Mauro Turturici – Electronic Goalkeeper: studio e progettazione di un ausilio al gioco del Calcio per persone diversamente abili

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4. Azionamento elettrico

Come introdotto nel paragrafo 3.2 il blocco che si occupa di erogare la potenza elettrica, tradurla in meccanica e trasmetterla all’infrastruttura che muove la sagoma è costituito da cinque componenti:

1. una batteria ricaricabile al piombo-acido per autotrazione di tensione nominale 12V

2. un driver motore a controllo digitale compatibile con la tensione stabilita e dotato di ingresso per encoder incrementale

3. un motore elettrico in corrente continua 4. un riduttore

5. un encoder incrementale rotativo

Dal momento che tali componenti sono disponibili in numerose varianti sul mercato, la progettazione si è di fatto concretizzata nella scelta del prodotto disponibile più adatto agli scopi.

Anche se teoricamente sia possibile valutare questi elementi separatamente, da un punto di vista pratico è vantaggioso considerarli in stretta relazione poiché la compatibilità dei vari prodotti è un aspetto assolutamente non trascurabile e può essere causa di errori grossolani.

A tale proposito sono riportati alcuni aspetti di fondamentale importanza da valutare in maniera combinata per la scelta dei componenti citati:

• le caratteristiche del motore elettrico in relazione all’inerzia del sistema, alle prestazioni richieste ed alle peculiarità del driver motore

• la compatibilità del driver motore con la tensione di batteria

• l’installazione del riduttore sul motore

• il rapporto di trasmissione rispetto alle caratteristiche del motore, al movimento richiesto ed alla massa dell’infrastruttura semovente

• la compatibilità dell’encoder selezionato con il modulo di ingresso del driver

Il flusso nella scelta di questi elementi ha seguito il seguente iter:

1. selezione di un motore dotato di caratteristiche ritenute sufficienti alla movimentazione e che fosse compatibile con i requisiti di alimentazione

2. valutazione di un riduttore di rapporto ottimale ed installabile sul motore scelto 3. scelta di opportuno driver di potenza compatibile

4. selezione di un encoder rotativo incrementale

Per quanto riguarda il primo punto un ruolo fondamentale è stato ricoperto dall’Ing. Frello, il quale

grazie alla sua notevole esperienza nel campo dei motori elettrici e nell’utilizzo di strumenti di

simulazione di sistemi dinamici ha dato un importante contributo all’analisi creando un modello

approssimato del tipo di motore utilizzato nel sistema.

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60 4.1. Scelta del motore e del riduttore

Parlando in generale di macchine dotate di un azionamento elettrico emergono due principali problemi legati alla progettazione di quest’ultimo:

• la verifica della taglia del motore di una macchina funzionante in condizioni specificate

• la scelta del motore e del riduttore adatti a movimentare una macchina in condizioni prefissate

La prima di queste operazioni (verifica) è più semplice della seconda e può essere svolta in maniera certa ed automatica, al limite mediante opportune valutazioni sul campo. Al contrario l’operazione di scelta è più complicata, può richiedere scelte soggettive e talvolta deve venire svolta in forma iterativa eseguendo i seguenti passi:

1. svolgere un’analisi del sistema

2. in base ai risultati del passo precedente effettuare una scelta del motore e del riduttore 3. verificare l’ammissibilità della scelta

4. se la verifica non è positiva ritornare al punto 1 o 2 modificando le scelte ed eseguendo nuove verifiche ripetendo queste operazioni finché esse non siano positive

L’operazione di verifica consiste nel controllare che il campo operativo del motore copra quello del carico sia per quanto riguarda le condizioni di regime che quelle di transitorio.[22]

Da un’analisi sommaria dell’applicazione si è visto che:

• la condizione di funzionamento è puramente intermittente, non vi è alcuna occasione in cui al motore sia richiesto un lavoro continuativo. Il tempo massimo continuo di lavoro in condizioni di forte erogazione di corrente è valutato in 1 s.

• il carico è prevalentemente inerziale, la coppia resistente è data dal solo attrito viscoso degli elementi meccanici dell’infrastruttura e degli ingranaggi di trasmissione; operando un’opportuna lubrificazione si garantisce comunque un sostanziale abbattimento di questo effetto.

Si ricorda quindi che i requisiti del sistema ed alcune scelte soggettive di comodo ed economicità hanno portato a stabilire:

• alimentazione a batteria 12V

• utilizzo di alimentatore a controllo digitale connesso al sistema elettronico di comando

• motore in corrente continua

Il passo successivo è quindi stato un breve processo iterativo di selezione e verifica dei prodotti di

volta in volta presi in analisi, tenendo in considerazione i vincoli già illustrati.

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61 La selezione è stata fatta sulla base di alcuni datasheets di motori commerciali, vagliando fra i tanti solo quelli che riportano caratteristiche elettriche e meccaniche sufficienti alla modellizzazione matematica, che in questo caso è stata l’unica via utile alla verifica, non potendo di fatto disporre di campioni di tali prodotti.

Tale verifica è stata messa in atto grazie all’implementazione su Simulink® di MathWorks™ di un modello del motore elettrico sotto analisi, a cui sono seguite le opportune simulazioni con parametri caratteristici di diversi modelli di motore e con differenti rapporti di trasmissione.

Lo scopo delle simulazioni è stato quello di ricavare:

• l’angolo percorso nell’unità di tempo (velocità angolare media)

• il transitorio di avvio in risposta ad un gradino di tensione

• la corrente istantanea nel motore

L’aspetto forse di maggior interesse è stato il confronto tra il transitorio e la rapidità di movimento che si desidera imprimere al sistema, avrebbe infatti poco significato utilizzare un azionamento elettrico che a regime raggiunga le velocità richieste ma che impieghi molto tempo (dell’ordine di alcuni secondi) per arrivarci.

Occorre infine ricordare, come si vede nel seguente paragrafo, che oltre alle caratteristiche del motore, presenti nei datasheets, ai fini della corretta simulazione sono necessari anche i seguenti dati:

• tensione di alimentazione

• inerzia del carico

• rapporto di trasmissione

• coefficiente di attrito viscoso

• attrito dinamico

4.1.1. Il modello del motore utilizzato

I motori selezionati per lo scopo sono di tipo brushed in corrente continua a magneti permanenti.

Si tratta in pratica di un rotore dotato di avvolgimenti immerso in un campo magnetico generato da

magneti permanenti posti intorno ad esso. La corrente scorre nell’armatura attraverso un sistema di

spazzole e collettore. Un’immagine dei componenti di un motore a collettore in corrente continua

a magneti permanenti è mostrata in Figura 32.

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62

Figura 32 – Gli elementi di un motore in corrente continua a magneti permanenti

Il modello di motore in corrente continua realizzato per lo studio è riportato in Figura 33, si tratta del modello del secondo ordine [22], a cui è stato aggiunto un resistore di valore variabile in serie all’alimentazione, il cui compito è quello di limitare la corrente di avvio. Questo accorgimento è stato adottato al fine di simulare un limitatore di corrente, presente in tutti i driver a ponte H analizzati. Inoltre occorre tenere presente che tutti i motori presi ad esempio hanno un limite per la corrente sopportabile, oltre il quale si può avere un danneggiamento degli avvolgimenti ed una smagnetizzazione dei magneti permanenti, per cui il modello deve tenere presenti delle reali condizioni di funzionamento per non fornire risultati fuorvianti.

Nella Figura 33 si riportano le seguenti grandezze:

• L = induttanza dell'avvolgimento di armatura [H]

• R = resistenza dell'avvolgimento di armatura [Ω]

• R

(t) = resistenza variabile del limitatore di corrente, o “resistenza di avvio” [Ω]

• f.c.e.m.(t) = forza contro elettro motrice [V]

• v(t) = tensione ai capi dell'armatura [V]

• i(t) = corrente nel circuito [A]

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R L

v(t) f.c.e.m.(t)

R

(t)

Figura 33 – Modello elettrico del motore in c.c. a magneti permanenti

Con riferimento alla Figura 34 altre grandezze di natura meccanica sono:

ASSE MOTORE RUOTA

DENTATA

ω

, C

C

, ω

L

M, J

J

C

, C

Figura 34 – Grandezze meccaniche nel sistema motore-riduttore

• ω

(t) = velocità angolare di rotazione del motore [rad/s]

• ω

(t) = velocità angolare di rotazione all’albero ridotto [rad/s]

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• C

(t) = coppia motrice, erogata dal motore [Nm]

• C

(t) = coppia motrice al riduttore [Nm]

• C

(t) = coppia di attrito viscoso applicata al motore [Nm]

• C

(t) = coppia resistente del carico inerziale applicato al riduttore [Nm]

• J

= momento di inerzia del rotore del motore [Kg ·m

]

• J

= momento di inerzia dell’infrastruttura in movimento [Kg ·m

]

• M = massa della struttura scorrevole [Kg]

• L

= lunghezza massima del braccio che muove la sagoma [m]

• τ = rapporto di trasmissione = ω

/ω

(in questo caso si considera 0 < τ < 1)

Nel seguito, per considerare l’effetto del riduttore sulle grandezze meccaniche si considerano le quantità:

• C

’(t) = coppia resistente del carico inerziale riportata al motore [Nm]

• J

= momento di inerzia del carico inerziale ridotto e riportato al motore [Kg ·m

]

• J

= J

+J

= momento d'inerzia totale (motore + carico) [Kg ·m

]

Alcune costanti indicate nel modello:

• K

= costante di coppia (torque) [Nm/A]

• K

= costante elettrica, nel sistema MKS idealmente = K

• η = coefficiente di attrito viscoso

• µ

= coefficiente di attrito dinamico

Le costanti di coppia ed elettrica sono teoricamente identiche, tuttavia in alcuni casi, data l’imprecisione di alcuni dati forniti dal costruttore il loro valore dichiarato e quello calcolato in maniera approssimata sono risultati lievemente differenti. Tale incongruenza risulta in ogni caso di valore esiguo, fatto quindi che non pregiudica la validità dei dati.

In quanto all’andamento della R

si faccia riferimento alla Figura 35, che rappresenta uno starter molto utilizzato in passato per proteggere i motori dalle forti correnti di avviamento che rischiano di danneggiarne i componenti.

Per una maggiore comprensione se ne illustra il funzionamento: l’elemento indicato con la lettera H, inizialmente in posizione OFF è collegato all’alimentazione e dispone di due contatti in corrispondenza di due circuiti posti in parallelo: il primo, più in alto presenta numerose resistenze di valore identico in serie e si richiude a massa tramite il motore posto ai capi A1 e A2, il secondo scorre nella bobina NVRC e si richiude passando dalle bobine di campo e dal resistore che ne controlla l’intensità.

Supponendo che all’istante t

il motore sia fermo applichiamo un gradino di tensione ponendo la

leva H da posizione OFF a posizione 1, in questo caso nel circuito di campo scorre piena corrente,

mentre nel motore ne scorre una ridotta a causa della presenza delle resistenze. La leva H è dotata

però di una barra in materiale ferromagnetico che viene attratta con il tempo dall’elettromagnete

NRVC fino a raggiungere la posizione 12, in questo modo la serie di resistenze viene esclusa dal

circuito ed il motore viene collegato direttamente con la tensione di alimentazione in una fase però

in cui ha già raggiunto una certa velocità angolare.

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Figura 35 – Starter per motori in corrente continua

Da questo meccanismo l’idea di inserire nel modello un elemento resistivo che assumesse un valore direttamente proporzionale alla corrente, tarato in modo da limitarla ad un valore prestabilito. Tale numero è stato ricavato osservando i datasheet dei motori considerati e corrisponde a 35 A.

Supponendo quindi una tensione massima di funzionamento di 12 V e trascurando la resistenza degli avvolgimenti (rif. Tabella 2) si ha che R

, assume il valore massimo di 0.34 Ω in corrispondenza dell’istante di avviamento.

Il suo andamento è dato da:

start start

( )

R = K ⋅ i t con 9.79 10

10

Ravv

K = ⋅

≈

Equazione 1 – Andamento di R_start

Le equazioni utilizzate nel simulatore sono quelle del modello del secondo ordine del motore:

Equazione elettrica:

( ) ( ) di t ( ) . . . .

v t R i t L f c e m

= ⋅ + ⋅ dt + [V]

Equazione 2 – Equazione elettrica

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66 Bilancio delle coppie all’asse del motore:

( ) ( ) ( )

( )

m a c

d t

C t C t C t J

dt

= + + ⋅ ω [Nm]

Equazione 3 – Bilancio delle coppie

Forza contro elettro-motrice:

. . . .

( ) f c e m = K ⋅ ω t [V]

Equazione 4 – Forza contro elettro-motrice

Coppia erogata dal motore:

( ) ( )

m t

C t = K i t ⋅ [Nm]

Equazione 5 – Momento torcente applicato dal motore

Attrito viscoso all’asse del motore:

( ) ( )

a m

C t = ⋅ η ω t [Nm]

Equazione 6 – Momento resistente dell’attrito viscoso

Il carico applicato al motore, misurato anch’esso in Nm, risulta in questa applicazione idealmente inerziale; non sussistono infatti forze che si oppongono allo scorrimento laterale della sagoma sulla guida lineare. Tuttavia al fine di rendere maggiormente accurato il modello realizzato si è inserito un elemento di carico dovuto all’attrito dinamico causato dallo sfregare della sagoma sulla guida lineare. Supponendo per semplicità che essa scorra su una barra piana in acciaio risulta che l’attrito dinamico è pari a:

Attrito dinamico = µ

⋅ ⋅ M g [N]

con g = accelerazione gravitazionale

Equazione 7 – Momento resistente dell’attrito dinamico

La coppia di carico, ovvero il momento dell’attrito dinamico, è perciò pari all’equazione precedente moltiplicata la lunghezza del braccio, considerato nel caso peggiore pari a L

:

c

( )

C t = µ ⋅ ⋅ ⋅ M g L [Nm]

Equazione 8 – Momento resistente dell’attrito dinamico

Si ipotizza inoltre che il sistema meccanico abbia attrito statico trascurabile.

L’effetto del rapporto di trasmissione si può valutare considerando il bilancio dell’energia

meccanica che, trascurando per semplicità il rendimento del riduttore (spesso superiore al 90%) è

espresso dall’Equazione 9.

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r r m m

C ⋅ ω = C ⋅ ω

Equazione 9 – Bilancio energetico del riduttore trascurando il rendimento

Avendo espresso il rapporto di trasmissione come

m

τ ω

= ω Risulta quindi:

C

C ⁼ τ e ω τ ω

= ⋅

Tenendo presente che 0 < τ < 1 il riduttore quindi fa calare la velocità angolare di un fattore τ ma proporzionalmente accresce la coppia erogata.

L’effetto sull’inerzia è invece valutabile attraverso il bilancio dell’energia cinetica all’asse del motore ed in uscita al riduttore:

2 2

1 1

2 J

ω

= 2 J

ω

Equazione 10 – Bilancio dell’energia cinetica

Da cui

2 r 2

eq i i

m

J J ω J τ

ω

 

=   = ⋅

 

Equazione 11 – Momento di inerzia equivalente ridotto

Da queste equazioni si è realizzato il modello Simulink mostrato in Figura 36.

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Figura 36 – Modello matematico del motore

4.1.2. Dati utilizzati nelle simulazioni

Le simulazioni eseguite sul modello riguardano prodotti commerciali le cui caratteristiche sono riportate nella Tabella 2.

modello Kt (N∙m/A) Ke (V·s) Jm (Kg∙m²) R (Ω) L (mH)

Dagu ME71-095-12-1500 0.074 0.074 5.7∙10^-3 0.031 0.32

Dagu ME71-130-12-1500 0.06 0.066 7.8∙10^-3 0.019 0.2

Bonfiglioli BC270-12-1200-150 0.059 0.061 5∙10^-3 0.16 0.93

Bonfiglioli BC270-12-1400-310 0.055 0.058 9.5∙10^-3 0.056 0.31

Tabella 2 – Dati utilizzati nella simulazione di motori commerciali

Per quanto riguarda gli altri dati necessari si è posto:

• tensione di alimentazione pari a 12 V, stabilito per esigenze progettuali

• massa della struttura pari a 5 Kg e momento di inerzia massimo della struttura in movimento pari a 22.4 Kg ·m

, dati forniti dal team meccanico

• coefficiente di attrito dinamico µ

pari a 0.05 [adimensionale] [23]

• coefficiente di attrito viscoso pari a 3.5 ·10

[Kg/s] [24][25]

• lunghezza massima del braccio L

= 1.5 m

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69 Per quanto riguarda il rapporto di trasmissione si sono fatte prove incrociate motore-riduttore usando i rapporti di trasmissione come mostrato in Tabella 3.

modello Prova 1 Prova 2 Prova 3 Prova 4 Prova 5

Dagu ME63-095-12-1500 1:10 1:20 1:40 1:60 1:90

Dagu ME71-130-12-1500 1:10 1:20 1:40 1:60 1:90

Bonfiglioli BC270-12-1200-150 1:10 1:20 1:40 1:60 1:90

Bonfiglioli BC270-12-1400-310 1:10 1:20 1:40 1:60 1:90

Tabella 3 – Rapporti di trasmissione utilizzati nella simulazione di motori commerciali

La valutazione delle prestazioni riguardo la velocità media di spostamento fa riferimento alla disposizione della trazione, con riferimento alla Figura 37, si osserva infatti che l’infrastruttura fa compiere alla sagoma una traslazione orizzontale di 1.25 m, dal centro ad una estremità, in corrispondenza di una rotazione della ruota dentata di 25.64°.

Osservando quindi l’angolo spazzato dalla ruota dentata nell’unità di tempo, nel caso di massimo momento di inerzia, si può valutare l’accettabilità del motore preso in considerazione.

Figura 37 – Dimensioni della struttura semovente

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70 È ovvio che il momento di inerzia durante il movimento non sarà costante ma dipenderà dalla lunghezza del braccio e quindi dalla posizione della sagoma sulla guida lineare, in questa sede però si è considerato costante e pari al valore massimo al fine di valutare le prestazioni limite.

4.1.3. Risultato delle simulazioni

Il risultato delle simulazioni ha mostrato un aspetto già previsto in fase preliminare, cioè l’importanza del transitorio in rapporto alla velocità media entro i primi 0.5-1 secondi.

Come citato infatti, dovendo utilizzare il motore in regime intermittente, è molto importante che vi sia un transitorio abbastanza rapido.

Un fattore che gioca in favore è sicuramente il rapporto di trasmissione che, se basso, fa calare l’inerzia ridotta al motore favorendo il transitorio; al contempo però un rapporto di trasmissione eccessivamente basso riduce l’angolo spazzato del braccio nell’unità di tempo, perciò si rischia in ogni caso di non arrivare alle prestazioni desiderate in termini di velocità angolare media.

Un esempio di quanto detto è mostrato in Figura 38, in cui si mettono a confronto le prestazioni di un motore testato con differenti rapporti di trasmissione, riportati a lato.

Figura 38 – Esempio di confronto dell’angolo spazzato con più rapporti di trasmissione

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71 Da questa figura infatti si nota che l’andamento delle prestazioni in funzione del rapporto di trasmissione ha un massimo, che per il caso analizzato risulta essere all’incirca in corrispondenza del valore 40.

Un esempio di andamento della corrente istantanea, della coppia istantanea e della velocità angolare (espressa in rpm) con rapporto di trasmissione 1:40 è mostrato nelle immagini di Figura 39, Figura 41 e Figura 41.

Figura 39 – Esempio di andamento della corrente istantanea

Figura 40 – Esempio di andamento della coppia istantanea

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72

Figura 41 – Esempio di andamento della velocità angolare

Si osserva che la velocità angolare istantanea del motore non giunge al valore nominale di 1500 RPM

in un tempo inferiore ad 1 s, il che comporta un funzionamento del sistema che non prevede la condizione di regime per il motore.

4.2. Motore

Dai risultati ottenuti in simulazione si è potuto quindi valutare con un certo grado di accuratezza la taglia del motore da impiegare. Come è noto le aziende produttrici realizzano motori con caratteristiche predefinite e sulle quali l’utente finale deve adattare le proprie esigenze. Oltre a questo occorre ricordare, come citato, che è conveniente effettuare una scelta combinata di motore e riduttore, per avere garanzia di compatibilità meccanica.

Il motore selezionato per la realizzazione è il ME71-095-12-1500, prodotto dall’azienda Vicentina DAGU e una cui immagine è riportata in Figura 42. Le caratteristiche fornite con il catalogo sono riportate in Tabella 4.

13 Ride Per Minute (giri al minuto)

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Figura 42 – Immagine da catalogo del motore DAGU ME71

Tipo V

[V]

RPM [min

]

C

[Nm]

P

[W]

K

[Nm/A]

J [Kg ·m

]

R

[°C/W]

R

[ Ω]

Ind [mH]

Massa [Kg]

095 12 1500 2.40 380 0.074 0.0057 1.10 0.031 0.32 7.1

Tabella 4 – Caratteristiche da catalogo del motore DAGU ME71-095-12-1500

Un aspetto da curare oltre la potenza è sicuramente il grado di protezione IP della struttura contenitiva del motore. Si richiede infatti che l’oggetto possa lavorare all’aperto ed in condizioni umide e/o fangose. Una tabella dei gradi di protezione disponibili per il motore selezionato è mostrata in Tabella 5.

Tabella 5 – Gradi di protezione disponibili per il motore ME71

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74 Sicuramente si richiede che il grado di protezione sia non inferiore a 5 riguardo la prima cifra caratteristica e 4 riguardo la seconda.

4.3. Riduttore

Il riduttore scelto è prodotto dalla stessa azienda DAGU in virtù della compatibilità meccanica dei due elementi e della possibilità di acquistare il motoriduttore, ossia l’insieme dei due, già ottimizzato e testato alla fabbrica.

Il riduttore, di tipo ad ingranaggi, è il modello MRI, il cui rapporto di trasmissione è 9.89 ed il cui rendimento dichiarato è pari a 0.95. L’elemento è mostrato nella sua installazione su motore in Figura 43.

Avendo però ricavato mediante simulazione un rapporto ottimale di 40 è stato previsto dal team meccanico un ulteriore ingranaggio dentato di rapporto 4 fra l’uscita del riduttore e la ruota che imprime il movimento alla sagoma.

Figura 43 – Immagine del motoriduttore

4.4. Driver motore

Dalle simulazioni eseguite con tutti i motori si è visto che una erogazione istantanea ( < 2 s ) di corrente pari a 60 A è più che sufficiente a fornire una coppia accettabile per i parametri di movimentazione desiderati.

La scelta si è orientata verso il AX3500, Figura 44, un doppio driver a ponte H di tipo PWM

prodotto dalla azienda statunitense Roboteq, totalmente controllabile e configurabile da remoto.

14 Pulse Width Modulation

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75 Di seguito sono riportate alcune delle caratteristiche più importanti:

• single/dual channel

• massima corrente erogabile per 30s 60 A per canale (120 A in single channel)

• corrente di spunto >250 A per canale (>500 A in single channel)

• MOSFET ON-resistance 5 mOhm (2.5mOhm in single channel)

• controllabile via interfaccia RS-232 9600 bauds

• funzionamento con tensione compresa nell’intervallo 12 - 40 V

• protezioni anti-cortocircuito, limitatore corrente e temperatura

• uscita PWM 16 kHz

• 2 ingressi per encoder ottici

Figura 44 – Il driver motore Roboteq AX3500

Questo prodotto può essere controllato con tre diverse tecniche, la più semplice (Analog Mode) consiste nel porre un potenziometro fra due pin del connettore di ingresso, la seconda tramite un apposito ricevitore wireless venduto separatamente (RC mode) e la terza è quella di usare un’interfaccia RS-232.

In Tabella 6 è mostrato il ruolo dei piedini di connessione nelle tre modalità.

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76

Tabella 6 – Pinout del connettore del driver motore nelle varie modalità

Si è scelto di utilizzare la modalità seriale RS-232 in quanto garantisce semplicità ed affidabilità allo stesso tempo; inoltre sono a disposizione per il microcontrollore selezionato alcune librerie di funzioni già ottimizzate utilizzabili per lo scopo.

Questa modalità permette di:

• controllare il driver

• leggere parametri come temperatura, potenza erogata e carica della batteria

• verificare istantaneamente l’integrità delle istruzioni inviate grazie alla funzione ECHO, ovvero trasmissione nel verso opposto delle istruzioni giunte correttamente

• disporre di strumenti di diagnostica

• configurare i parametri interni via PC tramite un apposito software fornito gratuitamente da Roboteq

L’unico parametro non configurabile riguarda le trame della comunicazione fra host e driver, che deve necessariamente essere impostata a 9600 bits/s con 7 bit di dati, 1 di start, 1 di stop e parità pari.

La Tabella 7 è relativa all’utilizzo dei piedini del connettore DSUB15 in modalità RS-232, mentre

nella Figura 45 sono mostrate le connessioni da effettuare per il corretto funzionamento.

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Tabella 7 – Pinout del connettore del driver motore in modalità RS-232

Figura 45 – Collegamenti del connettore DB9-DB15 nella modalità RS-232

Le istruzioni che mette a disposizione l’AX3500 si dividono in comandi e queries

, ciascuna composta da un codice di 2 o 4 caratteri seguiti dal carattere carriage return

.

Attraverso i comandi si ottiene in genere un servizio dal driver o si impostano parametri interni di configurazione; con le richieste si possono invece ottenere una serie di informazioni utili al mantenimento dello stato ottimale di funzionamento.

15 Richieste effettuate da host verso l’AX3500

16 Ritorno carrello, più comunemente detto “Invio” o “Enter”

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78 Al fine di garantire la massima sicurezza di quanto trasmesso il controller dell’AX3500 rimanda all’host ogni carattere che riceve (ECHO); controllando quindi che i caratteri restituiti siano gli stessi inviati è possibile verificare che non vi sia stato alcun errore nella comunicazione.

Un altro importante sistema di diagnostica immediata prevede che il controller invii all’host il carattere “+” dopo che un comando è stato ricevuto e correttamente eseguito. Se al contrario un comando è stato ricevuto con errori o parametri errati, il driver invierà il carattere "-" all’host.

Quest’ultimo accorgimento si applica a quelle istruzioni che non prevedono una risposta diretta ma solo l’esecuzione di un servizio da parte del driver. Quando al contrario l’istruzione prevede l’invio di una risposta all’host questa informazione viene considerata come “acknowledgment” e non viene quindi inviato alcun carattere di conferma.

Fra le istruzioni di maggiore rilevanza applicativa si citano:

Set Motor Command Value:

Invia un valore di velocità compreso fra 0 e 127, in direzione oraria o antioraria, per un canale a scelta.

La sintassi di questa istruzione è !Mnn, dove:

• M indica il canale e il verso di rotazione, esso può essere:

o A : canale 1 verso orario o a : canale 1 verso antiorario o B : canale 2 verso orario o b : canale 2 verso antiorario

• nn indica il valore di velocità in numero esadecimale compreso fra 00 e 7F

Da notare che il numero nn deve necessariamente essere composto da due cifre, altrimenti il controller interpreta l’istruzione come errata e restituisce il carattere “-“.

Query Power Applied to Motors:

Interroga il driver su quanta potenza sta erogando al momento. Viene restituita una stringa di 2 cifre esadecimali compresa fra 00 e 7F (0, +127).

La sintassi di questo comando è ?v oppure ?V.

La risposta ha la forma: nn: potenza applicata al motore 1 mm: potenza applicata al motore 2 Query Amps Consumed by Motors:

Interroga il driver su quanta corrente scorre al momento nel/nei motore/i. Viene restituita una stringa di 2 cifre esadecimali compresa fra 00 e FF (0, +255).

La sintassi di questo comando è ?a o ?A.

La risposta ha la forma: nn: corrente che scorre nel motore 1 espressa in Ampere

mm: corrente che scorre nel motore 2 espressa in Ampere

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79 Il datasheet riporta che per ottenere il valore esatto di corrente nel modello AX3500 occorre dividere a metà il numero restituito dall’istruzione ?a; oltre a questo è dichiarato che la misura della corrente ha una tolleranza del 10% [26].

Read and Modify Controller Settings:

Questi comandi servono per leggere e modificare le impostazioni di configurazione del firmware salvati nella memoria Flash; alcune di queste modifiche vengono applicate soltanto dopo un riavvio del controller.

La sintassi utilizzata per leggere un parametro interno è: ^mm, con mm = numero del parametro di interesse.

Il responso sarà: DD, ovvero due cifre riportanti il valore del suddetto parametro

Per modificare un parametro invece si usa la sintassi: ^mm DD, con mm = numero del parametro di interesse e DD il nuovo valore che si vuole scrivere in memoria.

La risposta in questo caso è “+” se la scrittura è andata a buon fine e se non ci sono errori di alcun tipo, oppure “-”se la sintassi è errata oppure se si sono verificati errori interni.

Tutti i parametri e i loro valori sono espressi da due cifre in esadecimale, l’invio di trame parziali corrisponde ad errore.

Alcuni dei più importanti parametri modificabili da remoto sono riportati nella Tabella 8.

Reset Controller:

Questo comando permette di riavviare il controller analogamente a quando si preme il tasto di reset sulla scheda. Alcune delle impostazioni interne necessitano di un riavvio completo del sistema prima di essere rese effettive, cosa che può essere fatta mediante questa istruzione.

La sintassi è: %rrrrrr. Questo comando non restituisce alcuna risposta.

Apply Parameter Changes:

In alcuni casi al posto del reset descritto al punto precedente, per rendere immediatamente effettivo il cambiamento di uno o più parametri effettuato durante l’utilizzo si può usare, se l’istruzione lo permette (vedi Tabella 8), questo comando la cui sintassi è la seguente:

Istruzione: ^FF

Responso: + , indica che l’applicazione delle nuove impostazioni ha avuto successo

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Numero parametro:

Descrizione: Valori ammessi:

In (parentesi) il valore di default

Reso effettivo da:

00 Input control mode (0) = R/C Radio mode 1 = RS232, no watchdog 2 = RS232, with watchdog 3 = Analog mode

Reset

01 Motor Control

mode

(0) = Separate A, B, speed control, open loop default

1 = Mixed A & B, speed control, open loop 2 = Speed control on A, open loop. Position control on B

3 = A & B Position control

4 = Separate A, B, speed control, closed loop 5 = Mixed A & B, speed control, closed loop 6 = Speed control

Reset o

^FF

02 Amps limit 0 = 15A

1 = 22.5A 2 = 30A 3 = 37.5A 4 = 45A

(5) = 52.5A (default) 6 = 60°

Reset o

^FF

03 Acceleration 0 = very slow

1 = slow

(2) = medium-slow (default) 3 = medium

4 = fast 5 = fastest

Reset o

^FF

04 Input switch Bits 0 to 3 contain the EStop/Inv input operating mode

0 = causes emergency stop 1 = invert commands (2) = no action (default)

Bits 4,5 and 6.7 contain the Input E and Input F respective configurations (0) = no action

1 = Activate Output C 2 = Turn MOSFETs On or Off

Reset o

^FF

Tabella 8 – Alcuni dei più importanti parametri impostabili via remoto

4.5. Encoder

In generale un encoder è un dispositivo che codifica una particolare informazione restituendo un numero univocamente corrispondente ad essa.

Il tipo di encoder di interesse applicativo è quello ottico rotativo incrementale a doppio canale.

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81 Questi dispositivi vengono installati a diretto contatto con l’asse di rotazione di un motore elettrico, solitamente nella parte opposta a quella dove ingrana la trazione, e girano solidalmente con esso. Il loro compito è quello di dare informazioni sulla rotazione al sistema che controlla il motore. In particolare un encoder a doppio canale è in grado di rivelare sia il verso che la velocità angolare di rotazione, mentre uno a canale singolo può fornire dati utili solo a ricavare la velocità.

Nella Figura 46 si può vedere la tipica installazione su di un motore elettrico come citato in precedenza.

Figura 46 – Esempio di encoder installato su motore elettrico

Il funzionamento di questo oggetto sfrutta due onde quadre sfasate di 90° ricavabili da una traccia

che alterna zone trasparenti a zone scure impressa su di un disco. Nella Figura 47 è mostrata una

immagine del disco rotante di encoder commerciale.

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Figura 47 – Disco rotante di un encoder commerciale

Questa traccia viene letta mediante un fotoaccoppiatore (un led ed un fotodiodo). Un esempio delle uscite in quadratura sono riportate in Figura 48.

Figura 48 – Uscita di un encoder incrementale a doppio canale

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83 A seconda della disposizione relativa dei fronti in salita dei due canali A e B si può risalire al verso di rotazione, mentre dalla conoscenza di parametri come il numero di alternanze chiaro- scuro per giro riportate sul disco si può ricavare la velocità di rotazione. Per la misurazione della velocità solitamente si utilizza un accorgimento che incrementa la risoluzione: considerando i segnali in ingresso ai due canali si notano quattro fronti, due per ogni canale, di cui uno in salita e l’altro in discesa; rivelando quindi tutti i fronti con un apposito circuito si raggiunge una risoluzione quadrupla.

Come citato nel paragrafo 4.4 il driver di potenza scelto è dotato di due ingressi per encoder, ciascuno in grado di acquisire due canali come descritto sopra. Il modulo dedicato all’encoder è in grado di processare fino a 250000 fronti al secondo; conoscendo la velocità angolare massima di rotazione si può quindi stabilire la risoluzione massima del disco in termini di CPR

attraverso l’Equazione 12.

[ ]

/ 4

60

Pulses s Hz = RPM ⋅ CPR ⋅

Equazione 12 – Fronti in ingresso al modulo di acquisizione dell’encoder

Supponendo che il massimo numero di giri al minuto sia 1500 si ricava che il disco può avere al massimo 2500 CPR.

Si è previsto per il sistema l’utilizzo di un encoder che abbia 250 CPR, numero giudicato sufficiente per l’accuratezza richiesta.

La dotazione di un ingresso encoder permette il funzionamento ad anello chiuso del sistema, con l’obiettivo di avere velocità di movimento impostabili in fase di messa a punto, come specificato nei requisiti per il comportamento dinamico illustrati al paragrafo 2.9.3.

La scelta del modello di encoder è stata effettuata vagliando direttamente i prodotti consigliati in abbinamento al driver AX3500, in modo da avere compatibilità certa. Il dispositivo mostrato in Figura 49 è prodotto dall’azienda U.S. Digital, in kit di montaggio che comprende sia il disco che l’hardware necessario.

17 Cycles Per Revolution: il numero di cicli di chiaro-scuro riportati nel disco dell’encoder

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Figura 49 – Immagine del kit per encoder incrementale US Digital E2 privo del case esterno

È possibile connettere agli ingressi dell’encoder anche due sensori fine corsa di tipo switch SPST- NO, come specificato nella Figura 50, in aggiunta all’encoder rotativo incrementale. Questi due sensori fungono da limit switch aggiuntivi ai fine corsa propri del sistema e descritti nel paragrafo 5.1.11.

Figura 50 – Connessione di limit switch al modulo encoder