Servoazionamento vs. Inverter: qual è la differenza?

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Sia il servoazionamento che l'inverter convertono l'energia elettrica in movimento controllato di un motore, ma vengono generalmente scelti per applicazioni diverse.

UN servoazionamento È progettato come parte di un sistema di movimentazione a circuito chiuso. Utilizza continuamente il feedback di un encoder o di un altro sensore di posizione per controllare la posizione, la velocità e la coppia del motore. È ideale quando la macchina deve spostarsi in una posizione definita, seguire un profilo di movimento, sincronizzarsi con un altro asse o reagire rapidamente a un carico variabile.

UN invertitore, Un variatore di frequenza, chiamato anche variatore di velocità (VFD) o azionamento a corrente alternata (AC), viene utilizzato principalmente per controllare la velocità e la coppia di un motore modificando la frequenza e la tensione di alimentazione. Il suo utilizzo è consigliato quando l'esigenza principale è un funzionamento efficiente e a velocità regolabile di un trasportatore, una pompa, un ventilatore, un miscelatore, un compressore, un mandrino o un altro carico rotante.

Questa è la differenza pratica, ma non rappresenta un limite tecnico assoluto. Gli inverter vettoriali moderni possono utilizzare il feedback dell'encoder, controllare la coppia ed eseguire un posizionamento limitato. Anche i servoazionamenti contengono uno stadio di potenza inverter e possono funzionare in modo continuo in modalità velocità o coppia. La scelta corretta dipende dai requisiti di movimento, non dall'etichetta presente sull'azionamento.

Questo articolo spiega in cosa differiscono le due tecnologie, dove si sovrappongono e come scegliere quella più adatta senza pagare per prestazioni che la macchina non è in grado di utilizzare o accettare un controllo che la macchina non può garantire.

Azionamento servo vs. inverter in sintesi

Punto di selezione	Azionamento servo e servomotore	Inverter/VFD e motore CA
Scopo principale	Controllo preciso di posizione, velocità e coppia.	Velocità e coppia regolabili per apparecchiature rotanti
Feedback normale	L'encoder o resolver del motore fa parte del circuito di controllo.	Spesso senza sensori; il feedback dell'encoder è disponibile su azionamenti vettoriali adatti.
Struttura di controllo tipica	Cicli annidati di corrente, velocità e posizione	V/f, vettore senza sensori, controllo PM o vettore a circuito chiuso a seconda del modello
Posizionamento	Una funzione fondamentale del sistema servoassistito	Il posizionamento di base è possibile su alcuni modelli; non è universale
Risposta dinamica	Progettato per accelerazioni, decelerazioni e correzioni rapide delle perturbazioni.	Solitamente ottimizzato per un controllo fluido e stabile della velocità di macchine o processi.
Funzionamento a bassa velocità	Coppia elevata e controllata a velocità molto basse o nulle, entro i limiti del sistema.	Dipende fortemente dalla modalità di controllo, dal feedback dell'encoder, dal raffreddamento del motore e dalla potenza nominale dell'azionamento.
Motore	Solitamente un servomotore a magneti permanenti abbinato con feedback	Solitamente si tratta di un motore a induzione; molti inverter attuali supportano anche motori a magneti permanenti omologati.
Coppia a breve termine	I sistemi servoassistiti forniscono in genere una coppia di picco considerevole per l'accelerazione, in base alla curva coppia-velocità e al ciclo di lavoro.	La capacità di sovraccarico dipende dalla classificazione di coppia normale, pesante o costante e dalla durata consentita.
Sincronizzazione multiasse	Potenza nativa se abbinata a un controller di movimento e a una rete deterministica	Possibile su sistemi ad alte prestazioni, ma non è lo scopo principale di un VFD di base
Messa in servizio	Abbinamento del motore, configurazione dell'encoder, messa a punto, inerzia, profilo di movimento e meccanica	Dati del motore, modalità di controllo, accelerazione/decelerazione, I/O, limiti e parametri applicativi.
Costo tipico del sistema	Solitamente più alto perché il sistema include un motore abbinato, feedback, cavi e ingegneria del movimento.	Solitamente inferiore per applicazioni a velocità costante, soprattutto con motori CA standard.
Applicazioni comuni	Registrazione degli imballaggi, indicizzazione, robot, camme elettroniche, taglio volante, assi di alimentazione CNC, pick-and-place	Pompe, ventilatori, nastri trasportatori, miscelatori, estrusori, compressori, mandrini generici, apparecchiature di processo

La tabella descrive l'utilizzo tipico, non è una regola valida per ogni prodotto. Mitsubishi Il modello FR-E800, ad esempio, è in grado di fornire controllo vettoriale e posizionamento con le opzioni e la configurazione del motore richieste. Schneider ATV320 supporta il controllo ad anello aperto per diversi tipi di motore e offre funzioni macchina che vanno oltre il semplice controllo V/f. Confronta i modelli e le opzioni esatte prima di prendere una decisione definitiva.

Che cos'è un servoazionamento?

Un servoazionamento è il dispositivo di alimentazione e controllo che si interpone tra un controllore di movimento e un servomotore.

Il controllore invia un comando, ad esempio posizione, velocità o coppia target. Il servoazionamento fornisce al motore una corrente trifase controllata e legge il feedback dell'encoder. Calcola la differenza tra il movimento comandato e il movimento misurato, quindi corregge continuamente la corrente del motore.

Un tipico asse servoassistito industriale contiene:

Un PLC, PAC, CNC, controllore robot o controllore di movimento dedicato
Un servoazionamento, a volte chiamato servoamplificatore
Un servomotore rotativo, lineare o a trasmissione diretta compatibile
Un encoder o resolver, spesso integrato nel motore
Cavi di alimentazione del motore, di feedback e dei freni
Un giunto, un riduttore, una cinghia, una vite a ricircolo di sfere, una cremagliera o un carico meccanico diretto
Finecorsa, sensori di localizzazione e dispositivi di sicurezza ove necessario

I sistemi attuali spesso combinano dati di comando e diagnostica tramite EtherCAT, CC-Link IE TSN, PROFINET, EtherNet/IP con il controllo del movimento, SERCOS o una rete di controllo del movimento specifica del fornitore. I servoazionamenti a impulsi e a comando analogico sono ancora comuni su macchine autonome e di vecchia generazione.

L'attuale gamma MELSERVO-J5 di Mitsubishi Electric, ad esempio, supporta il controllo di posizione, velocità, coppia e il controllo completamente a circuito chiuso sulle versioni di amplificatori compatibili. Di Omron I sistemi servo 1S combinano la comunicazione EtherCAT con il feedback ad alta risoluzione dell'encoder. La gamma Lexium di Schneider è progettata per applicazioni di controllo del movimento ad alte prestazioni.

Il punto fondamentale è che un servoazionamento è solo una parte del sistema servoassistito. Le sue prestazioni dipendono dal motore, dall'encoder, dalla frequenza di aggiornamento del controllore, dalla rete, dalla taratura, dall'inerzia del carico, dall'accoppiamento, dal riduttore, dalla rigidità della macchina e dal profilo di movimento.

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Che cos'è un inverter o VFD?

Nell'automazione industriale, il termine inverter si riferisce solitamente a un azionamento a frequenza variabile. La conversione di potenza interna avviene tipicamente in tre fasi:

La corrente alternata in ingresso viene raddrizzata in corrente continua.
I condensatori creano e stabilizzano un bus in corrente continua.
I transistor di potenza commutano il bus CC in un'uscita CA trifase controllata.

Modificando la frequenza e la tensione di uscita, l'inverter controlla la velocità del motore e il flusso magnetico. Gli inverter più avanzati stimano o misurano le condizioni del motore per regolare velocità e coppia con maggiore precisione.

Le modalità di controllo VFD più comuni includono:

Controllo V/f: semplice conversione tensione-frequenza per carichi generici
Controllo vettoriale senza sensori: regolazione migliorata di coppia e velocità senza encoder del motore.
Controllo vettoriale a circuito chiuso: feedback dell'encoder per un controllo più preciso di velocità e coppia.
Controllo dei motori PM: algoritmi di controllo per motori a magneti permanenti supportati
Controllo dell'applicazione: funzioni quali PID, avviamento al volo, logica di frenatura, limiti di coppia, posizionamento semplice, avvolgimento o controllo della pompa.

Mitsubishi descrive gli inverter FREQROL come alimentatori a frequenza variabile per il controllo flessibile della velocità di motori trifase. L'attuale gamma FR-E800 supporta motori a induzione e motori a magneti permanenti omologati, con capacità di controllo che vanno dal controllo V/f al controllo vettoriale e al posizionamento nelle configurazioni applicabili. L'ATV320 di Schneider è un azionamento per macchine OEM per il controllo ad anello aperto di motori asincroni e sincroni, con funzioni vettoriali e applicative senza sensori.

Ecco perché "VFD equivale ad anello aperto" non è più una definizione affidabile. La distinzione più appropriata è che un VFD viene normalmente scelto in base al carico del motore, continuo o ciclico, mentre un sistema servoassistito viene scelto in base al profilo di movimento richiesto e alla precisione di inseguimento.

1. La differenza principale è l'obiettivo di controllo

La questione centrale è: la macchina necessita di velocità controllata o di movimento controllato?

Un variatore di frequenza (VFD) è generalmente responsabile del funzionamento di un motore alla velocità e alla coppia richieste. Se un nastro trasportatore deve funzionare a 35 Hz, il variatore accelera fino a raggiungere tale regime di funzionamento e lo mantiene costante al variare del carico. La macchina potrebbe non essere interessata all'esatta posizione angolare dell'albero motore.

Un asse servoassistito è generalmente responsabile del seguire una traiettoria. Se una tavola rotante deve ruotare di 90 gradi, stabilizzarsi entro un intervallo definito, attendere un'operazione e quindi indicizzare nuovamente, il controllore e la posizione del binario di azionamento vengono mantenuti costanti durante tutto il movimento. Accelerazione, velocità, decelerazione, jerk, limite di coppia ed errore di inseguimento sono tutti parametri importanti.

La differenza diventa evidente durante un disturbo. Se un carico spinge un asse servoassistito lontano dalla sua posizione comandata, il circuito di controllo rileva l'errore di posizione e applica una coppia correttiva entro i limiti del sistema. Un variatore di frequenza a velocità variabile può correggere la velocità, ma non necessariamente conosce o recupera la posizione persa esatta.

2. Il feedback modifica ciò che il sistema sa

Un servomotore ha normalmente un encoder o un resolver collegato direttamente all'azionamento. L'azionamento, quindi, conosce la posizione del rotore e può stimare o controllare velocità e coppia con un'ampia larghezza di banda.

Molti sistemi servoassistiti attuali utilizzano encoder assoluti. Un sistema assoluto può mantenere o ricostruire la posizione dell'asse tra un ciclo di alimentazione e l'altro, in base alla sua progettazione, configurazione e ai requisiti della batteria. Ciò può ridurre i tempi di azzeramento, ma non elimina la necessità di una logica di avvio sicura, di limiti di corsa o di una verifica meccanica.

Un inverter di base spesso funziona senza feedback del motore. Stima il comportamento del motore a partire dalla corrente, dalla tensione e dalla frequenza di uscita, nonché da un modello del motore. Questo è sufficiente per un gran numero di carichi industriali.

L'aggiunta di un encoder a un inverter vettoriale adatto migliora la regolazione a bassa velocità e il controllo della coppia. Può anche abilitare funzioni di posizionamento. Tuttavia, la sola presenza di un encoder non rende il sistema equivalente a un servomotore. La larghezza di banda dell'anello di controllo dell'azionamento, il pianificatore di posizione, la sincronizzazione di rete, l'inerzia del motore, l'interfaccia dell'encoder e la progettazione meccanica continuano a determinarne le prestazioni.

Ricordate inoltre che la risoluzione dell'encoder non è sinonimo di precisione della macchina. Il gioco meccanico, la conformità dell'accoppiamento, l'allungamento della cinghia, l'errore di passo della vite a ricircolo di sfere, la dilatazione termica, la rigidità del telaio e il montaggio del sensore possono influenzare notevolmente il risultato finale. Un encoder motore ad alta risoluzione non è in grado di rilevare il gioco dopo un riduttore flessibile, a meno che il sistema non utilizzi il feedback lato carico e supporti un controllo completamente a circuito chiuso.

3. I servomotori e i motori inverter hanno una progettazione diversa

Un servomotore CA industriale è generalmente un motore sincrono a magneti permanenti con un dispositivo di retroazione integrato. È progettato per una risposta rapida alla corrente, un'elevata densità di coppia, una bassa inerzia del rotore, un'accelerazione rapida e un funzionamento controllato su un'ampia gamma di velocità.

Un variatore di frequenza (VFD) controlla comunemente un motore a induzione standard o per applicazioni con inverter. Questi motori sono robusti, ampiamente disponibili ed economici su un'ampia gamma di potenza. Molti VFD moderni possono controllare anche specifici motori a magneti permanenti, ma è necessario verificare il tipo di motore approvato per il variatore e il metodo di regolazione.

La combinazione motore-azionamento è importante in entrambi i casi.

I servomotori e gli azionamenti vengono generalmente selezionati in coppia compatibile. Il protocollo dell'encoder, la tensione di feedback, i dati dei poli, il sensore di temperatura, il controllo del freno, la piedinatura del cavo e le costanti del motore devono corrispondere. Due motori con la stessa potenza nominale e la stessa forma del connettore non sono necessariamente intercambiabili.

Un inverter offre maggiore libertà di scelta tra motori standard compatibili, ma tale libertà ha comunque dei limiti. Verificare tensione, corrente nominale, frequenza di base, isolamento, raffreddamento, requisiti per aree pericolose, lunghezza del cavo, mitigazione della corrente nei cuscinetti e idoneità all'uso con inverter.

Non collegare un servomotore a un inverter generico solo perché tensione e potenza sembrano simili. Alcuni inverter avanzati possono controllare specifici servomotori a magneti permanenti, ma solo se l'algoritmo di controllo, la configurazione del feedback, i dati del motore, i limiti di velocità e le protezioni sono esplicitamente supportati.

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4. Intervallo di velocità e coppia a bassi regimi non sono la stessa cosa

Una pompa o una ventola raramente necessitano della coppia nominale a velocità zero. Un asse verticale, un indicizzatore, un rullo tenditore o un alimentatore per presse potrebbero invece richiedere una coppia considerevole durante il movimento lento o il mantenimento della posizione.

I servosistemi sono progettati per fornire una coppia controllata a velocità molto basse e possono produrre coppia a velocità zero entro i limiti continui e di picco della combinazione motore-azionamento selezionata. Restano validi la curva coppia-velocità del motore, l'avvolgimento, il modello termico, il raffreddamento e il ciclo di lavoro.

Un variatore di frequenza in modalità V/f normalmente perde qualità di coppia quando la velocità si avvicina a zero. Il controllo vettoriale senza sensori migliora sostanzialmente le prestazioni a bassa velocità. Il controllo vettoriale ad anello chiuso con encoder può fornire una coppia controllata a velocità pari o prossima a zero su sistemi idonei.

La questione ingegneristica non è "Può generare coppia?" bensì:

Quanta coppia continua è necessaria alla velocità minima?
Per quanto tempo deve rimanere o funzionare in quel luogo?
Il motore è autoraffreddato, ventilato separatamente o raffreddato a liquido?
Qual è la precisione di velocità richiesta quando il carico varia?
La posizione dell'albero è importante durante i periodi di bassa velocità?
Cosa succede dopo un'interruzione di corrente o un arresto di sicurezza?

Un motore che produce una coppia sufficiente a breve termine potrebbe comunque surriscaldarsi durante un funzionamento prolungato a bassa velocità. Verificare la zona di funzionamento consentita del motore anziché affidarsi alla specifica della corrente di picco dell'azionamento.

5. La risposta dinamica favorisce il sistema servoassistito

I sistemi servoassistiti vengono generalmente scelti quando la macchina richiede frequenti e rapidi cambiamenti di velocità o direzione.

Alcuni esempi includono:

Indicizzazione di una tavola rotante più volte al secondo
Correzione dell'allineamento della pellicola su una macchina confezionatrice
Seguendo un profilo di telecamera elettronica
Sincronizzazione di una taglierina con un nastro in movimento
Spostamento di un asse robotico lungo una traiettoria controllata
Avanzare un utensile in una determinata posizione e mantenerlo in posizione sotto l'azione di una forza variabile.

La bassa inerzia del servomotore e i rapidi cicli di corrente, velocità e posizione dell'azionamento consentono una correzione veloce. Il controllore di movimento genera una traiettoria che rispetta i limiti di velocità, accelerazione, decelerazione e, spesso, anche di jerk.

Un variatore di frequenza (VFD) può accelerare e decelerare rapidamente se dimensionato correttamente, soprattutto con controllo vettoriale e dispositivi di frenatura. Per molti trasportatori e mandrini, la sua risposta è più che sufficiente. Tuttavia, una rapida accelerazione e decelerazione non è la stessa cosa di un controllo del movimento ad alta larghezza di banda. Se l'applicazione ha un limite di errore di inseguimento ristretto o deve sincronizzare la posizione con un altro asse, è necessario testare la soluzione con VFD con il carico reale prima di standardizzarla.

6. Il posizionamento è dove la differenza diventa pratica

Se un asse deve arrestarsi ripetutamente in una posizione meccanica precisa, il servomeccanismo è solitamente la prima tecnologia da valutare.

I sistemi servoassistiti supportano il posizionamento tramite comandi a impulsi, tabelle di indicizzazione interne o comandi di movimento di rete, a seconda del modello. I controllori di movimento possono coordinare ingranaggi, camme, interpolazione, registrazione, azzeramento, acquisizione tramite sonda di contatto e sincronizzazione multiasse.

Alcuni moderni inverter supportano il posizionamento semplice tramite ingresso a impulsi, conteggio encoder, finecorsa o logica interna. Il modello FR-E800 di Mitsubishi, ad esempio, elenca il posizionamento con controllo vettoriale quando viene utilizzata l'apposita opzione di feedback. L'MX2-V2 di Omron include funzioni di posizionamento semplici.

Queste funzioni possono essere molto utili per:

Un nastro trasportatore che si muove tra un piccolo numero di stazioni
Una porta, un cancello o un meccanismo di trasferimento con una precisione modesta
Un sistema di avvolgimento o sollevamento che necessita già di un controllo vettoriale a circuito chiuso
Un intervento di ammodernamento in cui la sostituzione di un grande motore a induzione con un servomotore risulterebbe impraticabile.

Non si deve presumere che siano equivalenti a un asse servoassistito coordinato. Verificare la risoluzione di posizione, la ripetibilità, il tempo di assestamento, l'interfaccia di comando, il metodo di azzeramento, la frequenza massima degli impulsi, la posizione dell'encoder, il gioco meccanico e il comportamento dopo un'interruzione di corrente.

7. Il dimensionamento di coppia e potenza segue flussi di lavoro differenti

Dimensionamento di un inverter

Per un variatore di frequenza (VFD), iniziare con la corrente nominale del motore alla tensione di alimentazione effettiva. Quindi verificare:

Gestire la corrente di uscita continua entro il ciclo di lavoro selezionato.
Corrente di sovraccarico richiesta e durata
Caratteristica di carico a coppia costante o a coppia variabile
Temperatura ambiente, altitudine, frequenza portante e declassamento di montaggio
Coppia di avviamento e di strappo
Velocità minima continua e raffreddamento del motore
Energia di accelerazione e decelerazione
Resistenza di frenatura, unità di frenatura, bus CC comune o requisito di rigenerazione
Lunghezza del cavo del motore, compatibilità elettromagnetica (EMC), reattore di uscita e isolamento del motore.

Non scegliete un variatore di frequenza basandovi solo sulla potenza del motore in kilowatt. I variatori con la stessa potenza nominale possono avere correnti di funzionamento normali e correnti di funzionamento gravoso diverse.

Dimensionamento di un sistema servoassistito

Per un servomotore, si parte dal profilo di movimento e dalla meccanica. Si calcola o si simula:

Massa di carico e inerzia rotazionale
Rapporto di trasmissione, passo della vite, diametro della puleggia ed efficienza meccanica
Tempo di percorrenza, velocità, accelerazione, decelerazione e sosta richiesti.
Attrito, gravità, forza di processo e coppia di disturbo esterna
Coppia massima durante la parte più difficile del ciclo
Coppia RMS sull'intero ciclo ripetitivo
Velocità massima del motore e coppia disponibile a tale velocità
Rapporto di inerzia motore-carico e margine di regolazione
Energia rigenerata durante la decelerazione o l'abbassamento
Gioco del cambio, rigidità torsionale ed errore di posizionamento consentito

La coppia di picco indica se l'asse è in grado di eseguire il movimento. La coppia RMS indica se può ripetere il movimento senza surriscaldarsi. Entrambe devono rimanere entro i limiti di coppia, velocità e ciclo di lavoro specificati dal produttore.

Sovradimensionare un servomotore non significa automaticamente maggiore sicurezza. Un motore più grande può aumentare l'inerzia del rotore, rendere più difficile la regolazione e richiedere un azionamento, un cavo, un riduttore e un pannello di controllo più grandi. Selezionare il profilo di movimento, quindi convalidare l'asse con lo strumento di dimensionamento del produttore e con il progetto meccanico reale.

8. Frenata e rigenerazione si applicano a entrambi

Sia i sistemi VFD che quelli servoassistiti possono ricevere energia dal motore durante la decelerazione o quando un carico di sovraccarico aziona il motore.

Il bus CC può assorbire solo una quantità limitata di questa energia. A seconda del carico di lavoro, il sistema potrebbe necessitare di:

Un tempo di decelerazione più lungo
Una resistenza di frenatura esterna
Un'unità frenante separata
Un bus CC condiviso approvato dal produttore
Un convertitore rigenerativo o un azionamento rigenerativo

Le applicazioni servoassistite presentano spesso accelerazioni e decelerazioni cicliche aggressive, pertanto il recupero di energia è parte integrante del dimensionamento standard. Le applicazioni con azionamenti a frequenza variabile (VFD), come paranchi, centrifughe, nastri trasportatori in discesa, svolgitori e ventilatori ad alta inerzia, possono presentare lo stesso problema.

Una resistenza di frenatura non è un freno di stazionamento meccanico. Su un asse verticale, il freno, la coppia motrice, la sequenza di arresto, il comportamento STO, il controllore di sicurezza, il contrappeso e la valutazione del rischio devono essere progettati congiuntamente. Un freno di stazionamento del motore è generalmente concepito per mantenere un asse fermo, non per assorbire l'energia di frenatura ripetuta durante il servizio, a meno che il produttore non indichi esplicitamente il contrario.

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9. La comunicazione e la programmazione PLC sono diverse

Un inverter di base può spesso essere controllato con un ingresso di funzionamento e un riferimento di velocità analogico. Il controllo di rete aggiunge comandi vocali, riferimenti di velocità o coppia, stato dell'azionamento, corrente, frequenza e diagnostica dei guasti.

Un asse servoassistito necessita in genere di una sorgente di comando di movimento. A seconda dell'architettura, questa può essere:

Impulso e direzione
Treno di impulsi CW/CCW
Comando analogico di velocità o coppia
Tavolo di posizionamento interno
Rete di movimento deterministica controllata da un PLC, PAC, CNC o controllore robot

I nomi di rete da soli non dimostrano la capacità di movimento. Le comunicazioni standard EtherNet/IP, PROFINET, Modbus TCP o Ethernet possono essere adatte per il controllo e la diagnostica degli inverter, ma non per il movimento multiasse sincronizzato. Verificare che il controllore, il profilo di rete, l'azionamento, il ciclo di aggiornamento, la sincronizzazione dell'orologio e le istruzioni di movimento supportino la funzione richiesta.

Per un progetto con servomotori, definire le unità di misura degli assi, l'azzeramento, i limiti software, gli stati di movimento, la risposta all'errore di inseguimento, le categorie di arresto, il ripristino in caso di guasto e la gestione della posizione assoluta. Per un progetto con inverter, definire la sorgente del comando, la scalatura di riferimento, l'accelerazione/decelerazione, la velocità minima e massima, il comportamento locale/remoto, la risposta alla perdita di comunicazione e la politica di riavvio.

10. La sicurezza funzionale non è determinata dal tipo di azionamento

Molti servoazionamenti e inverter di ultima generazione offrono la funzione Safe Torque Off (STO). Alcuni modelli supportano funzioni aggiuntive come Safe Stop 1, Safely Limited Speed, Safe Operating Stop, Safe Brake Control o Safe Limited Position.

L'elenco delle funzioni e il livello di certificazione dipendono dalla versione specifica dell'azionamento, dal modulo di sicurezza opzionale, dal dispositivo di feedback, dal firmware, dal cablaggio e dall'architettura di sicurezza. Un servoazionamento non è automaticamente più sicuro solo perché dotato di encoder, e un VFD non è automaticamente limitato al funzionamento in modalità STO (Single Turn Override).

Selezionare le funzioni di sicurezza dalla valutazione dei rischi della macchina. Quindi, seguire il manuale di sicurezza del produttore per quanto riguarda il cablaggio, gli intervalli di prova, la configurazione, i test di accettazione e le condizioni consentite per il motore o l'encoder.

Prima di intervenire su entrambi i tipi di azionamento, isolare tutte le fonti di energia, evitare movimenti meccanici imprevisti, attendere il tempo di scarica specificato, verificare che il bus CC si sia scaricato e seguire scrupolosamente il manuale di installazione. Un'uscita disabilitata o un display spento non garantiscono di per sé la sicurezza dei terminali.

Quando è opportuno scegliere un inverter?

Scegliete un variatore di frequenza (VFD) quando il requisito principale è il controllo della velocità e della coppia, piuttosto che la precisione della posizione dell'albero.

Di solito è la scelta più pratica per:

Pompe, ventilatori, soffianti e compressori
Trasportatori continui e alimentatori a vite
Miscelatori, agitatori e centrifughe
Estrusori e rulli di processo
Mandrini per macchine generiche
Impianti di riscaldamento, ventilazione e condizionamento (HVAC) e apparecchiature per il trattamento delle acque.
Applicazioni in cui un motore industriale standard e un'ampia gamma di potenza sono utili
Controllo a risparmio energetico dei carichi a coppia variabile

Un variatore di frequenza (VFD) può anche essere la soluzione migliore per un asse ad alta potenza o meccanicamente robusto, dove è richiesto il controllo a circuito chiuso della velocità o della coppia, ma non il posizionamento a livello di servomotore.

Quando è opportuno scegliere un servoazionamento?

Scegliete un sistema servoassistito quando il processo dipende da posizione, sincronizzazione, risposta rapida o profili di movimento controllati.

Di solito è la scelta più pratica per:

Tabelle di indicizzazione e meccanismi di prelievo e posizionamento
Assi di registrazione e taglio a misura dell'imballaggio
Ingranaggi e camme elettronici
Assi di avanzamento CNC e posizionamento della macchina utensile
Giunti robotici e portali cartesiani
Sistemi di etichettatura, stampa e registrazione web
Apparecchiature di assemblaggio e collaudo ad alto ciclo
Applicazioni che devono correggere rapidamente la posizione dopo disturbi di carico

Il vantaggio offerto dal servomotore ha valore solo se la meccanica e il controllore sono in grado di sfruttarlo appieno. Giochi meccanici, accoppiamenti allentati, telai flessibili, taratura errata, logica PLC lenta o un riduttore inadeguato possono vanificare le prestazioni di un costoso sistema servoassistito.

La zona grigia: inverter vettoriale a circuito chiuso o servoazionamento?

Alcune applicazioni si collocano a metà strada tra il controllo di velocità ordinario e il controllo del movimento ad alte prestazioni.

Un variatore di frequenza vettoriale a circuito chiuso può essere la scelta migliore quando:

La potenza del motore è elevata ed è preferibile un motore a induzione.
È necessaria una regolazione precisa della velocità o della coppia
L'asse si muove lentamente sotto carico elevato
Il posizionamento di base è sufficiente
La meccanica e il telaio del motore esistenti rendono difficile la conversione al servomotore.
L'applicazione riguarda un paranco, un avvolgitore, un estrusore, un banco di prova o un asse di processo, piuttosto che un indicizzatore veloce.

Un servomeccanismo è generalmente la scelta migliore quando:

L'asse deve seguire una traiettoria di posizione con un basso errore di inseguimento
Il tempo di assestamento influisce direttamente sul tempo del ciclo della macchina.
Diversi assi devono rimanere sincronizzati elettronicamente
Accelerazione e decelerazione ripetute dominano il ciclo di lavoro
Gli eventi di registrazione o di rilevamento tattile richiedono un'acquisizione deterministica rapida
Le dimensioni compatte e l'elevata densità di coppia giustificano il sistema motore abbinato.

Per un'applicazione al limite, testare un solo asse reale. Misurare l'errore di velocità, l'errore di inseguimento, il tempo di assestamento, la coppia di picco e RMS, la temperatura del motore, l'energia rigenerata e il recupero dopo un guasto. Una prova di concetto è più economica che riprogettare la macchina dopo il collaudo di accettazione.

Esempi di applicazione

Applicazione	Probabile prima scelta	Perché
Pompa centrifuga con PID di pressione	Variatore di frequenza	Controllo efficiente del processo a velocità variabile; la posizione esatta dell'albero è irrilevante.
Lungo nastro trasportatore con velocità regolabile	Variatore di frequenza	Il controllo fluido della velocità e la scelta di un motore robusto sono solitamente più importanti della posizione.
Nastro trasportatore che indicizza i prodotti in una stazione di sigillatura	Servomotore o un inverter di posizionamento collaudato per esigenze modeste	La precisione di arresto richiesta, il tempo di ciclo e il recupero dai disturbi determinano il risultato
Tavola di indicizzazione Rotativa	Servo	Movimenti di posizione ripetuti, profili controllati e tempo di assestamento sono centrali
Coltello volante sincronizzato con una ragnatela in movimento	Servo	Sono necessari ingranaggi elettronici, acquisizione della posizione e sincronizzazione.
Vite estrusore	Vector VFD	La regolazione continua della coppia e della velocità è generalmente più importante della posizione angolare.
Avvolgitore o svolgitore	Inverter vettoriale a circuito chiuso o servoazionamento	La gamma di tensione, il diametro del rullo, la velocità della linea, la precisione della coppia e la sincronizzazione determinano la scelta
Sollevatore verticale	Inverter servoassistito o vettoriale a circuito chiuso con sistema frenante e di sicurezza progettato su misura.	Coppia a bassa velocità, feedback, sequenza di frenata, durata della frenata e valutazione del rischio sono elementi critici
Mandrino ad alta velocità	Inverter o azionamento del mandrino	Un'ampia gamma di velocità e una potenza continua sono spesso più importanti dell'indicizzazione della posizione.
Giunto robotico	Servo	Sono necessari la traiettoria di posizionamento, la correzione dinamica, la densità di coppia compatta e il coordinamento multiasse.

Errori comuni nella selezione

Supponendo che ogni sistema encoder sia un servo

Un encoder può chiudere un anello di controllo della velocità di un variatore di frequenza o fornire informazioni sulla posizione a un PLC. La struttura di controllo completa, la frequenza di aggiornamento, il motore e le funzioni di movimento determinano se il sistema può funzionare come un asse servoassistito.

Confronto della sola potenza del motore

Un servomotore da 2 kW e un motore a induzione da 2 kW non producono necessariamente un movimento equivalente. Confronta le curve coppia-velocità, la coppia di picco e RMS, l'inerzia, il carico di lavoro in caso di sovraccarico, il raffreddamento e la trasmissione meccanica.

Trattare la risoluzione dell'encoder come accuratezza della macchina

Un elevato numero di impulsi non elimina il gioco meccanico, la cedevolezza, l'errore termico o il movimento sul lato carico. Definire la precisione e la ripetibilità nel punto di lavoro della macchina.

Utilizzo del freno motore per arresti ripetuti

Un servofreno integrato è normalmente un freno di stazionamento. Frenate ripetute durante il funzionamento possono causare un'usura prematura, a meno che la documentazione del motore non ne consenta espressamente l'utilizzo.

Selezione del servomotore per ogni trasportatore

L'utilizzo di un servomotore è giustificato quando il trasportatore deve indicizzare, registrare, sincronizzare o recuperare una posizione precisa. Un trasportatore di trasferimento a funzionamento continuo è generalmente più semplice ed economico con un variatore di frequenza (VFD).

Scelta del VFD perché dotato di un parametro di posizionamento.

Un semplice posizionamento potrebbe essere sufficiente, ma è necessario verificare la ripetibilità, l'azzeramento, il tempo di assestamento, i limiti del comando a impulsi o di rete, le perturbazioni del carico e il comportamento di recupero. Una singola funzione di posizionamento non costituisce una piattaforma completa per il controllo del movimento.

Sostituzione di un'unità esistente

Non sostituire un servoazionamento con un variatore di frequenza, o un variatore di frequenza con un sistema servoassistito, basandosi unicamente su potenza e tensione.

Per la sostituzione di un servomotore, annotare:

Numeri di modello completi di azionamento e motore
Tipo di encoder e risoluzione
Potenza del motore, velocità nominale e massima, coppia nominale e di picco.
Dettagli sui freni e sui sensori di temperatura
Riferimenti per cavi di alimentazione, encoder e freno
Interfaccia di comando e rete di movimento
rapporto di trasmissione, inerzia del carico, profilo di movimento e limiti meccanici
Funzioni di sicurezza e cablaggio
Progetto di backup e controller dei parametri esistenti

Per la sostituzione di un VFD, annotare:

Tensione e fase di ingresso
Corrente nominale del motore, tensione, frequenza, velocità e collegamento
Modalità di controllo e dati di taratura del motore
Valutazione normale o per impieghi gravosi
Assegnazione I/O e scalatura analogica
Protocollo di comunicazione e parole di controllo
Resistenza di frenatura o hardware rigenerativo
Filtro EMC, reattori, lunghezza del cavo del motore e condizioni dell'involucro
Parametri, errori e comportamento dell'applicazione

Kwoco Può aiutare a identificare un servo o un inverter di ricambio compatibile quando il modello originale è obsoleto o difficile da reperire. Il pacchetto iniziale utile comprende le targhette complete di azionamento e motore, foto di connettori e armadi, riferimenti ai cavi, modello e rete PLC, cablaggio di sicurezza e il file dei parametri originale. Ciò impedisce che venga consigliato un azionamento superficialmente simile privo dell'hardware di feedback, frenatura o comunicazione necessario alla macchina.

Una pratica lista di controllo per la selezione

Prima di richiedere un preventivo, ponetevi queste domande:

[ ] L'asse necessita di controllo della velocità, della coppia, della posizione o di tutti e tre?
Quali sono la precisione di posizionamento, la ripetibilità e il tempo di assestamento richiesti per il carico?
[ ] È necessaria la sincronizzazione multiasse, la cammatura, la trasmissione a ingranaggi o la registrazione?
[ ] Quali sono la velocità massima, l'accelerazione, la coppia massima e la coppia RMS?
[ ] Qual è la coppia continua richiesta alla velocità minima o da fermo?
[ ] Quali sono l'inerzia del carico, il rapporto di trasmissione, l'efficienza e il gioco?
[ ] Quanta energia viene restituita durante la decelerazione o l'abbassamento?
[ ] Quale tipo di motore e quale metodo di raffreddamento sono più adatti all'ambiente?
[ ] Quale PLC, controllore di movimento, interfaccia di comando e rete verranno utilizzati?
[ ] Quali funzioni di sicurezza sono richieste dalla valutazione del rischio?
[ ] L'impianto è in grado di gestire il software, i cavi, il backup e i pezzi di ricambio?
[ ] Il movimento a più alto rischio è stato testato con una meccanica rappresentativa?

Se il posizionamento e la risposta dinamica non sono requisiti essenziali, si consiglia di iniziare con una soluzione a variatore di frequenza (VFD). Se invece le prestazioni della macchina dipendono dalla ripetibilità del posizionamento, dalla sincronizzazione del movimento e da un breve tempo di assestamento, si consiglia di iniziare con una soluzione servoassistita. È opportuno valutare le situazioni intermedie solo quando l'applicazione si colloca effettivamente tra questi due casi.

Domande frequenti

Un inverter può sostituire un servoazionamento?

Sì, ma solo quando l'applicazione non richiede posizionamento a livello di servo, sincronizzazione, tempo di assestamento o correzione dinamica. Un inverter vettoriale può sostituire un servo su un asse a velocità o coppia controllata se le sue prestazioni in termini di corrente, bassa velocità, feedback, frenatura e funzioni di controllo soddisfano le specifiche della macchina. Solitamente, sono necessarie modifiche al programma PLC, al motore, all'encoder, al cablaggio e alla progettazione della sicurezza.

Un inverter può azionare un servomotore?

Solo se l'inverter supporta esplicitamente quel tipo di motore e i dati del motore richiesti, il metodo di feedback, la gamma di velocità e la protezione. Alcuni inverter moderni controllano motori a magneti permanenti omologati, ma un servomotore casuale e un inverter generico non dovrebbero essere collegati basandosi solo su tensione e potenza. La compatibilità e la documentazione dei parametri del produttore devono confermare la combinazione.

Un inverter può eseguire il controllo di posizione?

Alcuni inverter possono eseguire il posizionamento di base o persino a circuito chiuso con l'opzione encoder e la modalità di controllo necessarie. Mitsubishi FR-E800 e Omron MX2-V2 sono esempi di famiglie di inverter con capacità di posizionamento nelle configurazioni applicabili. Verificare la risoluzione dei comandi, l'interfaccia di feedback, la ripetibilità, l'azzeramento, il tempo di assestamento e la sincronizzazione di rete prima di trattare l'azionamento come un asse di movimento.

Un servoazionamento è più efficiente dal punto di vista energetico rispetto a un variatore di frequenza?

Non automaticamente. L'efficienza dipende dal motore, dall'azionamento, dal profilo di carico, dalla gamma di velocità, dalla rigenerazione, dalla trasmissione meccanica e dal punto di funzionamento. Gli azionamenti a frequenza variabile (VFD) possono far risparmiare molta energia su pompe e ventilatori a coppia variabile, mentre i sistemi servoassistiti possono essere efficienti con movimenti ad alto ciclo perché utilizzano un motore abbinato e possono gestire l'energia rigenerativa. Confronta il ciclo di lavoro completo piuttosto che la categoria di azionamento.

Quale è più adatto per un nastro trasportatore, un servomotore o un inverter?

Utilizzare un variatore di frequenza (VFD) per un nastro trasportatore che necessita principalmente di velocità continua regolabile. Utilizzare un servomotore quando il nastro trasportatore deve indicizzare la posizione, registrare i prodotti, sincronizzarsi con taglierine o sigillatrici, oppure correggere rapidamente il movimento. In casi limite, definire la precisione di arresto, il tempo di ciclo, la variazione di carico e i requisiti di recupero, quindi testare il sistema motore-azionamento selezionato con la meccanica reale.

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Risposta definitiva

Un servoazionamento controlla un servomotore abbinato nell'ambito di un sistema di movimento basato sul feedback. È progettato per far sì che posizione, velocità e coppia seguano un comando in modo preciso e dinamico.

Un inverter o VFD controlla la frequenza, la tensione e la corrente fornite a un motore a corrente alternata. È progettato principalmente per un controllo efficiente della velocità e della coppia, sebbene i modelli più avanzati possano aggiungere feedback tramite encoder e funzioni di posizionamento.

Scegli l'inverter quando il carico richiede un controllo della velocità fluido e affidabile. Scegli il servomotore quando la produttività o la qualità della macchina dipendono dalla posizione dell'asse, dalla velocità con cui lo raggiunge e dalla precisione con cui segue un profilo di movimento coordinato.

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