Che cos’è un motion controller? Sintesi tecnica sulla trasmissione del moto

Il Motion Controller

Il controllore di moto è la “mente” di ogni sistema di controllo del movimento. Nei sistemi a feedback invia un comando verso l’azionamento, lo confronta con il segnale di feedback del motore e introduce l’azione correttiva necessaria per allineare il segnale di output (posizione desiderata) a quello di input (posizione attuale), idealmente con minimo errore. Il motion controller definisce inoltre le traiettorie che il motore deve seguire per realizzare i comandi immessi. È noto anche come profilo del moto, ove con profilo s’intende una sequenza di comandi di posizione in funzione del tempo, che indica al motore dove posizionare il carico e con quale velocità. Il motion controller utilizza le traiettorie create per generare adeguati comandi di coppia, o di velocità, che vengono quindi trasmessi al drive che aziona il motore. In considerazione dell’elevato volume di dati da elaborare, il motion controller si serve per questa funzione di un processore di segnale digitale (o digital signal processor, da cui la sigla DSP). I DSP sono appositamente concepiti per eseguire operazioni matematiche in maniera rapida ed efficiente, e sono in grado di gestire meglio l’elaborazione algoritmica. Numerosi sono i profili comuni del moto, tra cui profili trapezoidali, a rampa, triangolari e polinomiali complessi. Ciascuno di essi viene impiegato in determinate condizioni e situazioni in cui è richiesto quel tipo di movimento. Per esempio, un profilo trapezoidale è caratterizzato da accelerazione, velocità e decelerazione costanti, il grafico della velocità in funzione del tempo presenta una forma trapezoidale. I motion controller sfruttano il segnale di errore, tra posizione attuale e posizione comandata, per compiere le opportune correzioni del segnale inviato al driver. La più semplice è nota come controllo proporzionale (P), che esprime un guadagno proporzionale all’errore. Normalmente viene aggiunta un’azione derivativa (nota come D) o un’azione integrale (I). La combinazione così ottenuta, nota come PID, costituisce uno degli algoritmi di controllo più comuni ed efficienti.

Dal punto di vista pratico, sono disponibili motion controller di svariate dimensioni e tipologie. Si suddividono generalmente in tre categorie: controller stand-alone, PC-based e microcontroller singoli. Nel primo caso si tratta di sistemi autonomi montati in un cabinet comprendente tutti i componenti elettronici necessari, alimentazione e connessioni esterne. Questo tipo di controller, che può essere integrato in una macchina, è dedicato a un’applicazione di motion control a uno o più assi.

I controller basati su PC sono installati nella scheda madre di un PC normale o industriale. Si tratta essenzialmente di schede di elaborazione in grado di generare ed eseguire profili di moto. Il vantaggio dei controller PC-based è costituito dall’interfaccia utente grafica pronta all’uso, che semplifica enormemente la programmazione e regolazione.

Infine vi sono i microcontroller, con input di feedback dal motore e output verso al driver. Se da un lato questo tipo di controller è relativamente economico, e offre ai progettisti l’accesso al sistema a livello di firmware, dall’altro può richiedere buone capacità di programmazione per la configurazione e implementazione.

PLC

I PLC (in inglese programmable logic controller) sono controller programmabili altamente specializzati basati su microprocessore impiegati per gestire un’applicazione specifica su una macchina o un processo. Vengono utilizzati nell’ambito dell’automazione e della produzione per controllare le linee di montaggio e i macchinari di fabbrica e molti altri tipi di attrezzature meccaniche, elettriche ed elettroniche degli impianti. I componenti fondamentali del PLC comprendono il processore, moduli I/O per l’elaborazione dei segnali di input al controller e di output ai dispositivi controllati e un qualsiasi tipo di interfaccia utente, che può essere semplicemente costituita da una tastiera, un touch screen o un link di programmazione tramite PC. Il processore del PLC è programmabile mediante l’interfaccia utente. I moduli I/O vengono utilizzati per trasmettere i segnali d’ingresso alla CPU del PLC e i segnali in uscita ai dispositivi controllati che possono essere costituiti, tra gli altri, da motori, valvole, sensori e attuatori. Una nota finale: un aspetto importante di ogni PLC è il tempo di scansione, ossia il tempo impiegato dal PLC per eseguire il programma ricevendo dati in ingresso e aggiornando i dati in uscita. Generalmente non supera pochi millisecondi, ma può durare anche molto più a lungo in base alla lunghezza del programma e alla velocità del processore. Tempi di scansione prolungati possono gestire processi con richieste in tempo reale superiori a quelle di applicazioni tradizionali più lente, in cui la velocità di scansione non è un fattore critico.