Sistema per il controllo di attuatori lineari e lettura sensori di posizione LVDT e temperatura

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"La flessibilità di LabVIEW ha permesso di rispettare le specifiche applicative, sfruttando e realizzando un prodotto che va ben oltre le richieste di progetto."

- M. Vona, LTG ELETTRONICA

The Challenge:
Unificare in un singolo EGSE di tipo trasportabile un insieme completo di funzionalità di telecontrollo e supervisione di attuatori lineari utilizzati per il puntamento delle antenne a bordo di satelliti per telecomunicazioni.

The Solution:
Si è scelto di utilizzare NI LabVIEW in ambiente MS Windows XP e DAQ board PCI-6221 interfacciata ad un controller realizzato per comandare i motori passo-passo e acquisire la posizione tramite trasduttori di spostamento induttivi (LVDT) utilizzando il dispositivo AD598 della Analog Devices.

Author(s):
M. Vona - LTG ELETTRONICA

Abstract
Il sistema sviluppato è composto da una postazione di controllo (PC) integrata nel rack dell'interfaccia.
Seguono le principali caratteristiche e funzioni del sistema:
• controllo e movimentazione di 4 attuatori lineari che utilizzano motori passo-passo sia di tipo bipolare bifase che bipolare trifase in modalità standard (full step), mezzo passo (half step) o personalizzabili;
• controllo delle temperature attraverso 16 termistori di tipo NTC o PTC, commerciali o personalizzabili;
• condizionamento automatico delle temperature attraverso 16 riscaldatori;
• rilevamento della posizione assoluta degli attuatori attraverso la caratterizzazione della lettura dei sensori di posizione LVDT di ogni singolo attuatore per l'intera escursione;
• programmazione sequenziale di cicli di movimentazione;
• ampia e dettagliata registrazione delle operazioni (log file) in formato compatibile con i comuni fogli elettronici.

Articolo
Nel corso dello sviluppo di questo apparato il punto chiave è stato conciliare la richiesta del committente di un'indicazione precisa della posizione dell'attuatore con la tecnologia utilizzata per il sensore di posizione, ovvero un trasduttore di spostamento induttivo LVDT (Linear Variable Differential Transformer).
Il trasduttore è composto da un cilindro con un avvolgimento primario e due avvolgimenti secondari posti sullo stesso asse; i due secondari sono avvolti in maniera speculare rispetto al piano di simmetria ortogonale al piano di simmetria. All'interno del cilindro scorre un nucleo di materiale ad alta permeabilità magnetica. Eccitando il primario con una tensione alternata viene indotta sugli avvolgimenti secondari una forza elettromotrice. Se il nucleo si trova al centro, la tensione indotta sugli avvolgimenti secondari è uguale e contraria essendo avvolti in senso opposto, e la tensione risultante è nulla. Spostando il nucleo in una direzione aumenta, l'accoppiamento induttivo con uno dei due secondari e di conseguenza il segnale di uscita varia proporzionalmente allo spostamento del nucleo. Questo tipo di trasduttori permette di rilevare spostamenti dell'ordine di frazioni di micron, ma la linearità della lettura è garantita solo in un dato intervallo attorno al centro, mentre nell'applicazione in oggetto la linearità della lettura deve essere garantita almeno nel 90% della corsa utile.
Per alimentare ed elaborare il segnale del LVDT è stato utilizzato il circuito integrato AD598.
L'acquisizione del segnale avviene attraverso i canali analogici a 16 bit della scheda DAQ PCI-6221 e la linearizzazione è ottenuta con la tecnica della regressione polinomiale: utilizzando un polinomio di 5° grado l'errore massimo tra la posizione effettiva e la posizione rilevata è di +/- 1 step su 5100.
I coefficienti polinomiali sono associati ad ogni singolo attuatore e vengono calcolati dinamicamente attraverso una semplice procedura di caratterizzazione, che consiste nell'acquisire il valore del convertitore A/D associato a ogni step, per tutta l'escursione dell'attuatore. I valori dei coefficienti possono essere salvati e richiamati dal software per adattare la lettura alle varie condizioni di utilizzo, ad esempio per condizioni di temperatura diverse.
Il sistema, pur essendo realizzato per asservire uno specifico tipo di attuatore lineare fornito dal committente, permette un elevato grado di flessibilità in quanto è possibile movimentare attuatori che montano motori passo-passo sia di tipo bifase che trifase con sequenze di stati magnetici standard o a “mezzo passo” o completamente configurabili attraverso un'apposita tabella. Allo stesso modo, è possibile utilizzare termistori di tipo diverso da quelli preimpostati, sia di tipo a coefficiente di temperatura positivo che negativo.
La movimentazione degli attuatori avviene attraverso un apposito pannello di controllo da cui è possibile scegliere se impostare uno spostamento relativo (es. 100 step in una direzione), uno spostamento assoluto (es. muoversi alla posizione 500) oppure uno spostamento verso il centro della corsa. È possibile scegliere la velocità di esecuzione, interrompere momentaneamente o annullare qualsiasi movimentazione, decidere se mantenere o meno eccitato lo stato magnetico alla fine dello spostamento. È inoltre possibile programmare sequenze di movimenti da ripetere ciclicamente n-volte. È infine possibile impostare dei limiti di sicurezza, sia di posizione che di temperatura di esercizio, al di fuori dei quali nessun movimento viene permesso. Ciò per garantire il funzionamento corretto anche in assenza dell'operatore. Il funzionamento del sistema viene registrato su diversi file di log che fotografano interamente i parametri operativi e le operazioni effettuate.

Conclusioni
Si è riusciti a rispettare le specifiche di progetto con una soluzione low cost, sfruttando la flessibilità di LabVIEW, realizzando un prodotto che va ben oltre le richieste di progetto. Alcune delle analisi dei dati di movimento non erano possibili prima di realizzare il sistema descritto. Il sistema è stato ottimizzato per essere contenuto in un case facilmente trasportabile e rapidamente convertibile in una comoda workstation. L'aspetto professionale del software e la razionalità dei comandi, rende il suo utilizzo user friendly con piena soddisfazione del committente, e nostra.

Author Information:
M. Vona
LTG ELETTRONICA

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