Questo white paper si propone di illustrare i pro e i contro associati agli azionamenti centralizzati e decentralizzati per le applicazioni in ambito motion control. L'intenzione non è quella di privilegiare un approccio rispetto ad un altro, in quanto in molti casi ognuno di essi avrà applicazioni per le quali è più adatto. L'idea è invece semplicemente quella di rendere i costruttori di macchine e gli ingegneri consapevoli dei vantaggi e degli svantaggi specifici che possono contribuire al successo del progetto.

Introduzione

Scegliere una configurazione centralizzata significa che l'azionamento, insieme a tutti gli altri componenti necessari per il controllo del movimento, è alloggiato all'interno di un cabinet, solitamente collocato in prossimità di macchine e linee di produzione di tutto il mondo. Al contrario, scegliendo un'architettura decentralizzata (o distribuita), la tecnologia dell'azionamento viene trasferita dall'armadio elettrico ad una distanza molto minore al processo di controllo del movimento - venendo a volte addirittura integrata con il motore stesso.
Naturalmente, esistono diversi gradi di decentralizzazione, da un singolo soft starter o azionamento situato sul motore, ad un intero sistema decentralizzato, che può comprendere, ad esempio, un VFD, una protezione da sovraccarico, un sezionatore del motore, un modulo I/O e un modulo bus. In molti casi, tutte queste apparecchiature possono essere fornite sotto forma di “pacchetto" da un unico fornitore.

Le architetture centralizzate e decentralizzate hanno i loro pregi e i loro difetti. Decidere quale sia la migliore dipende molto dall'applicazione specifica. A vedere bene, i sistemi ad architettura mista sono abbastanza comuni nell'industria, soprattutto quando gli azionamenti presentano alcune caratteristiche comuni, dimostrando così la validità di un approccio ibrido.

I capitoli che seguono delineano alcuni dei pro e dei contro più significativi associati alle strategie di azionamento centralizzato e decentralizzato, con particolare attenzione ad aspeti quali: le dimensioni dell'armadio/pannello di controllo, il dimensionamento dell'applicazione, le opzioni e la modularità.

Dimensioni dell'armadio / pannello di controllo

Come spesso accade in un numero crescente di applicazioni industriali, lo spazio è un fattore vincolante. Con un approccio centralizzato - se lo spazio lo consente - tutti gli azionamenti possono essere collocati all'interno di un unico armadio, semplificando così diagnostica e manutenzione. Inoltre, potrebbe essere possibile centralizzare alcuni servizi, come il raffreddamento, la distribuzione dell'alimentazione e la sicurezza. Chiaramente, l'ispezione visiva è uno dei vantaggi qualora si opti per un controllo del movimento centralizzato.
Naturalmente, tutta questa centralizzazione ha un prezzo: l'ingombro o l'involucro dimensionale dell'armadio aumenta. Avendo molte fabbriche e impianti problemi di spazio, i costruttori di macchine sono sempre meno propensi ad avere armadi di controllo ingombranti. Negli ultimi anni, l’ingombro ridotto è diventato uno dei principali argomenti di vendita per gli OEM. Non di meno, possono sorgere problemi legati agli ingombri in fase di aggiornamento o ampliamento dei macchinari esistenti, ad esempio per eliminare colli di bottiglia o per aumentare l'efficienza. In queste circostanze, spesso gli ingegneri si trovano a dover fare i conti con spazi limitati o destinati ad altro.
Un altro fattore da tenere in considerazione è il costo significativo in termini di materiale e manodopera rappresentato dal cabinet di controllo che, solitamente, viene progettato ad hoc per l'applicazione. Pertanto, il costo associato alla progettazione, alla costruzione e all'installazione di un sistema centralizzato deve essere una valutazione di primaria importanza nella spesa complessiva della macchina.
L'alloggiamento degli azionamenti in un armadio separato dalla macchina, offre naturalmente una protezione completa dall'ambiente esterno dell'impianto o della fabbrica. Tuttavia, poiché la perdita di calore viene generata centralmente, è necessario un raffreddamento efficace all'interno dell'armadio elettrico.
Quando si adotta una strategia di azionamento decentralizzata, le dimensioni del quadro elettrico principale sono in genere estremamente compatte, mentre i costi di installazione sono inferiori sia in termini di materiale che di lavorazione. Un ulteriore vantaggio è che gli azionamenti distribuiti prevedono l'utilizzo di cavi precablati che riducono la possibilità di errore e accorciano i tempi di messa in servizio.
Naturalmente, un sistema decentralizzato è particolarmente adatto al semplice controllo di motori stand-alone, ma non solo. Poiché l'azionamento può essere montato sopra o vicino alla macchina/motore, i vantaggi della riduzione delle dimensioni sono lampanti rispetto ad un sistema centralizzato equivalente. La riduzione dei costi si traduce inoltre nell'eliminazione di un pannello di controllo personalizzato, per non parlare della manodopera necessaria per il montaggio e l'installazione del sistema. Inoltre, le lunghezze dei cablaggi sono ridotte, mentre ulteriori vantaggi includono una migliore compatibilità elettromagnetica (EMC) e la distribuzione capillare delle perdite di calore, riducendo il fabbisogno e il costo di un sistema di termoregolazione centralizzato.
Mentre alcuni ritengono che questo tipo di architettura non sia sufficientemente robusta per fornire un elevato grado di protezione contro l'ambiente circostante, in realtà è vero il contrario. Molti dei più recenti convertitori decentralizzati offrono caratteristiche embedded e un alto livello di protezione IP66/NEMA 4X per consentire l'installazione direttamente sul motore o nelle vicinanze. Il design robusto degli azionamenti decentralizzati può infatti proteggere dalla penetrazione di polvere o getti d’acqua, oltre ad offrire maggiori garanzie di sicurezza ai tecnici che operano in contatto con parti sotto tensione.
In questo settore sono pochi gli inconvenienti dati dall’impiego di azionamenti decentralizzati, anche se l'ispezione visiva e la manutenzione a volte risultano più complesse, in quanto gli azionamenti sono difficilmente accessibili.

Dimensioni dell'armadio / pannello di controllo	Centralizzato	Decentralizzato
Dimensione		✓
Centralizzazione del servizio	✓
Ispezione visiva	✓
Costo dei materiali		✓
Costo del lavoro		✓
Accessibilità	✓

Dimensionamento dell'applicazione

Uno dei principali vantaggi delle soluzioni centralizzate in termini di dimensionamento dell'applicazione è che i motori non sono soggetti ad alcun declassamento. Per fornire una definizione standard, eventuali condizioni di funzionamento gravose richiedono un derating del motore. Tali condizioni possono includere una temperatura ambiente superiore a 40°C, la posizione di montaggio del motore, la frequenza di commutazione dell'azionamento o il sovradimensionamento dell’azionamento scelto per il motore.
Il derating è un processo di progettazione che può contribuire in modo significativo all’affidabilità della macchina. Con un approccio centralizzato, le dimensioni ridotte del motore e la minore inerzia del rotore sono tipiche, mentre le prestazioni ottenibili sono superiori rispetto alle soluzioni decentralizzate. Per quanto riguarda i difetti, chi opta per una soluzione centralizzata dovrà tenere conto di cablaggi più lunghi, senza dimenticare che ogni motore è collegato all'armadio elettrico tramite due cavi, uno per l'alimentazione e uno per il feedback.

Chi pensa che le soluzioni decentralizzate per il controllo del movimento non si prestino ad un dimensionamento ottimale delle applicazioni sarebbe in errore. Ad esempio, in alcuni casi, è possibile utilizzare un armadio standard per le funzioni di base e aggiungere moduli indipendenti opzionali (con la loro elettronica a bordo) senza dover modificare l'armadio originale.

In alcuni casi, un’architettura con azionamenti decentralizzati può essere reso necessario dalle dimensioni della macchina. È possibile eliminare lunghi cavi motore da un armadio di controllo centrale portando l'alimentazione agli azionamenti decentralizzati con una daisy chain, drive-to-drive, o utilizzando un azionamento con un'alimentazione integrata. Inoltre, gli azionamenti decentralizzati possono semplificare la strutturara anche in macchine grandi e complesse, un vantaggio particolare per le applicazioni destinate a settori quali l'automotive e l'intralogistica, ad esempio.

Esiste tuttavia un potenziale svantaggio per le soluzioni decentralizzate per quanto riguarda il dimensionamento delle applicazioni. Nei motori con azionamenti integrati deve essere accettato un derating del motore dovuto allo scambio termico con l'azionamento. Per contrastare questo problema, a parità di prestazioni T,n, il motore con l'azionamento integrato avrà un desgin più ingombrante (T,n è il rapporto tra velocità di rotazione e coppia). Va notato, tuttavia, che questo requisito non è necessario per gli azionamenti decentralizzati nelle vicinanze.

Dimensionamento dell'applicazione	Centralizzato	Decentralizzato
Derating del motore	✓	✓ (with nearby)
Lunghezza cavi motore		✓

Opzioni

Per quanto riguarda le opzioni, le soluzioni centralizzate tendono a offrire una maggiore personalizzazione dei moduli all'interno del cabinet. Questo tipo di soluzione quadro garantisce inoltre la possibilità di aggiungere opzioni sul campo in un secondo momento. Sebbene le opzioni più comuni - come STO (Safe Torque Off), Safety Bus, I/O e protocolli Ethernet in tempo reale - siano disponibili per i sistemi decentralizzati, esse sono limitate rispetto alle soluzioni quadro a causa dello spazio ridotto. Tipicamente, le opzioni sono installate dall'OEM e generalmente non è possibile aggiungerle o rimuoverle sul campo.

Opzioni	Centralizzato	Decentralizzato
Safety via Bus	✓	✓
Scalabilità delle opzioni	✓

Modularità

I sistemi centralizzati sono ritenuti meno modulari rispetto alla loro controparte distribuita, anche se c'è una maggiore flessibilità per quanto riguarda i sistemi di dissipazione del calore basati sul raffreddamento ad aria o a liquido. In generale, la modularità del pannello di controllo non è legata alla modularità del sistema complessivo.

Al contrario, le configurazioni decentralizzate sono estremamente modulari. Qui, l'architettura degli azionamenti può seguire la modularità meccanica della macchina o del sistema, con gli evidenti vantaggi che ne derivano.

Si può affermare che le macchine e le fabbriche di oggi vengono sempre più spesso create sulla base della modularità, soprattutto perché i sistemi modulari facilitano i costi di sviluppo ridotti e i tempi di consegna più brevi. Ultimamente l'industria sta cercando soluzioni sul mercato che consentano di incrementare l'automazione dei processi senza aumentare gli spazi occupati dai quadri elettrici.

Gli azionamenti decentralizzati possono essere collocati dove sono necessari e, grazie all'I/O integrato, possono risolvere compiti impegnativi senza aggiungere terminali, risparmiando tempo e denaro.

Modularità	Centralizzato	Decentralizzato
Modularità		✓
Flessibilità del sistema di dissipazione	✓

Funzionalità di rete

Molti dei più recenti convertitori di frequenza offrono una rete di comunicazione opzionale e moduli I/O facili e veloci da installare, consentendo così l'adattamento del convertitore di frequenza standard alle singole applicazioni dell'utente. Anche la comunicazione plug-and-drive tramite reti Ethernet in tempo reale è sempre più comune con l'odierna tecnologia dei convertitori di frequenza. L'uso di interfacce plug-in per protocolli come Profinet ed EtherCAT permette la perfetta integrazione dei convertitori di frequenza nelle reti di comunicazione esistenti presso l'utente finale.

Per coloro che considerano un approccio distribuito, l'utilizzo di un modulo PLC decentralizzato accanto agli azionamenti decentralizzati riduce il carico sul controllore di livello superiore, oltre a creare, in alcune applicazioni, la base per macchine modulari realmente prive di armadi di controllo. Tali moduli PLC saranno tipicamente dotati di RTOS (Real-Time Operating Software) per garantire un'intelligenza decentralizzata con capacità di rete fornita da una selezione di protocolli di comunicazione. La flessibilità in fase di progettazione e la pedisposizione alla modularità è così assicurata.

Funzionalità di rete	Centralizzato	Decentralizzato
Performance del PLC	✓
Comunicazione ethernet RT	✓	✓

Costi di investimento

È difficile fare un confronto diretto dei risparmi tra soluzioni centralizzate e decentralizzate, anche perché ogni applicazione è diversa. In alcuni casi semplici e isolati la decisione tra centralizzazione e decentralizzazione può essere evidente. Tuttavia, valutare le opzioni per una linea di produzione dove ogni fase del processo dipende da altri dispositivi, significa aumentare notevolmente il livello di complessità.

Quelli a favore di sistemi puramente distribuiti sostengono che più del 30% dei costi può essere risparmiato rispetto ad una soluzione centralizzata, questo per i tempi di progettazionie più lunghi, più componenti e cablaggi, pannelli e PLC più grandi e un'installazione e una messa in servizio più lente.

Tuttavia, verifica sempre le tue specifiche esigenze con uno specialista e chiedigli una consulenza, poiché ogni progetto ha caratteristiche che possono influenzare il processo decisionale se lo scopo è ottenere un risultato ottimale.

Soluzioni di prodotto

Tra le numerose soluzioni di prodotto disponibili presso Servotecnica c'è la serie di azionamenti brushless distribuiti AMK iC/iX. Il servoazionamento decentralizzato AMKASMART iC con alimentazione integrata, ad esempio, è ottimizzato per l'impiego in applicazioni monoasse e strutture di macchine modulari. Grazie all'integrazione di un modulo di alimentazione, viene praticamente eliminata la necessità di un armadio elettrico per facilitare una soluzione di macchina flessibile.

Il servoazionamento decentralizzato AMKASMART iX, proprio come l'iC, è progettato per motori sincroni e asincroni rotativi e lineari di vario tipo. Tuttavia, in questo caso, l'alimentazione e la comunicazione sono in loop da modulo a modulo.

Con gli azionamenti AMKASMART è possibile combinare le varie soluzioni distribuite di AMK sulla macchina o sulla linea di produzione, e quindi avere la possibilità di scegliere tra soluzioni decentralizzate e centralizzate, oppure utilizzare i due tipi insieme. Dopotutto, non esiste una soluzione unica.

Tra gli altri prodotti decentralizzati di Servotecnica sono disponibili anche i servomotori AMKASMART i3X (tre servocontrollori decentralizzati in un unico alloggiamento), i servomotori AMKASMART iDT5 e iDT7 con servoazionamenti integrati e il controllore AMKASMART iSA che dispone di un alimentatore in ingresso per facilitare l'automazione senza la necessità di un alimentatore separato.

by Riccardo Francazi
R&D Manager

LA SFIDA

I motori brushless a magneti permanenti, possono generare moto rotatorio e lineare. Sono noti per l'alta densità di coppia e l’efficienza elevate. Sono anche comunemente detti motori brushless in corrente continua, motori brushless in corrente alternata, motori sincroni a magneti permanenti o servomotori. Queste macchine elettriche generano essenzialmente coppia (rotatoria) o forza (lineare).

Per molte applicazioni nel campo dell’ottica, della scansione, della metrologia, dell'optoelettrica e del traking, la sfida principale è quella di ottenere una coppia/forza costante e prevedibile. I motori brushless a magneti permanenti tradizionali sono soggetti a coppia di cogging, un disturbo derivante dall’interazione tra il magnete permanente e le cave interposte ai denti dello statore. Il cogging è una coppia ciclica con un angolo che crea ripple di coppia (e il corrispondente ripple di velocità), andando ad aggiungere un elemento non lineare nel controllo del motore.

Nel corso degli anni sono stati adottati vari metodi per ridurre al minimo il cogging come, ad esempio, lamelle elicoidali, magneti elicoidali, speciali modifiche meccaniche e compensazione elettrica nel controller del motore. Nella maggior parte delle applicazioni che richiedono un moto costante con carichi ridotti.

LA SOLUZIONE

I motori slotless (senza cave) sono stati concepiti per ottimizzare l’uniformità e ottenere una coppia in uscita prevedibile con effetti non lineari minimi. Comunemente definiti motori slotless se rotanti e ironless se lineari, i motori slotless hanno bobine avvolte in aria. Se disposte correttamente, queste bobine interagiscono con il flusso dei magneti permanenti per creare forza o coppia. La coppia di cogging viene eliminata grazie alla rimozione della discontinuità creata dai denti dello statore. La tecnologia slotless è particolarmente efficace con i sistemi di precisione ad azionamento diretto, perché tutta la coppia è una funzione della corrente di fase e il motore non genera disturbi di coppia indesiderati o non controllati.

TOPOLOGIA DEL MOTORE

I motori brushless a magneti permanenti presentano due componenti interni fondamentali: il gruppo del magnete permanente e quello delle bobine statoriche. Nella versione rotante questi due componenti sono detti gruppo rotore e gruppo statore, mentre in quella lineare prendono il nome di barra magnetica e forcer. Il rotore/barra magnetica è un componente magnetico costituito da magneti permanenti applicati o immersi in una struttura ferromagnetica. Lo statore/forcer è l’assieme delle bobine opportunamente combinate atte a generare un campo magnetico con varie fasi, tre nella realizzazione più comune.
La parte restante di questa nota tecnica è dedicata al confronto e alle differenze tra motori rotanti slotless e slotted. Gli stessi principi valgono anche per i motori lineari ironless e ironcore.

STRUTTURA DI ROTORE E STATORE

Gruppo rotore a magneti permanenti

Il gruppo rotore è generalmente un anello o un albero di acciaio su cui sono fissati dei magneti, che possono essere meccanicamente distinti o costituire un anello solido con singoli campi magnetici magnetizzati su di esso.

Il numero di poli è direttamente correlato al numero di magneti permanenti del gruppo rotore.

Talvolta, si può scegliere di conteggiare il numero di coppie nord-sud, parleremo in questo caso di coppie di polari. Il numero totale di poli determina il rapporto di trasferimento tra la frequenza elettrica e la velocità meccanica. In genere, i motori con un numero inferiore di poli hanno una velocità meccanica più alta, mentre quelli con più poli sono solitamente più lenti. Detto questo, grazie ai progressi dell’elettronica moderna ad ampia larghezza di banda, è stato possibile aumentare sempre di più la velocità anche dei motori con un numero di poli elevato.

La figura 1 - Esempio di rotore con magneti meccanicamente distinti.

Gruppo statorico

Affinché il motore possa girare, è necessario eccitare propriamente un certo numero di fasi elettromagnetiche che, nei motori brushless a magneti permanenti, sono solitamente tre. Tali fasi elettromagnetiche vengono eccitate mediante uscite in corrente generate da un controller di motore. Il controller del motore utilizza tipicamente la retroazione per monitorare la posizione del rotore e creare il vettore di corrente corretto nelle fasi dello statore per ottenere la coppia. Una volta creata, la coppia può essere controllata insieme a velocità e posizione in modo da gestire qualsiasi applicazione di motion control.

Il gruppo dello statore è tipicamente costituito da lamelle di ferro dolce con denti che sporgono radialmente. Gli spazi tra tali denti sono detti cave e consentono l’inserimento del filo delle bobine elettromagnetiche. Questa tipologia di motore è detta slotted.

Figura 2 - Un classico motore diretto frameless con elevato numero di poli e costruzione con anello a basso profilo.

Nell'esempio riportato in figura 2, i denti e le cave dello statore sono chiaramente visibili. L’anello grigio al centro del motore è il rotore realizzato in materiale magnetico con 36 poli magneticamente inclinati magnetizzati su di esso. Si noti che i poli sono stati approssimati per ragioni rappresentative. La configurazione inclinata contribuisce a ridurre il fenomeno del cogging, alternando assialmente il campo magnetico e compensando la frequenza fondamentale della coppia di cogging.

STATORE SLOTTED

Le configurazioni tradizionali di uno statore slotted si basano su denti che concentrano il flusso elettromagnetico verso i magneti del rotore e riducono il traferro complessivo del circuito magnetico. In genere ogni fase prevede molteplici denti. I motori slotted sono i più diffusi perché assicurano un buon equilibrio tra coppia in uscita, costante del motore, efficienza e facilità di fabbricazione. Essi garantiscono solitamente la costante di moto più elevata Kt (torque/Amper) per un motore di taglia data, oltre a un’alta efficienza e grande accelerazione con un’inerzia minima.

Come spiegato in precedenza, gli spazi tra i denti dello statore consentono di inserire il filo delle fasi elettromagnetiche. Le cave sono la causa principale della coppia di cogging poiché creano una permeabilità discontinua mentre i magneti passano dall’una all’altra. Per ridurre al minimo la frequenza fondamentale della coppia di cogging, è prassi comune inclinare o sfalsare i denti dello statore o i magneti del rotore.

Figura 3 - Statore con denti inclinati.

La coppia di cogging dei motori slotted varia tipicamente dall’1 al 5% della coppia di picco a seconda della configurazione del motore. Nelle applicazioni con carichi utili più elevati, la coppia di cogging minima è ridotta rispetto alla coppia di azionamento e ha un effetto irrilevante sulle prestazioni del sistema. Tuttavia, nelle applicazioni in cui il carico utile è ridotto o quando il moto uniforme è un requisito essenziale, la coppia di cogging generalmente produce un ripple di velocità che può avere effetti negativi sulle prestazioni.

La frequenza della coppia di cogging è una funzione del numero di poli e del numero di cave del motore. La frequenza fondamentale di questo cogging è il minimo comune multiplo tra numero di poli e di cave. Tuttavia, a causa delle variazioni di produzione e degli effetti tridimensionali, al profilo della coppia di cogging con l’angolo contribuiscono anche altri attributi armonici più e meno alti.

Gli statori con cave sono soggetti anche a saturazione magnetica all’aumentare della corrente. Questo fenomeno è detto anche linearità della costante di coppia (Kt). Per ottimizzare la taglia e l’uscita del motore, solitamente il ferro è vicino alla saturazione magnetica in corrispondenza del limite termico continuativo del motore. In alcuni motori il valore di targa continuativo dell’uscita incorpora un errore di linearità di ben il 10% Kt.

STATORE SLOTLESS

Un motore brushless a magneti permanenti ideale produce una coppia sinusoidale senza distorsione armonica. Il motore slotless è quello che più si avvicina a questo obiettivo. Lo statore senza cave non presenta i denti e le rispettive cave. Le bobine di fase sono orientate spazialmente attorno allo statore per formare la relazione tra le fasi elettromagnetiche necessarie per il funzionamento del motore. Quando eccitate, le bobine creano un campo magnetico simile a quello del motore slotted, ma la curva coppia/angolo risultante è sinusoidale. La coppia di cogging è pari a zero per via dell’assenza di denti e cave corrispondenti.

Figura 4 - Motore slotless con rotore progettato per utilizzare magneti meccanicamente distinti.

Il rotore al centro è costituito da 8 magneti distinti e ha otto poli. Gli statori slotless hanno una sezione trasversale radiale molto sottile che consente di utilizzare un diametro di rotore più grande.

Figura 5: il rotore al centro è un anello magnetico solido con 12 poli.

In un motore slotless, tutta la coppia è funzione della corrente applicata all’avvolgimento, semplificando così il sistema di servocomando e assicurando un funzionamento più uniforme. Inoltre, il motore presenta una linearità di Kt significativamente migliore rispetto alla versione slotted.

Un aspetto che riguarda le configurazioni slotless è il grande traferro magnetico tra rotore e statore derivante dall’eliminazione dei denti dello statore. Ciò comporta una densità inferiore del flusso e, di conseguenza, una coppia in uscita più bassa per un motore di taglia data. La coppia in uscita di una configurazione slotless è solitamente pari al 70-75% di un motore slotted di taglia equivalente, ma con l'ottimizzazione di svariati parametri è possibile arrivare fino all’85%. Se l’uniformità costituisce un requisito critico, la tecnologia slotless è preferibile, mentre i motori slotted sono probabilmente la soluzione migliore quando il fattore essenziale è la densità della coppia.

CURVA COPPIA VS ANGOLO

Un motore rotante genera essenzialmente una coppia, che è una funzione della corrente e della posizione. Il metodo più comune per analizzare questo fenomeno è la curva coppia-angolo. La curva coppia-angolo rappresenta la coppia in uscita di un motore, inclusa la coppia di cogging, ed è la figura di merito più utile per prevedere il funzionamento di un motore in un’applicazione specifica. Il rapporto coppia-angolo può essere misurato energizzando una fase del motore mentre il rotore viene ruotato manualmente misurando la coppia generata mediante un trasduttore di coppia.

Tutti i motori brushless a magneti permanenti hanno un profilo di coppia-angolo che è solitamente sinusoidale e in genere contiene svariate armoniche. La coppia di cogging è uno dei fattori che contribuiscono e che può dare come risultato una distorsione armonica significativa. Questa distorsione provoca un ripple di coppia mentre il motore è in funzione, con effetti sul ripple di velocità.

Le figure 6 e 7 seguenti illustrano come la coppia di cogging rappresenta la differenza principale fra i motori slotted e slotless. La figura 6 mostra chiaramente che quando un motore slotted non opera alla coppia nominale massima, il cogging è una percentuale relativamente bassa dell’uscita e il ripple di coppia è significativamente superiore. Nella Figura 7 si può chiaramente osservare che la coppia di cogging è pari a zero nella curva coppia vs angolo.

Figura 6 - La curva viola è la coppia sinusoidale teorica rispetto all’angolo. La curva verde è il risultato di compromesso della coppia di cogging. La curva rossa è la coppia di cogging e la curva blu la coppia risultante di tutte le tre fasi che operano insieme. Tutti i valori sono stati normalizzati a 1 per semplificare la visualizzazione. L’esempio ha una coppia di cogging al 5% della coppia nominale dei motori.

Figura 7 - L’assenza di coppia di cogging fa sì che il motore produca un vettore di coppia costante mentre ruota o si muove. Tutta la coppia è direttamente correlata alla corrente erogata all’avvolgimento. La coppia in uscita è lineare e le variazioni di corrente e moto sono molto più controllabili. La linea viola è sovrapposta alla linea verde e, pertanto, le due curve si sovrappongono.

RIEPILOGO E CONCLUSIONI

L’offerta Servotecnica include motori slotted e slotless. I motori slotted danno buoni risultati in termini di densità di coppia e accelerazione elevate, mentre i motori slotless sono eccellenti per ottenere un funzionamento uniforme con una buona linearità di Kt quando utilizzati in un sistema servoassistito.

La coppia di cogging varia significativamente a seconda delle diverse configurazioni dei motori e solitamente si adottano misure per ridurne gli effetti, come inclinare i magneti o le lamelle dello statore. Entrambe le tecnologie offrono ampi fori rotore e possono essere adattate ad applicazioni di azionamento diretto con basso profilo.

Le caratteristiche prestazionali principali di ciascun tipo di motore sono riepilogate nella tabella seguente.

Parametro	Slotted	Slotless
Moto più uniforme (ripple di velocità minimo)		✓
Costante di coppia più elevata	✓
Linearità della costante di coppia (Kt)		✓
Foro passante più grande		✓
Accelerazioni più elevate	✓

Tabella 1: sintesi delle caratteristiche principali dei motori slotted e slotless.

Fonte: Celera Motion

Gestione della comunicazione dati a livello di ingressi e uscite nei macchinari automatici. È questa la funzione di IO-Link. È economico, semplice ed efficiente.
Fatta questa premessa, i lettori vorranno saperne di più. La documentazione riguardante l’impiego di IO-Link per la gestione del traffico di ingressi/uscite è ampia, ma le informazioni sul suo uso nel campo del motion control sono scarse. Pur non sottovalutandone i limiti in questo campo, in questo articolo esaminiamo le applicazioni di IO-Link proprio nel motion control.

Basta chiedere quali sono le caratteristiche principali di IO-Link a un utilizzatore per sentirsi immancabilmente rispondere che è una soluzione semplice, solida ed economica per tutto il ciclo di vita della macchina, che è facile da integrare, installare, mettere in esercizio e anche da utilizzare, oltre al fatto che facilita la manutenzione... Per inciso, IO-Link è anche una soluzione ottimale per applicazioni di motion control semplici, ed è proprio questo l’aspetto su cui vogliamo concentrare qui la nostra attenzione. Ma, prima di tutto, vediamo cos’è IO-Link.

NO bus di campo, universale, predisposto per Industry 4.0…

In effetti, IO-Link è uno standard (IEC 61131-9) definito dall’organizzazione internazionale IEC. Lo standard definisce le specifiche di un’interfaccia SDCI – Single-drop Digital Communication Interface – per piccoli sensori e attuatori. A prescindere dal controller (e dal protocollo – bus di campo – di comunicazione dati) utilizzato per l’automazione del sistema, la “parte 9” dello standard “IEC 61131” definisce le specifiche di una tecnologia SDCI unica e universale, adatta per applicazioni che impiegano piccoli sensori e attuatori (ampiamente usati sui macchinari). Sebbene l’organizzazione IO-Link sia uno dei membri del consorzio PROFINET, gli utilizzatori non devono necessariamente adattare i loro sistemi di sensori/attuatori (connettori, cavi, dispositivi hardware e software) ad alcun protocollo di bus di campo specifico. Come si dice spesso, “IO-Link è una soluzione universale interprotocollo” e si adatta a qualsiasi architettura basata su Modbus, PROFIBUS, EtherNet/IP, AS-I, ecc.

L’obiettivo è semplice e chiaro: estendere le tradizionali interfacce digitali di ingresso e uscita nella direzione di una comunicazione punto a punto (indipendentemente dal bus di campo adottato a livello di PLC).

Nel campo, questa tecnologia supporta la trasmissione bidirezionale di dati di processo, manutenzione ed eventi fino al dispositivo misuratore che opera nel punto più interno della macchina e includendo tutti i sensori e gli attuatori. Sia i master che i dispositivi adottano un protocollo specificato conformemente al modello di riferimento ISO/OSI (livello fisico, livello di collegamento dati e livello di applicazione). IO-Link consente inoltre il trasferimento di dati di controllo e parametri fino ai dispositivi, oltre all’invio dei dati di processo e delle informazioni di diagnostica al sistema di automazione dai singoli dispositivi.

Dal punto di vista fisico, IO-Link si basa su una tecnologia semplice, solida e ben collaudata: il classico collegamento a tre fili usato per i comuni sensori e attuatori, senza alcun requisito aggiuntivo in termini di cablaggio. Citando le parole dei suoi promotori, si tratta di “un’ulteriore evoluzione della tecnologia di collegamento esistente e ben collaudata di sensori e attuatori”. E non prevede la necessità di interfacce e sistemi di comunicazione basati su collegamenti multipunto o multidrop. Detto questo, IO-Link viene essenzialmente utilizzato per l’automazione di fabbrica e trova ampio impiego con sensori ed attuatori semplici, nelle applicazioni che includono microcontroller di piccole dimensioni ed economici.

In altre parole, uno dei vantaggi principali di questo standard sta nel fatto che il livello di sensori e attuatori (ingressi e uscite) può rimanere inalterato, indipendentemente dal controller di livello superiore della macchina e/o dal controller di tutto il sistema di automazione. Ciò consente di ridurre i tempi di progettazione e ingegnerizzazione, di diminuire il numero di ricambi e componenti per riparazioni da conservare a magazzino, di ridurre i “grattacapi” e di garantire maggiore tranquillità. Di fatto, questo standard è universale e si adatta a svariate applicazioni.

Come dicono alcuni utilizzatori: “IO-Link sta rivoluzionando le comunicazioni a livello di campo”. Rende disponibili i dati da tutti i livelli di macchina e di tutto il sistema, perfettamente in linea con le strategie di Industry 4.0. Essendo predisposto per Industry 4.0, questo standard offre oggi – e lo farà sicuramente in futuro – le potenzialità necessarie per implementare funzioni di macchina migliorate e persino completamente nuove. Nel futuro di IO-Link sono già previste tecnologie di produzione migliori e più economiche. Più concretamente, questo standard permette e garantisce investimenti a lungo termine.

Economico, facile da integrare, implementare, usare, diagnosticare e manutenere…

Il rapporto costi-benefici di IO-Link è positivo. Ancora prima di arrivare sul campo come soluzione fisica e concreta, aiuta a ridurre i tempi di ingegnerizzazione tagliando i tempi degli studi progettuali e della fase di preparazione alla messa in esercizio. E quando “scende in campo”, la messa in esercizio è più rapida. Come anticipato, IO-Link utilizza cavi standard e contribuisce anche a ridurre le scorte a magazzino dei ricambi grazie a dispositivi multifunzione intelligenti.

Oltre a ciò, IO-Link semplifica la diagnostica della rete di sensori e attuatori e anche l’organizzazione degli interventi di manutenzione. Funzionalità di diagnostica ampliate permettono infatti di eseguire la diagnosi in remoto fino al livello dei dispositivi sul campo, per rilevare rotture di cavi e diagnosticare dispositivi specifici. Grazie alla sua semplicità e solidità, alla facilità e rapidità di manutenzione e riparazione, IO-Link contribuisce ad aumentare i tempi di attività dei sistemi di macchinari. Senza scendere troppo nei dettagli su questo aspetto, ciascun dispositivo sul campo viene descritto tramite un file IODD (IO Device Description), che contiene informazioni quali il produttore del dispositivo, il numero del modello e quello di serie e il tipo di dispositivo, oltre ai parametri correlati all’applicazione. I valori di questi parametri possono essere modificati da remoto (tramite il master), in modo che la macchina possa essere adattata da remoto e online per il lotto di produzione successivo. Analogamente, sebbene i parametri di un collegamento risiedano nel master (hardware), possono essere ripristinati, regolati e modificati dinamicamente durante il processo di produzione. E se un’unità master deve essere sostituita per una qualsiasi ragione, basta eseguire solo la pre-configurazione (in ufficio o in laboratorio) e la sostituzione (sul campo). In questi casi, si tratta solo di una “sostituzione meccanica” da effettuare nella centralina della macchina. Grandioso, vero? E anche facile.

In sintesi, IO-Link è orientato all’automazione di fabbrica e ai macchinari. I concetti di macchina innovativi su cui si basa IO-Link assicurano un’installazione più semplice. Standardizza interfacce e sistemi di cablaggio (paralleli, analogici, digitali) in un’unica tipologia, e i concetti di macchina modulare sono intrinsecamente supportati. I moduli delle funzioni e il supporto fornito dagli strumenti consentono un’impostazione altamente automatizzata dei parametri. Progettazione, messa in esercizio e manutenzione risultano quindi più rapide e semplici.

Tutte queste semplificazioni portano, naturalmente, a una riduzione della documentazione e dei costi di formazione.

Motion Control

Per le comuni applicazioni I/O sono disponibili molte informazioni. Molte di meno, però, sono quelle che riguardano le applicazioni di motion control. Beh, secondo il punto di vista degli autori di documentazione tecnica, il motion control suscita grande interesse in termini di applicazioni di motion control avanzato che devono gestire velocità elevate e/o posizionamenti ciclici, o ancora applicazioni che richiedono solitamente numerosi calcoli di interpolazione e/o applicazioni che utilizzano ingranaggi e/o camme elettrici.

D’altro canto, però, sebbene i produttori e i fornitori di sistemi di motion control possano offrire tali applicazioni complesse, molti utilizzatori sono semplicemente alla ricerca di applicazioni facili da progettare. E, dato che IO-Link supporta solo cicli di automazione piuttosto lenti, può rispondere perfettamente a questa esigenza.

In tali applicazioni, i sensori misurano e controllano valori e parametri di processo come angoli, distanze, frequenze e impulsi, livelli, posizioni, pressioni, conteggi di rotazione o scorrimento, velocità lineari o di rotazione, temperature, ecc.

Intervalli e soglie di misurazione devono essere impostati in modo variabile in funzione di vari lotti di produzione. Se prima queste variazioni venivano in genere eseguite manualmente (con il rischio di dover gestire errori umani e correzioni), IO-Link consente di impostarle da remoto. Il master IO-Link è in grado di riconoscere sensori, attuatori e display connessi. Prima dell’avvio della produzione, controlla i parametri di configurazione di tutti i dispositivi. Sebbene non siano complesse in termini di velocità o interpolazioni, molte applicazioni di motion control utilizzano numerosi parametri. E in questo caso l’impostazione dinamica dell’applicazione costituisce un vero e proprio vantaggio.

Il mercato globale dei macchinari è messo a dura prova. La competizione è serrata! In questo contesto la giuria è composta da... gli utilizzatori! E gli utilizzatori guardano a queste soluzioni per l’affidabilità dei macchinari e si aspettano che le macchine possano ripagare rapidamente l’investimento.