Il sistema brushless, principi operativi, particolarità e limitazioni

Ogni azionamento brushless è composto da un amplificatore elettronico, un motore ed almeno un sensore di rotazione. Il motore agisce esclusivamente come generatore di forza; l'effetto prodotto da tale forza viene misurato dal sensore; l'elettronica confronta l'effetto con il risultato desiderato e modifica la forza espressa dal motore per raggiungere il risultato voluto.

Per esempio, in una applicazione in cui sia richiesta una velocità costante, l'elettronica aumenta gradualmente la coppia erogata dal motore sino a quando il sensore non rileva una velocità pari a quella richiesta. Se il carico aumenta improvvisamente, la velocità scende, il sensore rileva tale diminuzione e l'elettronica aumenta la coppia erogata in modo da riportare il motore alla velocità originalmente impostata.
Di conseguenza:

  • la precisione di velocità è pressoché indipendente dal carico e del tutto indipendente dal motore, ma dipende solo dalla qualità del sensore e dalle regolazioni dell'elettronica;
  • il tempo impiegato per reagire a variazioni del carico dipende anch'esso in modo critico dalla velocità di acquisizione del segnale del sensore e dalla regolazione dell'elettronica.

I sistemi brushless moderni possono raggiungere tempi di reazione di qualche millisecondo, e quindi offrono prestazioni elevate; molto spesso, tuttavia, tali prestazioni sono limitate proprio dai tempi di risposta meccanici del sistema; per utilizzare le nuove prestazioni è quindi necessaria una evoluzione del progetto meccanico delle applicazioni.

A titolo di esempio, si consideri un azionamento a velocità costante come quello dell'esempio precedente. Se il motore è accoppiato al carico tramite una cinghia dentata, esiste una elasticità tra l'asse motore e quello del carico. Se si ipotizza che il carico abbia un'inerzia significativa, e se si analizzano i primi istanti del movimento, si può immaginare la seguente sequenza:

  1. l'elettronica eroga una corrente ed il motore inizia una rotazione, caricando l'elasticità del sistema e quindi non movendo l'inerzia del carico;
  2. se l'elettronica è veloce, già in questa fase essa rileva che il motore ha raggiunto una velocità superiore al previsto e riduce la coppia; 
  3. allo stesso tempo, la cinghia si tende e rallenta il motore, riducendone la velocità;
  4. l'effetto combinato della riduzione della coppia e dell'accelerazione del carico attraverso la cinghia fanno sì che la tensione della cinghia scenda;
  5. l'elettronica nota la riduzione di velocità ed aumenta la coppia del motore, ricominciando un ciclo.

Si è quindi generato un fenomeno oscillante, in cui il motore ed il carico continuano ad accelerare e rallentare. In pratica, si osserva una vibrazione ed una elevata rumorosità. Un osservatore superficiale attribuirebbe questo fenomeno ad un motore rumoroso; tale convinzione, poi, sarebbe rafforzata dalla scoperta che sostituendo il motore con altro di minori prestazioni, e cioè dalla risposta più lenta, la rumorosità viene talvolta eliminata.

Dall'analisi intuitiva di quanto sopra è invece facile comprendere che:

  1. il fenomeno è da attribuire al disaccordo tra l'elasticità del sistema e la regolazione dell'elettronica; in pratica, il motore reagisce con una velocità paragonabile al tempo di reazione, o di presa di carico, della meccanica;
  2. le soluzioni possibili sono:
  • ridurre l'elasticità del sistema, e quindi accelerare il tempo di presa di carico della meccanica, per es. sostituendo la cinghia con ingranaggi;
  • rallentare il tempo di risposta del sistema motore-elettronica, rinunciando ad una quota di prestazioni possibili.

Naturalmente la seconda soluzione degrada la qualità della macchina, perché aumenta il tempo impiegato a raggiungere la posizione o la velocità voluta, in altre parole riduce la capacità del motore di reagire a disturbi e carichi improvvisi. Si noti che motori di tecnologia inferiore, e cioè più grandi e lenti, sopperiscono alla mancanza di velocità con una inerzia considerevole; il motore brushless, invece, avendo inerzia ridottissima deve, almeno in certi casi, essere azionato con velocità sufficiente, pena un elevato degrado di prestazioni.

Sulla linea dell'esempio esposto, è facilmente intuibile il comportamento di un sistema brushless in presenza di giochi meccanici, per esempio una chiavetta; per questo motivo, i motori brushless di migliore qualità sono realizzati con albero liscio e vanno accoppiati ad interferenza per mezzo di un calettatore. I soli giunti flessibili adeguati alla dinamica, inoltre, sono quelli a soffietto metallico.

Le considerazioni sin qui esposte conducono ad una importante osservazione:

mentre le motorizzazioni tradizionali (motori C.C. e P.M.) costituivano generalmente, con la loro inerzia, il limite alle prestazioni dinamiche del sistema azionato, le superiori prestazioni dei motori brushless fanno sì che, assai frequentemente, il limite dinamico del sistema sia determinato dalla stessa meccanica che viene azionata.

È quindi molto più importante che con altre motorizzazioni, capire e razionalizzare la meccanica del sistema per realizzare applicazioni efficaci.

Dall'esempio esposto si possono trarre alcune altre osservazioni:

  • la precisione dipende non dal motore ma dal sensore;
  • la velocità di risposta e quindi la capacità di inseguire il riferimento con precisione, dipendono in modo critico dalla rigidezza della trasmissione.

Il problema di rumorosità talvolta evidenziato dal sistema non dipende né dal motore né dall'elettronica, ma spesso da una meccanica grossolana e quindi inadatta alle prestazioni del brushless; in effetti, la stessa meccanica non avrebbe originato problemi con un motore più lento e di tecnologia meno avanzata; il rumore del motore è causato dalle continue accelerazioni e frenate; in queste condizioni è altresì probabile un surriscaldamento del motore, non attribuibile ad un insufficiente dimensionamento dello stesso.

Poiché la dinamica del sistema è fondamentale per il dimensionamento dei motori, è opportuno definire la stessa in maggiore dettaglio.

La dinamica si compone di due elementi:

  • capacità di imprimere accelerazioni più o meno elevate al carico, che dipende esclusivamente dal rapporto coppia/momento d'inerzia del motore; tale caratteristica si chiama talvolta "banda passante a grandi segnali";
  • banda passante al controllo, tanto più alta quanto più è ridotto il tempo impiegato dall'anello di retroazione dell'azionamento per stabilizzarsi al valore voluto. Questo parametro dipende in modo critico dalla meccanica. Per realizzare un sistema stabile non è possibile stabilizzare l'elettronica prima di un tempo pari a 2-3 volte il tempo di smorzamento di tutte le oscillazioni proprie della meccanica del sistema azionato.

A titolo di esempio, si supponga di voler realizzare l'asse di una roditrice, volendo operare a 10 battute al secondo in posizioni continuamente aggiornate da un controllo numerico veloce.
Se il sistema di trasmissione tra il motore ed il pezzo (giunto, vite, supporti ecc.) ha una frequenza di risonanza meccanica pari a 50Hz, ed oscilla quindi in un tempo di 20 millisecondi, non sarà possibile stabilizzare il sistema in meno di 3x20 msec, e cioè 60 msec. Questo lascia soltanto 40 msec. del ciclo totale per la battuta e per tutto il movimento. L'applicazione è probabilmente impossibile, indipendentemente dal motore adottato. Se invece si perfeziona la meccanica, irrigidendo i giunti, maggiorando la vite ecc. fino a portare la frequenza di risonanza della meccanica a 100Hz, è possibile attendersi un tempo di stabilizzazione dell'azionamento in 30 msec, lasciandone 70 per battuta e movimento. L'applicazione comincia ad essere realizzabile.

Dichiarazione di conformità CE

Riferita a EC Low Voltage Directive 73/23/CEE

Si certifica che i motori della serie ULTRACT e LYRA sono progettati, costruiti e testati in conformità alla EC Low Voltage Directive 73/23/CEE sotto la responsabilità di:

R.C.V. s.r.l.
V. Cavour, 7 z.i.
10070 ROBASSOMERO (TO)

Gli standard applicati sono i seguenti:

IEC 72/1, 34/1, 34/5, 34/11
EN 60034 - 1 + VAR A1 + VAR A2
EN 60529
EN 50262
CEE 73/23

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