Azionamenti intelligenti per la fabbrica intelligente

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Il settore manifatturiero sta cambiando: la quarta rivoluzione industriale o Industry 4.0, promette un futuro in cui macchine ben collegate comunicano, si coordinano e prendono decisioni autonome, aumentando l'efficienza e la qualità, facilitando la gestione flussi di produzione end-to-end altamente integrati e rendendo possibili nuovi prodotti e modelli di business che erano impossibili da concepire usando le tecnologie e le metodologie di lavoro tradizionali. Velocità, precisione, uniformità ed efficienza energetica saranno al cuore dell'Industry 4.0 e delle macchine che la alimentano. I motori elettrici che oggi azionano macchine come filatoi, stampatrici, nastri trasportatori e stazioni di montaggio di precisione consumano più del 50% dell'energia complessivamente fornita all’utenza. Se l'Industry 4.0 vorrà raggiungere il suo pieno potenziale, la nuova generazione di azionamenti dovrà necessariamente offrire prestazioni migliori, riducendo in modo significativo l'energia totale consumata. I motori sincroni controllati da azionamenti basati su inverter hanno già svolto il ruolo di catalizzare per favorire la migrazione da sistemi di controllo del motore rigidi a velocità fissa verso azionamenti a velocità variabile energeticamente ben più efficienti, che sono in grado di adattarsi in tempo reale alle condizioni operative al fine di consumare la minima energia per svolgere il compito previsto. Raggiungere un equilibrio tra costi e prestazioni è stato fondamentale per consentire l'introduzione degli azionamenti a inverter di prima generazione negli impianti industriali. Per questo motivo, molti utilizzato hanno adottato sistemi di controllo relativamente semplici basati sulla costruzione di un'onda quadra a sei valori (trapezoidale) in grado di pilotare gli avvolgimenti U, V e W dei motori. I vantaggi del controllo trapezoidale comprendono la facilità con cui la forma d'onda può essere generata attraverso un microcontrollore o mediante dei semplici circuiti logici.


La nuova generazione
Oggi si tende a optare per motori di maggiore qualità, caratterizzati da una forza contro-elettromotrice più morbida rispetto a quella dei motori in corrente continua senza spazzole con caratteristiche di base. Per garantire un movimento silenzioso e uniforme con una minima ondulazione di coppia, occorre applicare agli avvolgimenti del motore un segnale di tipo sinusoidale. Ma la costruzione della forma d'onda è un’operazione più complessa della creazione del trapezoide per un semplice controllo a sei passi. La tecnica di controllo a orientamento di campo, detta anche controllo vettoriale, è diventata la modalità standard per calcolare la tensione richiesta corrispondente alla posizione istantanea del rotore, rilevata tramite sensori Hall o tramite il monitoraggio della forza contro-elettromotrice in ciascun avvolgimento. Il controllo vettoriale cambia le correnti e le tensioni del motore in base alla posizione degli assi del rotore, garantendo che il campo dello statore resti costante e in quadratura con il campo del rotore. Le correnti di statore rilevate vengono trasformate in due vettori che agiscono rispettivamente in fase (D) e in quadratura (Q) con il rotore. Per mantenere costantemente la massima coppia in tutte le posizioni del rotore, il vettore D viene confrontato con lo zero e il vettore Q viene confrontato con la coppia richiesta dal sistema. I risultanti segnali di errore attivano un controllo proporzionale-integrale (PI) che calcola i segnali da inviare agli assi del rotore. Questi vengono poi trasformati nel dominio dello statore per generare il segnale Pwm corrispondente a ciascuna fase. Ciò semplifica enormemente i tradizionali calcoli da eseguire nel controllo automatico, permettendo una più rapida esecuzione ed eliminando gli effetti di eventuali limitazioni di banda dei controllori PI. Il risultato ottenuto permette al motore di erogare con precisione la sua massima coppia, anche a velocità elevate del rotore.
Nei primi stadi di commercializzazione, la codifica software del controllo vettoriale era costosa e di tipo proprietario. Più di recente, man mano che la tecnica è diventata più diffusa e più facile da capire, i distributori di microcontrollori per azionamenti elettrici hanno iniziato ad offrire un codice di controllo vettoriale gratuito, pronto per girare sulla Cpu principale del microcontrollore. Un problema del controllo vettoriale di tipo software è che quando la velocità aumenta, deve aumentare anche la velocità di controllo in retroazione. Velocità estremamente alte richiedono un'esecuzione molto rapida del codice, che alla fine richiede l’aumento della velocità di clock della Cpu e il conseguente aumento di consumo energetico. In alcuni casi, l’elaborazione del microcontrollore potrebbe non essere sufficientemente rapida per gestire i calcoli alla velocità desiderata. Il motore di calcolo vettoriale è un blocco circuitale sviluppato Toshiba che introduce una soluzione radicalmente nuova, spostando le complesse equazioni di controllo vettoriale in un circuito hardware dedicato dal firmware personalizzabile, affiancato da un azionamento programmabile responsabile della generazione di segnali Pwm e di altre funzioni associate, come il controllo del tempo morto. Ciò permette di ottenere diversi vantaggi, come un’esecuzione fino al 70% più veloce rispetto a un’esecuzione di tipo esclusivamente software, e velocità di rotore più elevate. Il blocco circuitale VE permette inoltre di dedicare un numero maggiore di risorse della Cpu principale all’esecuzione di altri compiti, e offre funzioni applicative più sofisticate senza dover aumentare la frequenza di clock del microcontrollore. Inoltre, la funzione Shift- Pwm incorporata semplifica gli aspetti complessi del controllo di temporizzazione. Il blocco circuitale Shift- Pwm controlla la temporizzazione del convertitore analogico-digitale per generare i segnali Pwm di due fasi, sulla base delle informazioni disponibili fornite da un unico shunt. Vi è anche una modalità di ripetizione programmata che riduce l’overhead del software al fine di controllare il motore vettoriale. Inoltre, l’interpolazione della fase effettua automaticamente l’integrazione e i calcoli trigonometrici necessari per generare un segnale di controllo sinusoidale morbido. Come ulteriore vantaggio del blocco circuitale VE, il ridotto contenuto software garantisce tempi di esecuzione dell’anello vettoriale più stabili e più prevedibili, riducendo la dipendenza dalla qualità dei tool di compilazione del software. Gli sviluppatori possono anche evitare di effettuare il debug del software del controllo vettoriale e dedicare una maggiore attenzione al codice applicativo. I microcontrollori per azionamenti Toshiba con motore VE incorporato hanno cambiato con successo le modalità di progettazione degli azionamenti ad alte prestazioni e sono stati adottati dai principali attori del mercato dell’automazione industriale, dei prodotti elettronici di largo consumo e del settore automobilistico.

Alzare il livello
Nei suoi più recenti microcontrollori, Toshiba ha introdotto una versione migliorata del blocco circuitale Vector Engine, chiamata VE+, che aggiunge ulteriori caratteristiche come il rilevamento della polarità delle correnti inverse, nonché funzioni di estrazione di radice e di calcolo dell'arcotangente. Inoltre, il supporto a un set più ricco di sequenze di calcolo opzionali che offrono ai progettisti una maggiore possibilità di scegliere le uscite desiderate sulla base dei segnali disponibili in ingresso. VE+ aggiunge inoltre la modalità Shift-2 alla funzione Shift- Pwm, per calcolare i segnali Pwm delle tre fasi a partire da un unico shunt di corrente.

Doppio azionamento e altro
Con l’arrivo della serie di microcontrollori TMPM47x, dotati di nucleo Arm Cortex-M4F con estensioni Dsp e un’unità aritmetica in virgola mobile integrata, Toshiba ha presentato il motore avanzato per il controllo vettoriale chiamato A-VE (Advanced Vector Engine). Il blocco circuitale A-VE racchiude le migliorie del VE+ e aggiunge nuove funzioni critiche che comprendono il controllo non interattivo della corrente e la compensazione del tempo morto. Il controllo non interattivo della corrente compensa l’interferenza che si crea tra l’asse d e l’asse q alle alte velocità, al fine di garantire il corretto controllo della corrente su un maggiore intervallo di velocità del motore, arrivando fino a 100.000 giri/min. La compensazione del tempo morto utilizza il controllo della tensione per correggere la distorsione della forma d’onda della corrente nei punti di attraversamento dello zero. La maggiore velocità di elaborazione del nucleo Cortex-M4F a 120 MHz permette di effettuare il controllo simultaneo di due motori ad alta velocità, mentre girano in parallelo altre applicazioni. Due convertitori Adc integrati da 12 bit consentono di gestire questo doppio azionamento. Ciò può semplificare enormemente i problemi di controllo delle macchine industriali multi-asse, riducendo le attività di progettazione a livello sia hardware che software rispetto a una soluzione basata sul controllo vettoriale di tipo software. Anche se il confronto con un’implementazione puramente software è difficile, le prestazioni di un motore basato sul dispositivo TMPM470 migliorano di una percentuale variabile tra il 15% e il 20%, a parità di frequenza di lavoro del sistema. Il dispositivo TMPM475 integra il blocco circuitale A-VE e le funzioni di doppio azionamento del modello TMPM470 e supporta più funzioni di connettività integrando al suo interno un controller Can2.0B a canale singolo. Questa interfaccia Can2.0B incorporata semplifica l’integrazione dell’azionamento in un’infrastruttura di collegamento a due fili a livello di macchina che facilita le comunicazioni sulla rete locale e sulle rete geografica per meglio gestire il controllo a distanza delle linee di produzione, che è uno degli obiettivi importanti della filosofia Industry 4.0. Per favorire la progettazione in-house, una libreria software offre l’accesso al software fondamentale per il controllo vettoriale a 1 shunt ed è inoltre disponibile un controllo vettoriale a 3 shunt sul software del TMPM47x per il controllo vettoriale di altri microcontrollori industriali Toshiba basati su Arm. Sono altresì disponibili le note applicative e i manuali d’uso, mentre l’Mdk-Arm offre un accesso economico a un ambiente di sviluppo software basato su Arm di elevata qualità, dedicato alle serie di prodotti TMPM. In aggiunta a questo, il sistema di regolazione parametrica o Pts (Parameter Tuning System) di Toshiba semplifica l’ottimizzazione del guadagno PI. Questo è il principale aspetto configurabile dall’utente del controllo vettoriale, che dipende dal motore utilizzato. Il Pts misura automaticamente l’induttanza e la resistenza del motore e misura inoltre il guadagno PI per determinare i parametri corretti quando il motore è sotto carico.

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