Vincoli di progettazione nella costruzione dei gimbal

I gimbal sono comunemente utilizzati per elettro-ottica, comunicazioni satellitari, puntamento laser, LIDAR, attrezzature cinematografiche e stazioni d’arma telecomandate. Progettare i sistemi di azionamento dei gimbal è notoriamente impegnativo per il personale di ingegneria. In parte, ciò è dovuto ai numerosi requisiti, spesso in conflitto tra loro, relativi a controllo del movimento di precisione, funzionamento affidabile e limiti stringenti di spazio, peso e costo. Di recente, con un impiego più frequente dell’alimentazione a batteria, si aggiunge anche il requisito di un basso consumo energetico. Altri vincoli sono meno evidenti, tra cui la necessità di:

• Controllo del moto fluido a velocità di rotazione molto basse durante l’inseguimento di oggetti distanti in movimento.
• Peso ridotto per apparecchiature montate in alto su una barca o una nave, per evitare di influire sulla stabilità.
• Profilo ridotto per non impattare l’aerodinamica di aeromobili con o senza equipaggio.
• Controllo rigoroso della velocità angolare e della posizione, indipendentemente dai cambiamenti potenzialmente rapidi di rollio, beccheggio e imbardata dell’apparecchiatura ospitante.
• Movimentazione silenziosa nei gimbal per fotocamere e video.

Tali vincoli sono comuni nei sistemi gimbal (sistemi a 2 assi – di norma azimut ed elevazione) e spesso si applicano anche ai sistemi su colonna/piedistallo (sistema a 1 asse, di norma azimut -  come i radar marini).

Sistemi di azionamento tradizionali nella progettazione di gimbal e sistemi su piedistallo

Possiamo considerare il sistema di azionamento di un gimbal come composto da 5 elementi principali:

• Motori – uno per l’asse di azimut e uno per l’asse di elevazione
• Encoder – uno per l’asse di azimut e uno per l’asse di elevazione
• Anelli collettori – spesso solo sull’asse di azimut, dato il campo di rotazione limitato dell’asse di elevazione
• Servoazionamento – per ricevere dagli encoder i segnali di posizione/velocità e fornire ai motori la potenza necessaria, tipicamente tramite l’anello collettore.

Tradizionalmente, per gli azionamenti dei gimbal si sceglieva un motore con caratteristiche di coppia e velocità adatte all’ottimizzazione tramite un sistema di riduzione a ingranaggi. Questo approccio – tipicamente definito azionamento indiretto – era in parte guidato dai costi, perché i motori direct drive (ossia senza riduttori intermedi) erano troppo costosi o troppo ingombranti per fornire la coppia e la velocità richieste.

Analogamente, l’approccio tradizionale per gli encoder era utilizzare un resolver per ambienti gravosi (in particolare applicazioni aerospaziali e difesa) oppure un encoder ottico per ambienti meno severi, indoor. Tipicamente, posizione e/o velocità venivano dedotte misurando in un punto della trasmissione meccanica di potenza / del treno di ingranaggi, per ottenere segnali incrementali di velocità e un segnale assoluto di posizione. Anche in questo caso, l’approccio era in parte guidato dai costi, perché encoder con ampio foro passante non erano ampiamente disponibili o erano troppo costosi per essere presi in considerazione. 

Sfide degli azionamenti indiretti 

L’approccio indiretto con riduttore introduce diverse criticità, tra cui:

• Gioco (backlash) e imprecisione di posizione - Gli ingranaggi introducono intrinsecamente gioco, causando imprecisioni nel feedback di posizione, soprattutto quando la direzione del movimento si inverte.
• Latenza  e ridotta reattività - Nei sistemi indiretti, l’encoder legge la posizione di un ingranaggio o dell’albero motore, non l’uscita del gimbal. Questo introduce latenza e può portare a risposte ritardate nel controllo del moto di precisione.
• Aumento degli errori accumulati e difficoltà di calibrazione - I sistemi di misura indiretti soffrono di errori accumulati o di accumulo di tolleranze (tolerance stack up) dovuti a usura degli ingranaggi, coefficienti termici e gioco. Nel tempo, questi errori tendono ad aumentare e possono richiedere ricalibrazioni periodiche.
• Usura meccanica, attrito e rumore - Gli ingranaggi si usurano, soprattutto in applicazioni con elevato duty cycle. Con l’usura, il gioco aumenta, determinando una maggiore isteresi del sistema e una riduzione dell’accuratezza. Gli ingranaggi aggiungono anche attrito, che non solo riduce l’efficienza, ma genera rumore e potenzialmente vibrazioni. Rumore e attrito possono interferire con applicazioni sensibili, come la videografia, dove un funzionamento fluido e silenzioso è critico. L’attrito negli ingranaggi può inoltre ostacolare il controllo fine del movimento, influenzando la fluidità e l’accuratezza, soprattutto a basse velocità. L’attrito può essere minimizzato con la lubrificazione, ma ciò può richiedere interventi di assistenza o manutenzione più regolari.
• Deriva termica - I componenti meccanici dell’azionamento saranno soggetti a dilatazione/contrazione termica al variare della temperatura di esercizio. Questi piccoli cambiamenti modificano la posizione effettiva del gimbal senza necessariamente alterare la lettura dell’encoder.
• Riduzione dell’affidabilità – in altre parole, più parti meccaniche ci sono, maggiore è l’impatto sul tempo medio tra guasti (MTBF) – soprattutto in ambienti gravosi.
• Aumento del peso e del volume fisico.

Un approccio moderno ai sistemi di azionamento per gimbal – Direct Drive

Un approccio più recente nella progettazione dei gimbal è l’uso del direct drive e della misura diretta, che elimina in larga misura i problemi dei sistemi di azionamento tradizionali. Il cambiamento è stato reso possibile da due sviluppi relativamente recenti. Primo, un salto tecnologico nei motori direct drive, che consente di generare coppie significative con geometrie anulari sottili – e a un livello di prezzo più realistico. Tali motori sono comunemente definiti motori di coppia.

Il cambiamento in dimensioni, peso e potenza del motore deriva in gran parte da recenti evoluzioni nel modo in cui vengono prodotti gli avvolgimenti. A guidare questa nuova ondata è Alva Industries, i cui motori senza ferro, Motori senza alloggiamenti (vedi SlimTorq™ Motors) sono realizzati con FiberPrinting™. Questa tecnologia massimizza il fattore di riempimento del rame con avvolgimenti di statore non sfalsati che, a loro volta, determinano una costante di motore e una densità di coppia paragonabile persino ai migliori Motori con alloggiamenti. Con fattori di riempimento del rame così elevati e la flessibilità di produrre forme personalizzate, i motori Alva offrono prestazioni ai vertici della categoria per una data taglia e peso.

La rimozione dei denti in ferro nei motori SlimTorq™ di Alva porta inoltre a uno statore e a un rotore sorprendentemente sottili e leggeri. I motori di coppia SlimTorq™ di precisione sono Motori senza alloggiamenti, il che significa che offrono praticamente zero cogging e un’ondulazione di coppia trascurabile – rendendoli ideali per applicazioni gimbal di precisione. La gamma SlimTorq™ è proposta in due versioni: la versione Lite, ottimizzata per applicazioni sensibili al peso, e SlimTorq™ Max, ottimizzata per le massime prestazioni, ossia la coppia e la costante di motore più elevate possibile entro l’inviluppo di spazio disponibile.

Un approccio moderno ai sistemi di azionamento per gimbal – Misura diretta

Il secondo cambiamento che ha abilitato l’approccio diretto riguarda le tecnologie di encoder di posizione basate su geometrie anulari sottili e – come per i motori direct drive – a un livello di prezzo più realistico. Mentre l’approccio tradizionale, soprattutto in aerospazio e difesa, era utilizzare resolver, questo moderno approccio di misura diretta offre diverse tecnologie tra cui scegliere, incluse tecniche di rilevamento della posizione ottiche, capacitive, induttive e magnetiche.

Gli encoder magnetici sono una scelta diffusa per i gimbal, poiché offrono un interessante equilibrio tra prezzo e prestazioni

In un formato pratico con ridotta altezza assiale e un ampio foro passante. Le prestazioni di misura includono risoluzioni di >20 bit e un funzionamento affidabile in ambienti bagnati o sporchi.

Inoltre, accettano un’alimentazione in DC e generano segnali di uscita digitali – evitando così qualsiasi possibile degradazione dei segnali attraverso l’anello collettore.

La forma compatta è di particolare valore per chi progetta e fatica a inserire i componenti del sistema di azionamento entro un involucro di spazio ristretto. Data la forma anulare e sottile di motori ed encoder di posizione, anelli collettori, fibre ottiche, cavi e parti meccaniche possono essere instradati attraverso il centro del dispositivo.

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Nicolas Giraudo

Chief Commercial Officer

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