Attività di ricerca

Controllo di motori brushless con sensori di posizione a bassa risoluzione

I motori brushless, tradizionalmente impiegati nei robot industriali e nelle macchine utensili, trovano oggi impiego anche negli elettrodomestici. Tali motori, infatti, sono superiori a quelli oggi utilizzati, sia dal punto di vista dell’efficienza e del rapporto peso/potenza, che riguardo alla affidabilità, alla minima richiesta di manutenzione e alle dimensioni molto ridotte. D’altra parte, però, lo svantaggio principale è costituito dalla necessità di un sensore di posizione e di una complessa logica di controllo per gestire opportunamente la commutazione delle correnti di fase del motore stesso, che si riflettono essenzialmente in un costo più elevato. Tali svantaggi sono i principali motivi che hanno parzialmente rallentato la diffusione dei motori brushless, in contesti differenti da quello della robotica e delle macchine utensili.
Nel campo degli elettrodomestici l’utilizzo di sensori di posizione tradizionali è molto raro, sia per ragioni di costo che di affidabilità. Ad essi vengono spesso sostituiti sistemi più semplici e meno costosi, ma in grado di fornire soltanto una misura angolare a bassa risoluzione. Accanto alla suddetta semplificazione dei sensori di posizione, vi è però la richiesta di controllare il motore al fine di garantire una generazione di coppia sufficientemente costante, e consentire una efficace regolazione della velocità.
Lo scopo della ricerca è dunque la caratterizzazione delle prestazioni del sistema, sia dal punto di vista della regolarità della coppia generata dal motore (e quindi delle prestazioni della regolazione di corrente) che dell’efficacia della regolazione di velocità, nel caso in cui il sistema di controllo si trovi ad operare con misure di posizione a bassa risoluzione.
In particolare, nell’ambito della tematica appena descritta si inseriscono le seguenti linee di ricerca:

• definizione di metodologie analitiche per la caratterizzazione delle prestazioni di stimatori di velocità basati sul filtraggio del segnale di posizione, e studio delle interazioni tra la stima di velocità e le prestazioni complessive dell’anello di regolazione;
• definizione di metodologie analitiche per la caratterizzazione delle prestazioni della regolazione di corrente e velocità di motori asincroni, in presenza di stimatori di velocità e flusso magnetico basati su misure di posizione a bassa risoluzione;
• taratura semiautomatica dei parametri del regolatore di velocità di un servomeccanismo dotato di trasmissione elastica e misura di posizione a bassa risoluzione, con applicazione al caso di una lavabiancheria;
• analisi e compensazione del ripple di coppia in motori lineari.

Controllo robusto di manipolatori industriali

La legge di controllo robusto basata sul controllo a dinamica inversa per manipolatori rigidi è stata sviluppata a partire da alcuni risultati teorici pubblicati nei primi anni 80, e viene oggi riportata nei principali testi di robotica industriale. Sebbene la derivazione di tale legge, basata sull’utilizzo del secondo metodo di Lyapunov, sia semplice ed elegante, il risultato che ne scaturisce è troppo conservativo e, soprattutto, affetto da una apparente contraddizione: l’energia del segnale di controllo robusto deve essere tanto maggiore quanto più grandi sono i guadagni del regolatore PD progettato sul sistema nominale.
Adottando una differente rappresentazione dell’incertezza da cui è affetto il modello del manipolatore, ovvero dividendo i termini di incertezza che hanno differente natura, si perviene alla formulazione di bound su tale incertezza che non dipendono più dai guadagni del regolatore PD. E’ perciò possibile, pur mantenendo la struttura classica della legge di controllo robusto, derivare i guadagni di tale azione di controllo indipendentemente dai parametri del regolatore PD. Tale scelta comporta benefici sia dal punto di vista teorico che nella realizzazione del controllore reale, poiché con la strategia proposta il termine di controllo robusto richiede coppie decisamente inferiori a quelle che si hanno nel caso classico (spesso molto superiori alle coppie massime erogabili dagli attuatori di un manipolatore industriale).

Metodi di taratura automatica per regolatori industriali

Nello sviluppo di metodologie per la taratura/autotaratura dei regolatori industriali è necessario considerare alcune caratteristiche peculiari dello specifico ambito in cui tali sistemi di controllo tipicamente operano. Esse devono, infatti, essere computazionalmente semplici, implementabili su sistemi embedded con limitate risorse hardware/software, basate su un numero ridotto di parametri di progetto facilmente comprensibili dall’utente. E’ infine importante ricordare che, nel controllo dei processi industriali, sono auspicabili metodologie di taratura/autotaratura in grado di fornire una previsione realistica dei risultati con esse ottenibili.
Nell’ambito della problematica appena introdotta si inseriscono le linee di ricerca descritte nel seguito.

Metodi causali per la sintesi automatica del compensatore in andata in regolatori a 2-g.d.l.
In molti sistemi di controllo di processo l’utilizzo di un’architettura a due gradi di libertà (2-g.d.l.) permette di migliorare significativamente le prestazioni, poiché consente di separare i problemi di stabilità e reiezione dei disturbi (a cui risponde il regolatore in retroazione) dal problema di inseguimento del riferimento (che compete al compensatore in linea di andata). Nonostante la rilevanza applicativa di questa architettura di controllo, attualmente esistono soltanto poche metodologie che permettano di affrontare in modo sistematico, e possibilmente automatico, la sintesi del compensatore in linea di andata e che siano, inoltre, adatte ad essere implementate sulle piattaforme tradizionalmente utilizzate in ambito industriale. L’idea base della ricerca è di sfruttare un modello causale non parametrico del sistema ad anello chiuso, che può essere facilmente identificato on-line durante il normale funzionamento del sistema stesso. Esso permette di ottimizzare la risposta del sistema al riferimento, qualunque siano la struttura del regolatore in retroazione ed il metodo utilizzato per sintetizzarlo, indipendentemente dalla forma scelta per il segnale di riferimento.
Una ulteriore linea di ricerca in questo ambito riguarda l’estensione della metodologia descritta al caso dei regolatori multivariabili. In questo contesto, l’utilizzo di un modello non parametrico permette di affrontare contemporaneamente i problemi di ottimizzazione della risposta al riferimento e disaccoppiamento delle dinamiche del processo.

Metodi di taratura automatica “model-based” basati su identificazione a relay
Nella definizione di metodologie di taratura/autotaratura per regolatori industriali è necessario analizzare il ruolo giocato sia dal metodo utilizzato per l’identificazione del modello del processo da controllare, che dalla regola di taratura. In particolare, è facile mostrare come le prestazioni del sistema ad anello chiuso ottenuto siano strettamente legate all’interazione tra i due aspetti appena considerati. L’idea base della ricerca è allora di utilizzare metodi di taratura “model-based”, al fine di migliorare i risultati ottenibili con i metodi di taratura basati su relay, affiancandoli con un metodo di identificazione a relay. In questo modo è possibile stabilire delle relazioni generali tra le tecniche basate su modello e quelle basate su relay, derivando poi delle procedure di taratura per regolatori PID e/o regolatori arbitrariamente complessi che tengano esplicitamente in considerazione il metodo utilizzato per l’identificazione del modello.

Modellistica e controllo visual servoing di manipolatori flessibili

Un manipolatore flessibile può essere rappresentato utilizzando un sistema a due “scale di tempo”, caratterizzato sia dal moto rigido, che rappresenta il fenomeno a dinamica più lenta, che dalle vibrazioni, la perturbazione “di alta frequenza”. Questa particolare natura del sistema considerato può essere sfruttata, al fine di semplificare la progettazione del sistema di controllo, mediante la ben nota tecnica del controllo composito. In tale contesto si possono facilmente estendere le tecniche tradizionalmente utilizzate per il controllo di posizione di manipolatori flessibili, basate sull’utilizzo di sensori meccanici di posizione e deformazione, mediante l’introduzione di una retroazione visiva. La misura diretta della posizione della punta del manipolatore fornita dalla telecamera, infatti, a differenza di quella indiretta stimata a partire da misure encoder ed estensimetriche, non risulta affetta dai tipici errori dovuti ad un’imprecisa conoscenza dei parametri fisici del manipolatore (che risultano particolarmente evidenti nel caso in cui si debba considerare anche la flessibilità del materiale), permettendo quindi di migliorare significativamente l’accuratezza del posizionamento. Inoltre, la fusione mediante un filtro di Kalman delle misure estensimetriche, caratterizzate da elevato rumore, e delle misure ottiche di deformazione fornite dalla telecamera, permette di ottenere un significativo miglioramento nello smorzamento delle vibrazioni della struttura.
L’estensione delle tecniche usualmente utilizzate per lo smorzamento delle dinamiche vibratorie di un manipolatore flessibile al caso di un generico sistema meccanico con risonanze, ha inoltre permesso di approfondire alcune tematiche teoriche relative alla realizzazione digitale del controllore.