ITMI20081927A1 - Dispositivo e metodo di controllo e correzione dell'errore dinamico del gruppo di azionamento di una motorizzazione elettrica per la movimentazione di un carico meccanico. - Google Patents

Description

"DISPOSITIVO E METODO DI CONTROLLO E CORREZIONE DELL'ERRORE DINAMICO DEL GRUPPO DI AZIONAMENTO DI UNA MOTORIZZAZIONE ELETTRICA PER LA MOVIMENTAZIONE DI UN CARICO MECCANICO"

D E S C R I Z I O N E

Il presente trovato ha come oggetto un dispositivo ed un metodo di controllo e correzione dell'errore dinamico del gruppo di azionamento di una motorizzazione elettrica per la movimentazione di un carico meccanico.

Nell'automazione moderna, Ã ̈ tecnica nota utilizzare dei sistemi di controllo e/o di azionamento sofisticati al fine di controllare e gestire la movimentazione di un carico meccanico attuata da mezzi motori.

Il controllo fornisce all'azionamento una serie di comandi, che descrìvono sostanzialmente una funzione temporale f(t) che corrisponde alla modalità con cui si desidera che si muovano i mezzi motori nel dominio del tempo.

L'azionamento trasforma la serie di comandi in flussi di corrente elettrica modulati in modo opportuno con l'obiettivo di movimentare i mezzi motori, gravati dal carico meccanico, secondo la funzione temporale f (t) descritta dal controllo.

Tali sistemi di controllo e/o di azionamento noti non sono scevri da inconvenienti tra i quali va annoverato il fatto che il processo di controllo stesso origina una serie di errori concatenati tra loro il che da luogo a malfunzionamenti alle macchine movimentate dai mezzi motori.

Infatti, ponendo che il controllo descriva con sufficiente definizione la funzione temporale f(t), l'azionamento deve essere in grado di interpretarla in tempi brevissimi, così da modulare, immediatamente, i flussi di corrente atti a movimentare i mezzi motori.

In realtà, i mezzi motori non riescono ad interpretare la funzione temporale f(t) e l'azionamento cerca di correggere l'errore con un tempo di risposta dell'ordine del millisecondo.

Più precisamente, i mezzi motori utilizzati per queste applicazioni possono essere, fondamentalmente, di differenti tipologie e, a seconda della tipologia utilizzata, comportano controlli differenti.

Per esempio, possono essere utilizzati mezzi motori ad anello aperto, tipicamente comprendenti un motore di tipo stepper, che per ogni impulso ricevuto eseguono, teoricamente, un preciso spostamento angolare del rotore.

Questo tipo di controllo introduce errori angolari dovuti al fatto che nella descrizione del componente base dell'azionamento si documenta, sul giro, la differenza fra la posizione angolare programmata e la posizione angolare teorica reale.

Inoltre, ogni rotore à ̈ caratterizzato da avvolgimenti aventi caratteristiche diverse e ciò comporta un errore casuale aggiuntivo per ogni motore che, come per l'errore angolare sopra descritto, ha la caratteristica di essere ripetibile .

Ulteriore inconveniente dei motori in anello aperto consiste nel fatto che questi possono perdere il passo, necessitando così di essere resettati .

Un altra tipologia di mezzi motori utilizzati possono essere quelli ad anello chiuso.

Tipicamente, un motore ad anello chiuso, che può essere ad esempio un motore di tipo brushless, lineare o asincrono, o a riluttanza variabile, non presenta le problematiche dei motori ad anello aperto in quanto cerca sempre di raggiungere la posizione dinamicamente programmata e ciò significa che non à ̈ mai nella posizione corretta ma si limita ad oscillare continuamente intorno ad essa impedendo la ripetibilità degli errori ma, al contempo, rendendo gli stessi imprevedibili.

Più precisamente, un motore di tipo brushless prevede un sistema di controllo composto da un encoder o, in alternativa, da uno strain gauge o da una riga ottica che verifica la posizione attesa, definita dal comando all'azionamento, rispetto alla posizione reale, misurata attraverso un encoder solidale all'albero motore.

Un inconveniente di quest'ultimo tipo di controllo ad anello chiuso consiste nel fatto che la validità di questo sistema di controllo à ̈ condizionata dalla definizione dell'encoder ed à ̈, sostanzialmente, dedicata al posizionamento del rotore stesso.

Inoltre, un altro inconveniente del controllo ad anello chiuso consiste nel fatto che lo stesso à ̈ di tipo dinamico e quindi ha un efficacia con un tempo di ritardo dell'ordine del millisecondo. Rimane pertanto la correzione d'errore che si somma alla caratteristica del motore di tipo brushless che, quando à ̈ in posizione corretta, si à ̈ in condizioni di assenza di coppia e quindi soggetto ad oscillazioni in presenza di una coppia resistente variabile.

Più precisamente, nel caso di controllo in anello chiuso, i mezzi motori continuano ad avere errori intrinsechi, come quelli dei motori controllati in anello aperto, che gli azionamenti non riescono a correggere a causa sia del ritardo con cui intervengono sia della difficoltà a programmare in modo efficace l'azionamento ed infine a causa delle imprevedibili ed improvvise variazioni della coppia resistente.

Compito precipuo del presente trovato à ̈ quello di eliminare gli inconvenienti sopra lamentati, realizzando un dispositivo ed un metodo di controllo e correzione dell'errore dinamico del gruppo di azionamento di una motorizzazione elettrica per la movimentazione di un carico meccanico che riduca gli errori generati dalle varie tipologie di motori che non sono in grado di eseguire correttamente la traiettoria desiderata.

Nell 'ambito di questo compito, uno scopo del presente trovato à ̈ quello di realizzare un dispositivo di azionamento e controllo che sia capace di correggere dinamicamente, nell'arco di qualche microsecondo, la traiettoria reale allineandola alla traiettoria desiderata.

Questo compito, nonché questi ed altri scopi che meglio appariranno in seguito, sono raggiunti da un dispositivo dì controllo e correzione dell'errore dinamico del gruppo di azionamento di una motorizzazione elettrica per la movimentazione di un carico meccanico, caratterizzato dal fatto di comprendere un gruppo di comando atto ad inviare un primo ed un secondo segnale, rispettivamente, ad un gruppo di motorizzazione per la movimentazione di un carico meccanico secondo una traiettoria predefinita e ad un gruppo di controllo per la correzione di detta traiettoria ottenuta da detto gruppo di motorizzazione tramite mezzi di trasmissione e/o trasformazione del moto interposti tra detto gruppo di motorizzazione e detto carico meccanico e controllato da detto gruppo di controllo per la rototraslazione relativa del sistema di riferimento di detto gruppo di motorizzazione rispetto a detto carico meccanico, detto primo e detto secondo segnale descrivendo la traiettoria predefinita di detto carico meccanico ed essendo sfalsati nel tempo tra loro con detto secondo segnale in ritardo rispetto a detto primo segnale.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi del presente trovato risulteranno dalla descrizione di una forma di esecuzione preferita, ma non esclusiva, di un dispositivo di controllo e correzione dell'errore dinamico del gruppo di azionamento di una motorizzazione elettrica per la movimentazione di un carico meccanico, secondo il trovato, illustrata, a titolo indicativo e non limitativo, negli allegati disegni, in cui:

la figura 1 Ã ̈ un schema a blocchi di una forma di realizzazione di un dispositivo di azionamento e controllo di una motorizzazione elettrica per la movimentazione di un carico meccanico, secondo il presente trovato;

la figura 2 Ã ̈ una schematizzazione del riduttore del dispositivo di azionamento e controllo rappresentato in figura 1.

Con riferimento alle figure citate, uno schema a blocchi del dispositivo di controllo e correzione dell'errore dinamico del gruppo di azionamento di una motorizzazione elettrica per la movimentazione di un carico meccanico, indicato globalmente con il numero di riferimento 1, comprende un gruppo di comando 2 atto ad inviare un primo ed un secondo segnale 6 e 7, rispettivamente, ad un gruppo di motorizzazione 3 per la movimentazione di un carico meccanico 4 secondo una traiettoria predefinita e ad un gruppo di controllo 5 per la correzione della traiettoria ottenuta dal gruppo di motorizzazione 3.

Più precisamente, il gruppo di comando 2 può essere costituito da un controller, ad esesmpio quello noto con il nome commerciale di LUVA (Logic Unit for Value Array), il quale à ̈ configurato per inviare e gestire i due segnali di comando 6 e 7, che descrivono entrambi la traiettoria predefinita del carico meccanico 4, ritardandoli e/o adattandoli in funzione degli altri segnali con i quali dovranno interagire.

Infatti, il secondo segnale 7, che a seconda dei casi può essere uguale, non uguale o simile al primo segnale 6, viene inviato con un ritardo temporale rispetto il primo segnale 6 in modo tale da dare il tempo al gruppo di motorizzazione 3 di muovere il carico meccanico 4, teoricamente, secondo la traiettoria descritta dal primo segnale 6 .

Per quanto concerne il gruppo di motorizzazione 3, nella forma di realizzazione rappresentata questo à ̈ costituito da un motore di tipo brushless 8 controllato in anello chiuso.

Questo genere di controllo, come à ̈ noto, comprende un azionamento 9 atto a ricevere il segnale di comando 6 ed a pilotare il motore 8 confrontando lo stesso segnale di comando 6 con un segnale derivante da un encoder di posizione 10 che rileva la posizione angolare del motore 8 fornendo un feedback 11 della stessa per il controllo in anello chiuso.

Alternativamente, il gruppo di motorizzazione 3 può essere costituito da un motore di tipo stepper controllato in anello aperto.

Questa seconda tipologia di motore necessita anch'esso di un azionamento atto a ricevere il segnale di comando ed a pilotare il motore stesso ma si differenzia dal primo per il fatto di non comprendere 1' encoder di posizione 10 e quindi per il fatto di non avere un feedback 11 sull'effettiva posizione angolare del motore.

La peculiarità del trovato consiste nel fatto che il gruppo di controllo 5 per la correzione della traiettoria ottenuta dal gruppo di motorizzazione 3 lavora ad alta frequenza, si parla di 1 MegaHertz, agendo e controllando mezzi di trasmissione e/o trasformazione del moto 17 interposti tra il gruppo di motorizzazione 3 ed il carico meccanico 4 al fine di applicare una rototraslazione relativa tra il sistema di riferimento del gruppo di motorizzazione 3 ed il sistema di riferimento del carico meccanico 4.

Più precisamente, nella forma di realizzazione rappresentata i mezzi di trasmissione e/o trasformazione del moto 17 comprendono un riduttore 12 interposto tra il gruppo di motorizzazione 3 ed il carico meccanico 4 che à ̈ del tipo libero con centro di rotazione 13 solidale a terra e ad attuatori piezoceramici 14 solidali anch'essi a terra ed atti alla rotazione dello stesso riduttore 12.

Gli attuatori piezoceramici 14, che in questo caso sono due, l'uno opposto all'altro, sono incernierati lateralmente al riduttore 12 rispettivamente in due punti giacenti su una corda non passante per il centro di rotazione 13 del riduttore 12.

Vantaggiosamente, gli attuatori piezocer amici 14 sono incernierati a terra 16 e lavorando a trazione/compressione contrariamente uno rispetto all'altro hanno la funzione di far ruotare opportunamente il riduttore 12.

Questi attuatori piezoceramci 14 sono pilotati dal gruppo di controllo 5 che riceve in ingresso un segnale da un encoder di precisione 15, associato al carico meccanico 4, ad una frequenza per esempio di un Megahertz per il confronto con il secondo segnale di comando 7 relativo alla traiettoria o alla posizione desiderata.

Il gruppo di controllo 5 compara quindi i due segnali filtrando eventuali disturbi e quindi, ad una frequenza inferiore di un ordine di grandezza ad esempio di 100 k.Hz, invia un segnale ad un azionamento atto a pilotare la coppia di attuatori piezoelettrici 14 contrapposti che provvedono a far ruotare il riduttore. Questa correzione viene attuata nell’arco di circa 10 microsecondi.

L'azionamento dei due attuatorì piezoceramici 14, in funzione del segnale ricevuto dal gruppo di controllo 5, varia la tensione applicata alle estremità dei due attuatori piezoceramici 14 stessi e provoca contemporaneamente l'allungamento di un elemento e la contrazione dell'altro.

La forza che ne deriva va ad agire direttamente sul corpo del riduttore 12, libero da vincoli di rotazione e tenuto in posizione dai due attuatori 14. L'azione di questa forza, che à ̈ disassata rispetto al centro di rotazione 13 del riduttore 12, si estrinseca in una minima rotazione, dell'ordine del decimo di grado, del riduttore 12 stesso e quindi del carico meccanico 4 a valle.

Ciò significa che se il dispositivo 1, indipendentemente dal tipo di correttore piezo, à ̈ caratterizzato da un errore dinamico intrinseco massimo di 10 arcominuti ed il correttore piezo ha la capacità di correggere dinamicamente un errore maggiore, in presenza di un encoder di qualità, caratterizzato ad esempio da un errore massimo di 2 arcosecondi più qualche arcosecondo determinato dalla velocità gruppo di motorizzazione 3 impiegato, dalla definizione dell'encoder di precisione 15 e dallo spostamento caratteristico degli attuatori piezocer amici 14 utilizzati.

In alternativa al riduttore 12, i mezzi di trasmissione e/o trasformazione del moto 17 possono comprendere un altro elemento interposto tra il gruppo di motorizzazione 3 ed il carico meccanico 4 come, ad esempio, su un cilindro idraulico azionato dal gruppo di motorizzazione 3 ed agente sul carico meccanico 4.

In questo caso, il cilindro idraulico sarebbe comandato dal gruppo di motorizzazione 3 per mezzo di una vite a ricircolo di sfere associata allo stantuffo del cilindro idraulico.

La correzione dell'errore dinamico si avrebbe intervenendo su degli attuatori piezocer amici al fine di far traslare il cilindro idraulico lungo il suo asse e compensare così l'errore del gruppo di motorizzazione 3.

Qualora non fosse previsto nessun elemento interposto tra il gruppo di motorizzazione 3 ed il carico meccanico 4, un'ulteriore alternativa potrebbe consiste nel far rototraslare direttamente la carcassa del gruppo di motorizzazione 3 stesso.

Il funzionamento del dispositivo 1 descritto può essere riassunto da un metodo di controllo e correzione comprendente le seguenti fasi:

- una fase di invio del primo e del secondo segnale 6 e 7, rispettivamente, al gruppo di motorizzazione 4 a prescindere dalla sua tipologia;

- una fase di confronto del secondo segnale 7 con la misurazione della posizione del carico meccanico (4), la fase di confronto à ̈ realizzata dal gruppo di controllo 5 successivamente alla fase di invio;

- una fase di correzione della traiettoria predefinita del carico meccanico (4) ottenuta dal gruppo di motorizzazione 3 attraverso l'intervento sui mezzi di trasmissione e/o trasformazione del moto 17 per la rototraslazione relativa tra il sistema dì riferimento del carico meccanico 4 rispetto quello del gruppo di motorizzazione 3 così da effettuare la correzione dinamica della traiettoria del carico meccanico (4) stesso.

Più precisamente, la fase di invio dei segnali 6 e 7 à ̈ realizzata dal gruppo di comando 2 in modo tale che il secondo segnale 7 sia inviato contemporaneamente ed in ritardo, quindi sfalsato a livello temporale, rispetto al primo segnale 6.

Per quanto concerne la fase di correzione, questa à ̈ realizzata in seguito all'invio di un segnale di comando inviato dal gruppo di controllo 5 ed attuato dagli attuatori piezoceramaci 14 associati al riduttore 12, o a chi per esso, successivamente alla fase di confronto; fase quest' ultima durante la quale si effettua un confronto tra la traiettoria descritta dal secondo segnale 7 e la misurazione della posizione reale del carico meccanico 4 effettuata dall'encoder di precisione 15 o, in alternativa, da uno strain gauge o riga ottica.

Si à ̈ in pratica constatato come il dispositivo ed il metodo di controllo e correzione dell'errore dinamico del gruppo di azionamento di una motorizzazione elettrica per la movimentazione di un carico meccanico, secondo il presente trovato, assolva pienamente il compito nonché gli scopi prefissati, consentendo di abbattere l'entità dell'errore statico e soprattutto dell'errore dinamico di sistemi motorizzati per lo spostamento di carichi meccanici.

Il dispositivo ed il metodo di controllo e correzione dell'errore dinamico del gruppo di azionamento di una motorizzazione elettrica per la movimentazione di un carico meccanico, così concepiti, sono suscettibili di numerose modifiche e varianti, tutte rientranti nell'ambito del concetto inventivo.

Inoltre, tutti i dettagli potranno essere sostituiti da altri elementi tecnicamente equivalenti .

In pratica, i materiali impiegati, purché compatibili con l'uso specifico, nonché le dimensioni e le forme contingenti, potranno essere qualsiasi secondo le esigenze e lo stato della tecnica .

Claims (10)

1. R I V E N D I C A Z I O N I 1. Dispositivo di controllo e correzione dell'errore dinamico del gruppo di azionamento di una motorizzazione elettrica per la movimentazione di un carico meccanico, caratterizzato dal fatto di comprendere un gruppo di comando (2) atto ad inviare un primo ed un secondo segnale (6, 7), rispettivamente, ad un gruppo di motorizzazione (.3) per la movimentazione di un carico meccanico (4) secondo una traiettoria predefinita e ad un gruppo di controllo (5) per la correzione di detta traiettoria ottenuta da detto gruppo dì motorizzazione (3) tramite mezzi di trasmissione e/o trasformazione del moto (17) interposti tra detto gruppo di motorizzazione (3) e detto carico meccanico (4) e controllato da detto gruppo di controllo (5) per la rototraslazione relativa del sistema di riferimento di detto gruppo di motorizzazione (3) rispetto a detto carico meccanico (4), detto primo e detto secondo segnale (6, 7) descrivendo la traiettoria predefinita di detto carico meccanico (4) ed essendo sfalsati nel tempo tra loro con detto secondo segnale (7) in ritardo rispetto a detto primo segnale (6).
2. 2. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detti mezzi di trasmissione e/o trasformazione del moto (17) comprendono un riduttore (12) del tipo libero con centro di rotazione (13) solidale alla terra e ad attuatori piezoceramici (14) solidali alla terra ed atti alla rotazione dì detto riduttore (12), detti attuatori piezoceramici (14) essendo pilotati da detto gruppo di controllo (5).
3. 3. Dispositivo secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di comprendere due di detti attuatori piezoceramici (14) incernierati lateralmente a detto riduttore (12) rispettivamente in due punti giacenti su una corda non passante per detto centro di rotazione (13) di detto riduttore (12), detti attuatori piezoceramici (14) essendo incernierati a terra (16) e lavorando a trazione/compressione contrariamente uno rispetto all 'altro.
4. 4. Dispositivo secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di comprendere un encoder di precisione (*)(15) associato a detto carico meccanico (4) e collegato a detto gruppo di controllo (5) per il confronto con detto secondo segnale (7).
5. 5. Dispositivo secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto gruppo di motorizzazione (.3) comprende un motore controllato in anello aperto.
6. 6. Dispositivo secondo una o più delle rivendicazioni precedenti da 1 a 4, caratterizzato dal fatto che detto gruppo di motorizzazione (3) comprende un motore (8) controllato in anello chiuso .
7. 7. Dispositivo secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto di comprendere un encoder di posizione (10) associato a detto motore di tipo brushless (8) per il controllo in anello chiuso.
8. 8. Metodo di controllo e correzione dell'errore dinamico del gruppo di azionamento di una motorizzazione elettrica per la movimentazione di un carico meccanico, caratterizzato dal fatto di comprendere: - una fase di invio di un primo e di un secondo segnale {6, 7), rispettivamente, ad un gruppo di motorizzazione (3) per la movimentazione di un carico meccanico (4) secondo una traiettoria predefinita e ad un gruppo di controllo (5) per la correzione di detta traiettoria predefinita, - una fase di confronto di detto secondo segnale (7) con la misurazione della posizione di detto carico meccanico (4), detta fase di confronto essendo realizzata da detto gruppo di controllo (5) successivamente a detta fase di invio, - una fase di correzione di detta traiettoria predefinita di detto carico meccanico (4) ottenuta da detto gruppo di motorizzazione (3) attraverso la rotazione di un riduttore (12) interposto tra detto gruppo di motorizzazione (3) e detto carico meccanico (4) intorno al suo centro di rotazione (13) per la correzione dinamica di detta traiettoria di detto carico meccanico (4), detta fase di correzione essendo realizzata in seguito all'invio di un segnale di comando inviato da detto gruppo di controllo {5) ed attuato da attuatori (14) associati a detto riduttore (12) successivamente a detta fase di confronto.
9. 9. Metodo secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che in detta fase di invio detto secondo segnale (7) Ã ̈ inviato contemporaneamente ed in ritardo rispetto a detto primo segnale (6) per mezzo di un gruppo di comando (2), detto primo segnale (6) e detto secondo segnale (7) descrivendo detta traiettoria predefinita.
10. 10. Metodo secondo le rivendicazioni precedenti 8 e 9, caratterizzato dal fatto che in detta fase di confronto detta misurazione di detta posizione à ̈ realizzata da un encoder di precisione (15) associato a detto carico meccanico (4).