione moderna, abilitando una vasta gamma di applicazioni industriali, commerciali e innovative. L’evoluzione di queste tecnologie ha rivoluzionato il modo in cui si progettano e gestiscono sistemi meccanici ed elettrici, migliorando drasticamente l’efficienza energetica, la precisione operativa e l’affidabilità dei dispositivi. Con l’avvento della digitalizzazione (Internet delle Cose e intelligenza artificiale), questi sistemi stanno diventando non solo più intelligenti, ma anche capaci di adattarsi dinamicamente alle esigenze degli ambienti operativi. La connessione tramite IoT consente un monitoraggio remoto continuo e una gestione centralizzata di grandi installazioni, fornendo dati in tempo reale sui parametri critici come temperatura, consumo energetico e posizione. Questo approccio migliora significativamente l’efficienza operativa e riduce i tempi di manutenzione. In parallelo, l’adozione di algoritmi di AI e machine learning permette di analizzare grandi quantità di dati per prevedere guasti, ottimizzare il consumo energetico e migliorare la precisione del movimento, specialmente in contesti dinamici dove le condizioni variano costantemente. Investire in azionamenti avanzati e sistemi di controllo non è solo una scelta strategica per migliorare le prestazioni ma anche un passo essenziale verso la sostenibilità e la riduzione dei costi operativi. E’ sempre buona norma prevedere dei fusibili in ingresso per la protezione e se le EMI dovessero rappresentare un problema è meglio implementare appositi filtri. In caso di alta temperatura operativa si potrà collegare una ventola di raffreddamento. La ricerca continua a sviluppare soluzioni integrate che combinano hardware sofisticato e software intelligente, soddisfacendo così le crescenti esigenze delle moderne applicazioni. Il controllo del movimento e gli azionamenti, pertanto, sono alla base della trasformazione verso un’automazione sempre più intelligente e sostenibile. Essi aprono nuove frontiere nell’industria, nella robotica e nei settori della mobilità, promettendo un futuro caratterizzato da sistemi sempre più efficienti, precisi e in grado di adattarsi alle sfide emergenti del mondo moderno.

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