I complessi sistemi di automazione in cui un elevato numero di assi interagisce fra loro (si pensi alle macchine utensili, alle pick and place, ai sistemi di package e in generale alla robotica industriale), necessitano sempre più di soluzioni e architetture innovative in grado di massimizzare l'efficienza e aumentare la flessibilità. La decentralizzazione dei sistemi di controllo e di sensing, attraverso l'utilizzo di dispositivi e sistemi meccatronici appositamente ideati, consente l'introduzione di questi aspetti innovativi e una diminuzione dei costi di cablaggio e manutenzione. In questo articolo viene presentata una soluzione di STMicroelectronics costituita da azionamento integrabile nei motori trifase di tipo brushless.
Un approccio centralizzato
Le macchine automatiche che usano un numero elevato di assi da sincronizzare mettono sempre più in luce i problemi di debolezza legati all'utilizzo di complessi sistemi di cablaggio. Infatti, l'approccio standard per il controllo di questi sistemi multi-asse prevede una installazione di tipo centralizzata in cui tutte le schede elettroniche, sia di controllo sia di potenza, sono localizzate all'interno di un unico cabinet. Si parla principalmente di motori brushless con potenze in gioco per ogni singolo azionamento che possono andare dai pochi kW sino a decine di kW con tensioni di alimentazione sino a 800 Vdc. L'approccio centralizzato ha sempre avuto il vantaggio di avere un unico punto di accesso all'elettronica e quindi di localizzare i sistemi di raffreddamento in un unico punto, nonché di evitare l'interazione uomo-macchina nel caso di manutenzione del sistema elettronico; inoltre i complessi software sviluppati per il controllo multi-asse, lavorando con associazioni a memoria condivisa, sono agevolati dalla centralizzazione di tutte le schede, facendo si che i vari Dsp di controllo interagiscano su un unico bus di memoria condivisa. Genericamente si individua una generazione di traiettoria generata da un master e dei controlli di velocità posizione e corrente elaborati dagli azionamenti. Questa soluzione però comporta l'utilizzo di almeno due cavi per ogni azionamento (un primo cavo per portare i segnali di alimentazione ed un secondo per i segnali dell'encoder). Considerando il numero elevato di motori presenti in alcuni macchinari, il numero di cavi può essere facilmente superiore a venti e, oltre a rappresentare un punto debole dal punto di vista dell'affidabilità, i cavi e i connettori hanno anche un impatto notevole sul costo totale del sistema; infatti i cavi in questione dovranno essere opportunamente schermati ed i connettori adeguati al grado di protezione richiesto. A tutto questo va anche aggiunto che il costo di questi elementi è legato alle notevoli fluttuazioni del mercato del rame. Inoltre l'adozione di questa metodologia comporta la realizzazione di soluzioni con ingombri meccanici notevoli (dissipatore, ventole, armadio). Il passo evolutivo cui si tende è l'adozione di sistemi distribuiti, in cui l'elettronica (sia essa di potenza che logica) non risiede più in un unico punto lontano dalla macchina ma è integrata nella macchina stessa. Questa spinta oltre ad essere una naturale evoluzione tecnologica è anche un'esigenza di mercato che spinge per l'utilizzo di motori con azionamenti integrati allo scopo di ridurre la potenza installata nella macchina stessa e ovviamente ridurre gli ingombri dei cabinet e dei cablaggi. L'integrazione di azionamento e motore comporta l'utilizzo di soluzioni con un grado di robustezza e affidabilità superiore rispetto alle soluzioni classifiche; infatti la presenza di vibrazioni e di temperature elevate (la carcassa di un motore brushless può facilmente superare gli 80°C) causa un notevole stress agli elementi elettronici. Inoltre la decentralizzazione dell'architettura e quindi la distribuzione delle unità di controllo nella macchina, comporta l'introduzione di nuovi bus di comunicazioni real-time con elevato throughput, poiché la stessa quantità di dati che in una architettura centralizzata è ripartita attraverso un meccanismo di condivisione di memoria, in una architettura distribuita deve viaggiare su un bus ed essere disponibile con gli stessi tempi di latenza ai vari azionamenti.
Un'innovativa soluzione meccatronica
Il modulo di STMicroelectronics denominato SPIMD20 appartiene alla famiglia degli Asim (Application Specific Integrated Module). Rappresenta un'innovativa soluzione meccatronica in cui sono integrati dispositivi in package, die, parti meccaniche e anche software dedicati. Esso consente di realizzare soluzioni di motion control decentralizzate, con i vantaggi di riduzione dei costi di cablaggio, miglioramento dei tempi d'intervento e agevolazione nella modularità della soluzione consentendo di aggiungere o eliminare un azionamento senza intervenire nel cabinet centrale. L'SPIMD20 rappresenta un'innovazione in questo settore in quanto può essere considerato il primo “mattone” da usare per realizzare questo tipo di soluzioni, consentendo una facile integrazione nei motori elettrici già esistenti. In un modulo compatto e robusto, viene offerto un completo azionamento industriale, che include un ponte trifase ad Igbt, un'unità di controllo e l'interfaccia di comunicazione basata su Industrial Ethernet, il tutto pronto per essere integrato in qualsiasi motore tri-fase brushless sino a taglie di 6Nm. Il modulo è studiato per essere collocato sopra la carcassa del motore; il design consente di lavorare sfruttando la piena funzionalità del drive pur essendo la temperatura del corpo motore sino a 100°C. La parte logica del sistema è costituita da un'unità computazionale con due microcontrollori della famiglia STM32 con core Cortex Arm-M3 (con capacità computazionale di 90 Mips). L'uso di due microcontrollori consente una facile suddivisione dei task di controllo motore e connettività, L'intercomunicazione delle due unità è agevolata mediante l'uso di un sistema di memoria condivisa. Inoltre questa configurazione bi-processore è facilmente usabile anche per la safety (in quanto le operazioni critiche possono essere controllate in modo indipendente dai due processori). Il sistema nasce per adoperare tecniche di controllo vettoriale a orientamento di campo (FOC) allo scopo di ottimizzare l'efficienza nei transitori, consentendo un preciso e reattivo controllo in velocità al variare del carico e quindi un controllo in posizione. Oltre ai due microcontrollori è presente una Fpga, che consente una facile implementazione di diversi fieldbus, mentre due connessioni Ethernet disponibili agevolano la realizzazione di diverse configurazioni di rete (Daisy chain, Stella, ecc). La realizzazione della rete tipo industrial Ethernet, in cui sono presenti diversi azionamenti e un master, passa attraverso l'uso di un cavo ibrido in cui sono presenti le connessioni Ethernet, oltre alla alimentazione del drive.. In questo caso il master potrà essere collegato tramite un solo cavo a tutti agli azionamenti, risultando particolarmente efficiente in soluzioni meccaniche complesse (ad esempio i robot industriali). Questa implementazione consente una riduzione della complessità del cablaggio che può arrivare anche al 60%. Il modulo SPIMD20 può lavorare con trasduttori di posizione tipo digitali (ad esempio Endat 2.1,2.2, Hyperface DSL) e anche Resolver. Tutta l'architettura che sta alla base è indicata per la compatibilità con le più importanti funzioni di safety della EN 51800-5-2. In particolare l'implementazione in hardware della disabilitazione sicura della coppia, risulta un elemento distintivo per questa famiglia di azionamenti. Inoltre altri requisiti di sicurezza sono facilmente implementabili sfruttando la potenzialità dell'SPIMD20 di lavorare anche con un Dc Bus minimo di 48 V. Lo stadio di potenza è realizzato mediante Igbt a 1200 V opportunamente dimensionati e pilotati con driver dedicati con funzionalità avanzate di protezione (desaturazione, active Miller clamp) questo consente di sopportare condizioni abnormi di funzionamento quali gli stalli. Inoltre il particolare design della parte di potenza, che prevede il sezionamento delle parti calde e l'utilizzo di materiali con elevata conducibilità termica, consente un efficace smaltimento del calore e quindi la minimizzazione del de-rating del motore a cui è accoppiato il modulo. Inoltre il modulo SPIMD20 è in grado di pilotare anche il freno di stazionamento a 24 V, mentre l'eventuale usura del motore può essere valutata mediate la presenza di un accelerometro biassiale. Le dimensioni compatte del modulo (165 x 60 x 26 mm) e il peso contenuto (meno di 500 g) consentono l'accoppiamento dello stesso anche con motori di taglia piccola (ad esempio sezioni 60 x 60 mm). La tensione di ingresso Dc può operare sino a 800 V di bus Dc consentendo al modulo di erogare correnti medie di oltre 6A (con picchi anche di 20A), lavorando con una temperatura di motore di 100°C. Oltre alla connettività su base Ethernet Real-time, sono presenti due connessioni tipo Can e una RS232; inoltre il modulo può essere interfacciato con schede di memoria esterna (mediante canale Spi). Una serie di I/O è inoltre disponibile per il controllo di eventuali dispositivi a bordo motore. Il modulo è corredato di un firmware base che offre il controllo di coppia e velocità mediante algoritmo a orientamento di campo, filtri digitali passa basso e notch, sincronizzazione attraverso il fieldbus, connettività Ethercat (CoE DSP402) e CanOpen (DS301.DPS402), interfacciamento con Endat 2.1 e 2.2 e Resolver, nonché la funzionalità di autocalibrazione dei parametri di controllo. Inoltre STMicroelectronics fornisce un kit di valutazione che comprende tutti gli strumenti (schede di interfaccia, connettori, cavi, manuali utente, software, ecc.) per consentire la valutazione del modulo interfacciandolo direttamente con il motore.
