Il settore del controllo del movimento e dell’automazione sta vivendo oggi un momento di rapida espansione ed evoluzione. Dato il crescente numero di diversi tipi di applicazioni, oltre alla tendenza da parte dei progettisti di richiedere elevati livelli di controllo ed efficienza, sono in atto grandi cambiamenti e innovazioni. È aumentato anche il numero di approcci da adottare per risolvere le applicazioni, e ciò spinge i progettisti a dover fare scelte importanti per l’ottimizzazione dei loro progetti. Gli elementi chiave del controllo del movimento e dell’automazione, dove si sono registrati i più significativi sviluppi sono i motori, il controllo del movimento, e le reti di comunicazione. L’emergere dei motori a induzione Ac, dei controllori di segnale digitale (DSC) e di nuovi approcci alla comunicazione come Ethernet e ZigBee sono i fattori chiave che stanno contribuendo allo sviluppo del mercato. Essi sono stati infatti ideati proprio per facilitare la vita ai progettisti e aiutare a incrementare l’utilizzo del controllo del movimento e dell’automazione anche in applicazioni nuove ed emergenti.
L’approdo dei motori a induzione Ac
Fino a poco tempo fa, i progettisti impegnati nello sviluppo del controllo del movimento e dell’automazione potevano scegliere tra motori a passo, motori a spazzole Dc o motori senza spazzole Dc. Questi tre sono ora in aggiunta ai motori a induzione Ac, che esistono da tempo, ma venivano usati in precedenza solo per applicazioni chiaramente “on/off”. Oggi le tecniche di controllo digitale hanno permesso di prenderli in considerazione per il controllo del movimento con particolari condizioni per il controllo e l’efficienza.
I tre approcci stabiliti sono tutti legati dal fatto che utilizzano un campo elettromagnetico per creare una coppia motrice in un asse lineare o rotatorio. Oltre al numero di fasi che ciascun controllo richiede, l’elemento differenziatore chiave è che, al contrario dei motori a spazzole e senza spazzole, non hanno bisogno di un codificatore a causa delle loro capacità di autoposizionarsi. I codificatori forniscono feedback al controllore del motore che permette di generare gli algoritmi appropriati per cambiare il motore dalla propria posizione a quella desiderata. I motori a passo a spazzole e quelli senza spazzole hanno vantaggi e svantaggi che i progettisti devono prendere in considerazione quando sviluppano le loro applicazioni. I motori a spazzole Dc possono operare a velocità di oltre 10.000 giri al minuto, ma data l’inclusione di spazzole nella loro fabbricazione, tendono ad avere problemi come l’arcuarsi e il degrado graduale nel tempo. I motori a passo superano questo problema, ma tendono a essere rumorosi, possono causare vibrazioni e generalmente possono operare a velocità fino a un massimo di 5.000 giri al minuto.
I motori a passo senza spazzole evitano l’arcing e il degrado, ma soffrono di commutazione esterna e di un elevato grado di complessità, che tende a richiedere un maggior numero di componenti esterni.
I motori a induzione Ac non vengono costruiti allo stesso modo e hanno un approccio operativo differente dai tre approcci illustrati. La loro costruzione semplice e robusta garantisce elevati livelli di affidabilità e facilita la manifattura. I livelli di efficienza che raggiungono l’80% risultano di particolare interesse per gli Oem, che nell’attuale clima globale sono sempre più interessati a ridurre il consumo di energia e i watt “inutili” nei loro prodotti finali. I motori a induzione Ac offrono allo stesso tempo un grado di flessibilità ad opzione singola o polifase, a basso o elevato consumo, che li rende adattabili a un vasto numero di applicazioni. Ci sono due tipi base di induzione Ac, con rotori ‘a gabbia di scoiattolo’ e rotori avvolti; quella con rotori a gabbia di scoiattolo è la topologia più utilizzata. Gli svantaggi dei motori a induzione, superati oggi dal controllo analogico grazie agli approcci digitali moderni, sono i modelli matematici complessi, il comportamento non-lineare alla saturazione e dell’oscillazione del parametro elettrico. Questi possono essere considerati come difficilmente controllabili.
I controllori a segnale digitale
Il controllo digitale del movimento piuttosto che quello analogico e delle applicazioni automatiche è ben definito dai Dsp (Digital signal processor) e dai microcontrollori, che vengono ora affiancati a un ibrido dei due, il Dsc (Digital signal controller). I componenti analogici per il controllo del movimento tendono a risentire delle variazioni e del deviare nei valori e nelle prestazioni con il trascorrere del tempo. Questo porta alla necessità di una calibrazione regolare per mantenere il corretto funzionamento dell’applicazione. Oltre a superare questo problema, gli approcci digitali permettono agli aggiornamenti di venire implementati nel software.
I Dsc sono emersi come soluzione a chip singolo facilmente implementabile e mostrano la capacità di combinare i vantaggi di Dsp e microcontrollori in una unica soluzione. Si integrano bene in un mercato dove le prestazioni, i brevi tempi di immissione sul mercato e il basso costo, sono parte fondamentale delle esigenze dei progettisti. Per questi motivi i Dsc stanno continuando a erodere quote di mercato ai microcontrollori e ai Dsp dedicati al controllo del movimento. Sono usati nella maggior parte dei casi in applicazioni che hanno un circuito di controllo che richiede diverse azioni invece che operazioni matematiche ripetitive e intensive. I microcontrollori erano stati sviluppati per fornire un grado più elevato di flessibilità ai progettisti a causa della loro programmabilità. Tuttavia questo in genere risultava andare a spese della prestazione totale. Le periferiche su chip dei microcontrollori come Adc e Pwm e i vari tipi di memoria forniscono flessibilità e fanno in modo che siano necessari solo alcuni componenti esterni. Nonostante una velocità relativamente bassa nelle operazioni di elaborazione del segnale, i microcontrollori sono adatti ad eseguire diversi altri tipi di operazioni sui dati.
Al contrario i Dsp sono ideali per una quantità ridotta di situazioni difficili a una velocità talmente elevata che raggiungono i livelli di prestazione in tempo reale. L’aspetto negativo è che non hanno però le capacità di controllo tipiche dei microcontrollori.
Prima che i Dsp divenissero una possibile alternativa, la naturale evoluzione per i progettisti che si occupavano di sistemi embedded per il controllo del movimento era di ottenere i benefici di un Dsp e di un microcontrollore utilizzando entrambi; i Dsp per implementare l’algoritmo di controllo e il microcontrollore per tutte le altre attività. Anche se da un punto di vista funzionale non vi erano inconvenienti, si evidenziarono però differenti problematiche. Tra questi i cicli macchine sprecati dovuti alla necessità di scambio di segnali di premessaggio di due processori, e la necessità di migliorare un tracciato ad alta velocità per spostare i dati avanti e indietro.
Gli ostacoli principali probabilmente erano rappresentati dall’aumento dei tempi del ciclo di progettazione dovuti al lavoro e alla curva di apprendimento nell’ottenere un’integrazione di successo tra i due processori e dei costi generali proibitivi. La convergenza di Dsp e microcontrollore ha dato origine al DSC. Questi dispositivi, semplici da progettare, risultano ideali per un controllo del movimento accurato ed efficiente dovuti alla loro abilità di eseguire sia processi di segnale digitale che numerose operazioni di controllore su chip singolo. La facile programmabilità, i bassi consumi energetici, le capacità periferiche e i vantaggi di costo e progettazione rappresentano solo alcuni dei punti di forza dei Dsc. Interessanti realizzazioni di questi dispositivi si ritrovano nei Dspic di Microchip, nel TMS320C2000 di Texas Instruments e nel 56F80xx di Freescale.
Rete e comunicazione per il controllo del movimento
L’Ethernet industriale e le tecnologie wireless come Zigbee stanno rivoluzionando il modo in cui i controllori digitali nelle applicazioni per controllo del movimento comunicano con se stessi e con il mondo esterno. Questo permette applicazioni più avanzate e un grado superiore di supervisione e controllo rispetto al passato.
L’Ethernet industriale ha conquistato una quota crescente del mercato della automazione globale, ma alcuni dati indicano che negli ultimi due o tre anni si è assistito ad un aumento nell’utilizzo di altri tipi di reti industriali. Si ritiene che probabilmente mentre i sistemi di progettazioni automatizzati evolveranno per utilizzare più dispositivi basati su Ethernet, le reti di dispositivi industriali e di controllo del movimento migreranno naturalmente dall’Ethernet industriale verso altre reti di controllo. Man mano che le reti si spostano da un controllo centralizzato a un controllo distribuito con I/O intelligente, sarebbe necessaria una larghezza di banda maggiore per facilitare le comunicazioni intorno alla rete. Inoltre il numero di dispositivi su rete risulta in continuo aumento rendendo necessario una maggior disponibilità di memoria. Questi requisiti si abbinano bene alle capacità dell’Ethernet industriale. Un altro fattore che sta ulteriormente incoraggiando l’adozione dell’Ethernet industriale, è dato dal fatto che l’implementazione di infrastrutture multiple è problematica. Questo scenario richiede lo sviluppo di interfacce multiple per permettere a diversi protocolli di lavorare insieme. Risulta quindi naturale per le applicazioni andare verso un approccio ‘best fit’.
