Un servomotore è un motore a ciclo chiuso che misura e corregge autonomamente velocità e posizione. L’encoder montato sull’estremità dell’albero misura continuamente l’angolo e la velocità di rotazione; il servoazionamento confronta questi dati con il comando ricevuto e, se rileva una differenza, corregge immediatamente la corrente. Grazie a questo feedback, il motore può mantenere la posizione richiesta con una precisione dell’ordine di un millesimo di grado anche quando il carico varia. Per questo motivo i servomotori vengono utilizzati nelle macchine CNC, nei bracci robotici, nelle macchine per il confezionamento e in tutte le linee di automazione che richiedono un posizionamento preciso.
Che cos’è un servomotore?
Un servomotore non è un singolo componente, ma un sistema i cui elementi lavorano insieme. Il sistema è composto da tre elementi principali:
- Corpo motore: Struttura del rotore, generalmente a magneti permanenti, progettata per bassa inerzia e risposta rapida.
- Encoder (unità di feedback): Sensore che misura la posizione angolare e la velocità dell’albero e può generare migliaia di impulsi per giro.
- Servoazionamento: Unità di controllo che riceve il comando, lo confronta con i dati dell’encoder e corregge in millisecondi la corrente inviata al motore.
Quando viene avviato, un normale motore asincrono si limita a ruotare; non sa quanto ha ruotato né se si è fermato nel punto corretto. La caratteristica che distingue un servomotore è la capacità di misurare e correggere il proprio movimento. Per questo motivo il servomotore viene definito più come un «sistema che controlla il movimento» che come un semplice «motore che genera potenza».
Come funziona un servomotore?
Il principio di funzionamento si basa sul controllo ad anello chiuso . Nei sistemi ad anello aperto viene impartito un comando e si presume che il risultato sia corretto; in un sistema ad anello chiuso, invece, il risultato viene misurato e l’eventuale errore viene corretto immediatamente.
Il ciclo si svolge nei seguenti passaggi:
- Comando. Il PLC o l’unità di controllo comunica al servoazionamento la posizione, la velocità o la coppia target.
- Movimento. Il servoazionamento alimenta il motore e inizia a far ruotare l’albero.
- Misurazione. L’encoder comunica continuamente al servoazionamento la posizione reale dell’albero.
- Confronto. Il servoazionamento calcola la differenza tra il valore target e il valore reale. Questa differenza viene chiamata segnale di errore.
- Correzione. La corrente viene aumentata o ridotta fino ad azzerare l’errore. Il ciclo si ripete migliaia di volte al secondo.
In pratica, quando il carico della macchina aumenta — per esempio quando un carrello di trasferimento preleva un pezzo pesante — il motore inizia a rallentare. L’encoder rileva il rallentamento in pochi millisecondi, il servoazionamento aumenta la corrente e la velocità rimane costante. Lo stesso principio vale in fase di arresto: il motore si ferma all’angolo previsto e continua a generare coppia per mantenere quella posizione se una forza esterna tenta di spostare l’albero. Questa è chiamata coppia di mantenimento.
I sistemi servo possono eseguire questo ciclo in tre modalità diverse: controllo di posizione (raggiungere un punto specifico), controllo di velocità (ruotare a una determinata velocità) e controllo di coppia (applicare una determinata forza). A seconda dell’applicazione viene selezionata una modalità oppure più modalità vengono utilizzate in sequenza.
Tipi di servomotore
I servomotori vengono suddivisi in due gruppi principali in base al tipo di alimentazione. Entrambi funzionano secondo lo stesso principio di feedback; la differenza riguarda la struttura elettrica del motore.
| Confronto | Servomotore AC | Servomotore DC |
|---|---|---|
| Struttura | Brushless; la commutazione avviene elettronicamente | Per lo più con spazzole; commutazione meccanica |
| Necessità di manutenzione | Bassa; non ci sono spazzole soggette a usura | Spazzole e collettore vengono sostituiti periodicamente |
| Gamma di potenza | Da alcune centinaia di watt a diverse decine di kilowatt | In genere basse e medie potenze |
| Complessità del controllo | Richiede un servoazionamento evoluto | Struttura dell’azionamento più semplice |
| Utilizzo tipico | Automazione industriale, CNC, robotica | Sistemi alimentati a batteria e mobili, attrezzature da laboratorio |
Nelle macchine industriali oggi vengono utilizzati soprattutto servomotori AC brushless; il ridotto fabbisogno di manutenzione nelle linee a funzionamento continuo rappresenta un vantaggio decisivo. I servomotori DC sono invece preferiti nelle apparecchiature mobili a bassa tensione; in questo contesto, il nostro articolo sulle caratteristiche dei motori DC 24 V può essere utile per un confronto. Nelle applicazioni a velocità fissa alimentate dalla rete, al posto di un servo, i motori AC con riduttore rappresentano un’alternativa più economica.
Campi di applicazione dei servomotori
Un servomotore viene utilizzato ovunque sia importante non solo che il movimento avvenga, ma anche esattamente dove e a quale velocità avviene.
Macchine CNC. Nelle lavorazioni meccaniche, il percorso dell’utensile da taglio viene definito a livello micrometrico. Negli assi, il servomotore mantiene la coordinata comandata anche quando la forza di taglio varia. Per ottenere il movimento lineare degli assi viene spesso utilizzato insieme a un meccanismo a cremagliera .
Robotica e manipolatori. Ogni giunto di un braccio robotico costituisce un asse servo separato. Il corretto posizionamento dell’estremità del braccio dipende dal funzionamento sincronizzato di tutti i giunti.
Macchine per il confezionamento e l’imballaggio. L’avanzamento del film, la lama di taglio e l’unità di riempimento devono funzionare in modo sincronizzato. Nelle linee che producono centinaia di confezioni al minuto, deviazioni di pochi millisecondi si trasformano in scarti. Carta e imballaggio è uno dei settori in cui gli azionamenti servo vengono utilizzati più intensamente.
Macchine tessili. Il mantenimento costante della tensione del filo, il controllo del disegno e la sincronizzazione dell’alimentazione vengono realizzati tramite assi servo. Tessile è un ambito in cui la modalità di controllo di coppia assume particolare importanza.
Linee di automazione generiche. Le stazioni di etichettatura, impilamento, taglio, posizionamento e trasferimento funzionano con azionamenti servo. Per l’architettura del sistema e la comunicazione, è possibile consultare la nostra pagina automazione .
Rapporto tra servomotore e riduttore
I servomotori funzionano ad alta velocità e con una coppia relativamente bassa. La maggior parte delle macchine sul campo richiede invece il contrario: bassa velocità e coppia elevata. Il componente che colma questa differenza è il riduttore e, nelle applicazioni servo, il riduttore non è un accessorio ma parte del sistema.
Il riduttore apporta quattro vantaggi principali al sistema servo:
| Vantaggio | Effetto nel sistema |
|---|---|
| Aumento della coppia | La coppia viene moltiplicata in funzione del rapporto di riduzione, consentendo di scegliere un motore più piccolo e con minore assorbimento di corrente |
| Riduzione della velocità | L’elevata velocità alla quale il motore lavora in modo efficiente viene ridotta alla velocità operativa richiesta dalla macchina |
| Adattamento dell’inerzia | L’inerzia del carico viene riflessa al motore ridotta del quadrato del rapporto di riduzione; il sistema lavora in modo più stabile e con meno vibrazioni |
| Aumento della risoluzione | Ogni grado sull’albero motore corrisponde a un angolo più piccolo sull’albero di uscita, diviso per il rapporto di riduzione |
L’adattamento dell’inerzia è uno degli aspetti più spesso trascurati nelle applicazioni servo. Quando l’inerzia del carico è molto maggiore di quella del motore, il sistema oscilla, il tempo di assestamento aumenta e la macchina vibra mentre il feedback dell’encoder tenta continuamente di correggere l’errore. Con il corretto rapporto di riduzione, il problema viene risolto alla fonte.
Il tipo preferito negli azionamenti servo è il riduttore planetario. Il motivo è strutturale: il carico viene distribuito su più ingranaggi planetari anziché su una singola coppia di ingranaggi. Questa distribuzione consente elevata capacità di coppia, basso gioco (backlash) ed elevata rigidità torsionale in un corpo compatto. Poiché la precisione di posizionamento dipende direttamente dal gioco, nelle applicazioni servo vengono utilizzati riduttori planetari a basso gioco angolare. Per i dettagli sul principio di funzionamento, consulta il nostro articolo su come funzionano i riduttori planetari .
In fase di selezione sono determinanti due calcoli: la coppia di uscita richiesta dall’applicazione e il rapporto di riduzione necessario. Per questi calcoli si possono applicare direttamente le formule dei nostri articoli sul calcolo della coppia e calcolo della velocità del riduttore .
Scegliamo insieme il riduttore giusto per la tua applicazione servo
In una macchina azionata da servo, le prestazioni non dipendono solo dalla potenza del motore, ma dalla corretta combinazione tra motore, riduttore e carico. Un rapporto di riduzione scelto in modo errato o un riduttore con gioco eccessivo può causare errori di posizionamento e vibrazioni anche con il miglior servomotore.
Dal 1987 Remak Redüktör produce riduttori e scatole ingranaggi. In base ai valori di coppia, velocità e inerzia della tua applicazione, possiamo individuare insieme la serie di riduttori planetari più adatta. Puoi consultare la nostra gamma prodotti nella pagina riduttori planetari e contattarci tramite la pagina contatti per condividere i dettagli tecnici del tuo progetto.
Domande frequenti sui servomotori
Qual è la differenza tra un servomotore e un motore passo-passo?
La differenza principale è il feedback. Un motore passo-passo funziona ad anello aperto; ruota per il numero di passi comandato ma non può verificare se il movimento è realmente avvenuto. Se il carico è superiore al previsto, può perdere passi senza accorgersene. Il servomotore, invece, conosce sempre la propria posizione grazie all’encoder e corregge immediatamente le deviazioni. I motori passo-passo sono economici a basse velocità e con carichi costanti; i servomotori vengono utilizzati quando servono alta velocità, carichi variabili e precisione in arresto.
Perché si aggiunge un riduttore a un servomotore?
Per quattro motivi: aumentare la coppia del motore in base al rapporto di riduzione, ridurre l’elevata velocità del motore alla velocità operativa della macchina, portare l’inerzia del carico a un livello gestibile dal motore per evitare vibrazioni e aumentare la risoluzione di posizionamento. Senza riduttore, per ottenere la stessa coppia sarebbe necessario un motore molto più grande e costoso; inoltre un’elevata inerzia del carico può rendere instabile il sistema.
Con quale precisione può posizionarsi un servomotore?
La precisione dipende da tre fattori: risoluzione dell’encoder, gioco angolare del riduttore e rigidità degli elementi di trasmissione meccanica. Gli encoder industriali possono generare centinaia di migliaia di impulsi per giro, quindi la risoluzione teorica può arrivare a circa un millesimo di grado. Nella pratica, però, il limite è solitamente la connessione meccanica e non il motore. Se viene utilizzato un riduttore con gioco elevato, sull’albero di uscita si verifica una deviazione indipendentemente dalla precisione dell’encoder.
Quando è preferibile un normale motore asincrono rispetto a un servomotore?
Se non è importante il punto esatto in cui il movimento si arresta e la velocità può rimanere costante, è sufficiente un motore asincrono. In ventilatori, pompe, miscelatori, nastri trasportatori a funzionamento continuo e applicazioni simili, la funzione di posizionamento del sistema servo non viene utilizzata e quindi il costo aggiuntivo non porta vantaggi. Se è sufficiente una velocità variabile, un motore asincrono controllato da inverter rappresenta una soluzione molto più economica. Il servo è economicamente giustificato solo quando è realmente necessaria un’elevata precisione di posizionamento o sincronizzazione.
Un servomotore può funzionare senza servoazionamento?
No. Il servoazionamento è l’unità che alimenta gli avvolgimenti del servomotore nella sequenza e con la corrente corrette, leggendo e valutando al contempo il segnale dell’encoder. Applicare direttamente tensione al motore non genera un movimento controllato. Inoltre motore e servoazionamento devono essere compatibili; se capacità di corrente, tipo di encoder e protocollo di comunicazione non corrispondono al motore, il sistema non funziona.
Un servomotore mantiene la posizione quando manca alimentazione?
Quando l’alimentazione viene interrotta, il motore non può più generare coppia di mantenimento; sugli assi verticali il carico può quindi scendere per effetto del proprio peso. Nelle applicazioni con questo rischio si utilizza un freno elettromagnetico che si inserisce in assenza di alimentazione. Per non perdere l’informazione di posizione si preferisce un encoder assoluto; con una batteria di backup, questo tipo di encoder memorizza la posizione anche dopo un’interruzione di corrente ed elimina la necessità di eseguire nuovamente l’azzeramento della macchina.
