Tecnologia dei motori gimbal: la guida completa al controllo di precisione

Che cos’è un motore gimbal?

Un motore gimbal è il tipo di motore utilizzato nelle applicazioni gimbal, dispositivi che stabilizzano e controllano l’orientamento di un payload, come una camera, un sensore, un utensile, ecc. Questa stabilizzazione può essere controllata su uno o più assi. Tipicamente, la stabilizzazione avviene su 2 assi, azimutale e elevazione, ma talvolta può arrivare fino a 5 o 6 assi differenti.

Che cos’è un motore gimbal brushless?

Un motore gimbal brushless è un BLDC che utilizza un controllore elettronico per alternare le correnti di fase, invece dell’alternanza fisica utilizzata nei tradizionali motori con spazzole. Il risultato è un motore più silenzioso e più fluido nel funzionamento, oltre ad avere una vita utile più lunga.

Come funziona un motore gimbal?

I motori gimbal sono solitamente motori brushless (BLDC) ottimizzati per una rotazione precisa, fluida e a bassa velocità. Sono spesso abbinati a sensori, come giroscopi, accelerometri o encoder, e lavorano insieme a un controllore motore per creare un sistema ad anello chiuso che regola costantemente la posizione del payload per mantenerlo stabile.

Tipi di motori gimbal

La maggior parte dei motori elettrici motori BLDC potrebbe essere utilizzata in applicazioni gimbal, ma ci sono alcuni elementi chiave da considerare nella scelta di quello più adatto. Le opzioni disponibili sono molte. La maggior parte dei motori gimbal è tipicamente Motori con alloggiamenti oppure Motori senza alloggiamenti, che possono essere utilizzati sia come direct drive (azionamento diretto) sia in combinazione con un riduttore/trasmissione.

Coppia di cogging

Un aspetto importante da considerare nelle applicazioni gimbal è la coppia di cogging. La coppia di cogging è il movimento a scatti o la resistenza indesiderata che si rileva quando si ruota un motore brushless di tipo Motori con alloggiamenti. Ciò accade perché i magneti permanenti del motore sono attratti dai denti in acciaio (cave) nello statore, creando una sorta di “scatto” magnetico tra posizioni. Questo effetto è più evidente a basse velocità e influisce sulla precisione dei gimbal. I motori Motori senza alloggiamenti non mostrano praticamente alcuna coppia di cogging.

Ingranaggi

Un altro aspetto che influisce sulla precisione dei gimbal è l’uso di ingranaggi. Gli ingranaggi vengono utilizzati per aumentare le capacità di coppia con una dimensione del motore limitata. Implementando un ingranaggio si introduce la possibilità di gioco meccanico (backlash). Il gioco causa un posizionamento non uniforme, che influisce sulla precisione dell’applicazione. Pertanto, spesso si preferisce una soluzione direct drive, se è in grado di soddisfare i requisiti di coppia. Per questo, un motore BLDC di tipo Motori senza alloggiamenti ad alta densità di coppia è particolarmente adatto alla progettazione di un motore gimbal.

Applicazioni dei motori gimbal

Le tipiche applicazioni gimbal includono:

• Elettro-ottica
• Puntamento Lidar e laser
• Comunicazione satellitare
• Posizionamento di telescopi
• Stabilizzatori per camera 
• Sistemi d’arma remoti

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La maggior parte di queste applicazioni richiede un posizionamento molto preciso e/o una risposta rapida a piccole variazioni angolari. 

Vantaggi dei motori gimbal

Il vantaggio di scegliere un motore progettato e ottimizzato specificamente per i gimbal è che limita il numero di compromessi da considerare nel processo di progettazione. Molte applicazioni traggono beneficio dall’essere compatte e leggere, poiché ciò offre opportunità di utilizzare componenti più piccoli ed economici, oltre ad aumentare la capacità di raggiungere punti di funzionamento ad alta dinamica.

Inoltre, molte applicazioni gimbal beneficiano dell’uso di un motore preciso con alta risoluzione per posizionare con elevata accuratezza e velocità. Infine, la maggior parte dei gimbal utilizza encoder assoluti, che devono essere integrati insieme ai motori, e un diametro interno maggiore del motore aiuta a ricavare spazio per un encoder più grande senza aumentare l’ingombro complessivo richiesto dal sistema.

Che cosa significa sovraccarico di un motore gimbal?

Un sovraccarico di un motore gimbal si verifica quando viene fatto funzionare più rapidamente o con un carico maggiore rispetto a quanto previsto dal progetto. Questo può essere un evento unico oppure derivare da carichi ciclici frequenti. Per i motori Motori con alloggiamenti, a una certa corrente fornita si raggiunge il livello di saturazione del nucleo di ferro, per cui il motore necessita di un incremento di corrente maggiore rispetto all’incremento di coppia che normalmente può fornire. In altre parole, a quel livello la relazione non è lineare. Per i motori Motori senza alloggiamenti, questo comportamento è lineare lungo l’intera capacità del motore ed è tipicamente il motivo per cui un motore di tipo Motori senza alloggiamenti è una scelta migliore quando ci si aspetta che si verifichi un sovraccarico.

Come risolvere il sovraccarico di un motore gimbal?

L’approccio più strutturato consiste nell’individuare quale fattore limitante del motore è stato raggiunto (coppia, velocità, assorbimento di corrente, temperatura) e poi trovare un modo per migliorare l’utilizzo del motore in modo da evitare di raggiungere quel livello di sovraccarico. Se la fase di progettazione lo consente,  sostituire il motore con uno in grado di raggiungere quel punto di funzionamento per quel sistema, senza andare in sovraccarico, sarebbe la scelta corretta. Il sovradimensionamento dei motori è una strategia ampiamente adottata da molti ingegneri. Questa strategia comporta alcuni svantaggi; il più evidente è che dimensioni e peso del sistema non saranno ottimali.

Come scegliere il motore gimbal giusto

Il motore gimbal giusto è quello che soddisfa al meglio le specifiche per quella applicazione. 

In genere, gli aspetti da considerare sono:

• Dimensioni
• Peso
• Coppia di picco e continua
• Richiesta di velocità
• Consumo di potenza (tensione e corrente fornite) 
• Tolleranza di precisione

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Il motore giusto soddisferà tutte queste specifiche con il massimo livello di margine. 

Non è importante considerare solo il motore, ma il motore in combinazione con encoder, sensori e il controllore motore. Ad esempio, sia la risoluzione dell’encoder assoluto sia la risoluzione dei passi PWM del controllore motore determinano la precisione dell’intero sistema. Un diametro interno maggiore del motore consente di installare un encoder più grande al centro (maggiore risoluzione) e un numero più elevato di poli riduce la necessità di un’elevata risoluzione del controllore motore (la risoluzione è per polo). 

Suggerimenti di manutenzione e diagnosi per motori gimbal

La maggior parte dei progetti gimbal può essere realizzata in modo da limitare la quantità di manutenzione necessaria. Ad esempio, un motore BLDC brushless non presenta alcun contatto tra statore e rotore, riducendo l’usura nel tempo praticamente a zero. Lo stesso vale per la diagnosi. Progettando il sistema per rispettare le specifiche corrette, ci si può aspettare meno problemi e non sarà necessaria alcuna attività di troubleshooting. Una volta in funzione, potrebbe funzionare per sempre, o almeno fino a quando altri componenti non inizieranno a guastarsi.

Tuttavia, problemi tipici che possono verificarsi in un sistema gimbal includono bassa accuratezza di posizionamento, effetti di cogging, posizionamento lento, elevato assorbimento di corrente, ecc. Un buon punto di partenza è progettare il gimbal con un Motori senza alloggiamenti. Questo eliminerà la coppia di cogging e aumenterà il numero di poli e la possibilità di risoluzione di posizionamento. In combinazione con un encoder assoluto ad alta risoluzione e un controllore motore a passi PWM, un motore di tipo Motori senza alloggiamenti porterà l’accuratezza del sistema a un livello elevato. Il motore di tipo Motori senza alloggiamenti avrà capacità di coppia di picco più elevate, che consentiranno cambi di posizione rapidi. E, se possibile, è preferibile una configurazione di avvolgimento con un’elevata costante di coppia per ridurre le esigenze di corrente.

Conclusione

I motori BLDC Motori senza alloggiamenti sono un’ottima tipologia di motore per applicazioni gimbal, soprattutto se progettati per direct drive e abbinati a un encoder assoluto ad alta risoluzione e a un controllore motore a passi PWM. Consultate il nostro white paper sui motori FiberPrinted™ per gimbal SWaP ad alta precisione: https://www.alvaindustries.com/papers-downloads/lite-white-paper-fiberprinted-tm-motors-for-high-precision-swap-gimbals