Regolazione anello corrente, velocità e posizione

[tecfil]

Ciao a tutti!

Ho un dubbio per quanto riguarda il controllo di un motore brushless di un robot, nello specifico un cartesiano. Sui libri di teoria ho letto che il motore brushless viene comandato in corrente, mentre per il controllo di posizione e velocità del robot si utilizza un controllo in cascata composto da due anelli, quello interno di velocità mentre quello esterno di posizione, come mostrato nello schema allegato.

anello_corrente.PNG (11.55 KiB) Osservato 11349 volte

Ma se volessi rappresentare uno schema completo con anche l'anello di corrente, è giusto modificare lo schema aggiungendo il terzo anello più interno di corrente, poi anello di velocità e infine anello di posizione? perché avrei bisogno di creare lo schema generale in cui un motore brushless mi controlla l'asse di un robot cartesiano, quindi volevo avere lo schema completo con controllo di posizione e velocità più quello dedicato all'anello di corrente

Grazie
Buona giornata
Ciao!

[EcoTan]

Non intervengo per rispondere alla tua domanda ma devo un po' sbottare.
Il sottoscritto ha realizzato dei robottini, non cartesiani ma soltanto giocattolini, in cui i motori BLDC vengono azionati direttamente dal programma in modalità passo-passo. Il motore BLDC sembra fatto apposta per questo, è macchinoso comandarlo prima come se dovesse spingere sù un drone e poi controllarne la posizione.
https://www.youtube.com/watch?v=_1QMXIu1g0g
https://www.youtube.com/watch?v=nXWud_xSuTQ

[tecfil]

Ciao!
Ho visto il video ed è interessante, però nella mia applicazione il controllo viene fatto mediante un motore brushless con montato un drive per la chiusura degli anelli, quindi devo modellizzare quella specifica applicazione

Grazie lo stesso

[MarcoD]

Ma se volessi rappresentare uno schema completo con anche l'anello di corrente, è giusto modificare lo schema aggiungendo il terzo anello più interno di corrente, poi anello di velocità e infine anello di posizione?

Penso di si.

...avrei bisogno di creare lo schema generale in cui un motore brushless mi controlla l'asse di un robot cartesiano, quindi volevo avere lo schema completo con controllo di posizione e velocità più quello dedicato all'anello di corrente

E ' una domanda o una affermazione ?

Una mia domanda: cosa è un robot cartesiano ?
Un controllo di posizione su tre assi ortogonali?
Un robot che pensa e quindi esiste?

[SandroCalligaro]

Confermo che è possibile modellare tutti gli anelli di controllo, compreso quello di corrente.
Se questo ti serva o meno, dipende dai casi. In particolare, se l'anello di corrente è tarato correttamente, puoi considerare il suo effetto (cioè la funzione di trasferimento tra riferimento di coppia e coppia effettiva) come un passa-basso. Se poi le prestazioni dinamiche che ti occorrono non sono molto spinte, potresti anche trascurare la limitazione di banda introdotta dall'anello di corrente.

Secondo me sarebbe meglio se chiarissi esattamente qual è l'hardware che devi considerare, anche perché, se vuoi andare nei dettagli (cosa che ha senso se vuoi spremere il massimo in termini di dinamica) bisogna tener conto dei ritardi dovuti sia al controllo digitale che all'attuazione, che quasi sempre è PWM.

Non intervengo per rispondere alla tua domanda ma devo un po' sbottare.
Il sottoscritto ha realizzato dei robottini, non cartesiani ma soltanto giocattolini, in cui i motori BLDC vengono azionati direttamente dal programma in modalità passo-passo. Il motore BLDC sembra fatto apposta per questo, è macchinoso comandarlo prima come se dovesse spingere sù un drone e poi controllarne la posizione.

Vorrei sbottare anch'io, ma provo a contenermi
Per prima cosa, credo che stiate parlando di applicazioni e di motori/controlli totalmente diversi.
Senza nulla togliere al robottino (che, per inciso, mi piace), il controllo di un robot cartesiano potrebbe richiedere precisioni e dinamiche molto superiori. Con "precisione" intendo anche ridotte oscillazioni durante il movimento (cioè un movimento "liscio").

Purtroppo c'è molta confusione sul termine "brushless", specie associato a "DC". I motori "brushless DC" sono pensati per applicazioni in controllo di velocità (o addirittura "senza controllo"), non a velocità bassa o da fermo.
In realtà, la confusione nasce principalmente dal fatto che il controllo "brushless DC" (che prevede di commutare la corrente o la tensione tra le fasi ad onda quadra) dovrebbe essere applicato, a rigore, a motori con tensione indotta (back-EMF) trapezoidale. In realtà funziona, con un ripple di coppia relativamente alto, anche per motori con back-EMF sinusoidale.
Quindi, molti motori chiamati "brushless DC" in realtà sono dei motori sincroni a magneti permanenti superficiali (Surface Mount - Permanent Magnet Synchronous Motor) sinusoidali, proprio come i motori chiamati "brushless AC" o semplicemente "brushless" ed usati in automazione e robotica. Ci possono essere, ovviamente, variazioni costruttive, come ad esempio l'avvolgimento sul dente (comune nei "brushless DC") invece che distribuito, e quindi anche prestazioni diverse in termini di ripple di coppia o altro, ma il principio di funzionamento e le modalità di controllo applicabili sono le stesse.

I motori "brushless" (AC) utilizzati per controllo di posizione sono per la stragrande maggioranza trifase e vengono controllati con correnti sinusoidali, utilizzando l'informazione sulla posizione proveniente da un sensore (Field Oriented Control, FOC). In sostanza, lavorando in un sistema di coordinate trasformato (due assi ortogonali, di cui uno, l'asse diretto o "d", allineato con l'asse magnetico del rotore), si ottiene una caratteristica molto interessante: la coppia prodotta dipende dalla corrente dell'asse in quadratura, "q". Quindi controllare la corrente equivale a controllare la coppia.
Questo tipo di controllo costituisce l'anello più interno del controllo (in pratica l'anello di corrente e quindi di coppia). E' grazie a questo tipo di controllo che, su motori ben progettati ed insieme ad anelli esterni (posizione, velocità) ben costruiti e tarati, si ottengono le straordinarie prestazioni dinamiche e di precisione dei robot e di altri macchinari industriali.

A mio parere, controllare un motore "brushless", "DC" o "AC" (abbiamo detto che si tratta in realtà di macchine molto simili) in anello aperto, a passo, come fosse uno stepper, non è una scelta ottimale, specie per un controllo di posizione. Prima di tutto perché le prestazioni non sono granché, in pratica occorre sovradimensionare il motore. Poi perché converrebbe usare un motore molto simile come principio di funzionamento, ma progettato per quell'uso, cioè proprio lo stepper.

[SandroCalligaro]

Una mia domanda: cosa è un robot cartesiano ?
Un controllo di posizione su tre assi ortogonali?
Un robot che pensa e quindi esiste?

E' quello che hai immaginato: un robot che ha assi ortogonali.

[EcoTan]

come fosse uno stepper, non è una scelta ottimale, specie per un controllo di posizione.

OK, grazie per il parere. Nel mio caso era più facile ed economico rimediare un brushless in un negozio di modellismo che uno stepper su catalogo. E poi non conoscendo entrambi volevo fare qualcosa a modo mio, pare che funziona bene e funzionerebbe ancora meglio con una demoltiplica.

[tecfil]

Ciao!

Confermo che è possibile modellare tutti gli anelli di controllo, compreso quello di corrente.
Se questo ti serva o meno, dipende dai casi. In particolare, se l'anello di corrente è tarato correttamente, puoi considerare il suo effetto (cioè la funzione di trasferimento tra riferimento di coppia e coppia effettiva) come un passa-basso. Se poi le prestazioni dinamiche che ti occorrono non sono molto spinte, potresti anche trascurare la limitazione di banda introdotta dall'anello di corrente.
....

Grazie mille per la risposta molto completa. L'hardware utilizzato è composto da un controllore che gestisce 3 motori uno per ogni singolo asse. Sui motori è presente un drive che si occupa di chiudere tutti gli anelli (corrente, posizione, velocità). La parte della dinamica mi interessa in quanto sulla macchina dovranno essere eseguiti dei test per stimare alcuni parametri incogniti, ad esempio gli attriti, e vedere che influenza hanno sul moto. La posizione dell'albero del motore viene letta mediante un encoder interno, mentre la velocità invece viene derivata numericamente dalla posizione.

Inoltre attualmente il motore viene utilizzato con tutti i parametri del PID ricavati mediante autotuning senza meccanica collegata.

Avrei ancora una domanda per quanto riguarda lo schema di controllo con gli anelli, non riesco a capire una cosa!
Ho inserito nello schema il terzo anello, quello di corrente, intero prima di quello di velocità e posizione. In ingresso ho che è la posizione desiderata, in uscita da tutto ho che è la posizione finale. Dopo il blocco PID ho come uscita la velocità , ma in uscita dal secondo blocco PID di controllo ottengo il valore della coppia giusto? Invece dopo il regolatore R ho la coppia reale a cui viene sottratta quella resistiva. Così come è disegnato lo schema può andare bene?

Sorgente FidoCadJ | Ingrandisci | Cos'è Fidocad

Una mia domanda: cosa è un robot cartesiano ?
Un controllo di posizione su tre assi ortogonali?
Un robot che pensa e quindi esiste?

Si un robot che ha i 3 assi ortogonali, solitamente realizzato con motori lineari, nel mio caso invece con motori rotativi e conversione successiva del moto da rotativo a lineare!

Grazie mille per l'aiuto, purtroppo sugli schemi a blocchi faccio ogni volta un sacco di fatica a ricavarli corretti
Ciao!

[MarcoD]

Secondo me, la Cm e Cr devono essere all' esterno (dopo) dell'anello di corrente.
Non viene esplicitato l' anello della tensione contro elettromotrice proporzionale alla velocità.
Non distingui fra controllo e impianto (il motore ).
Si tiene conto dell' induttanza degli avvolgimenti?
Verifica la congruenza delle unità di misura nei nidi sottrazioni.
Ora scrivo dal telefonino e fatico a scrivere.
Sentiamo Franco Calligaro, più esperto di me.

[tecfil]

Ciao!

Ho provato a controllare quindi dici che le Cm e le Cr devo spostarle dopo l'anelli di corrente? Dentro l'anello resta solo la R e la G(s)? Con R intendo il regolatore, quindi il PID utilizzato

Grazie
Ciao!