Controllo del movimento: Dispositivi di movimento lineare: Cos’è un attuatore voice-coil?

JAMES MITCHELL

Un attuatore voice-coil, noto anche come attuatore lineare DC non commutato, è un tipo di motore lineare a trazione diretta. Il termine “voice coil” deriva da una delle sue prime applicazioni storiche: far vibrare il cono di carta di un altoparlante. Questi dispositivi sono attualmente utilizzati per una vasta gamma di applicazioni, compreso lo spostamento di masse molto più grandi. Per esempio, nell’ottica, gli attuatori a bobina sono tipicamente usati in applicazioni di messa a fuoco, sistemi oscillatori, inclinazione di specchi e controllo di posizione in miniatura fino a tre assi.

Questo tipo di attuatore consiste in un gruppo a campo magnetico permanente (una combinazione di magneti permanenti e acciaio ferroso) e un gruppo di bobine. La corrente che scorre attraverso il gruppo di bobine interagisce con il campo magnetico permanente e genera un vettore di forza perpendicolare alla direzione della corrente. Il vettore di forza può essere invertito cambiando la polarità della corrente che scorre attraverso la bobina.

Gli attuatori lineari DC non commutati sono capaci di uno spostamento fino a 5 pollici e sono disponibili in una gamma di dimensioni, da dispositivi che generano poche once di forza ad altri che generano diverse centinaia di libbre di forza (vedi tabella 1). Inoltre, gli attuatori voice-coil possono muoversi bidirezionalmente, hanno una forza relativamente costante su tutta la corsa, e possono essere utilizzati per applicazioni di posizione o forza ad anello aperto o chiuso.

Un attuatore a bobina genera una forza basata sull’interazione di conduttori portatori di corrente in un campo magnetico permanente. La forza generata dalla bobina è proporzionale al prodotto incrociato della corrente che scorre attraverso la bobina e il flusso magnetico nel campo magnetico permanente, come dettato dall’equazione della forza di Lorentz. In un semplice esempio illustrativo, la forza F prodotta su un filo rettilineo di lunghezza L che trasporta una corrente I e orientato perpendicolarmente a un campo magnetico B (F, I e B sono vettori) è:

F = IL × B

(Il calcolo è più complicato per i dispositivi reali a causa della loro geometria non rettilinea del filo e del diverso orientamento dei fili della bobina rispetto al campo magnetico.)

La forza generata è relativamente costante per tutta la corsa dell’attuatore, con piccole diminuzioni di forza all’inizio e alla fine della corsa. Sia il gruppo della bobina che il gruppo del campo magnetico permanente possono essere usati come membro mobile in un attuatore a bobina vocale.

Bobina mobile

Gli attuatori a bobina vocale sono disponibili in una varietà di pacchetti – il tipo che la maggior parte delle persone conosce è l’attuatore a bobina mobile. Questi tipicamente comprendono una bobina avvolta intorno a una bobina, che può essere fatta da e di numerosi materiali non magnetici, e che si muove dentro e fuori un gruppo a campo magnetico permanente che consiste in un alloggiamento d’acciaio con un gruppo concentrico di magneti permanenti al suo centro (vedi Fig. 1).

Magnete mobile

Un altro tipo comune di attuatore è il design a magnete mobile, dove la bobina è fissa e il gruppo magnetico si muove. Questo cambiamento di costruzione impedisce i cavi della bobina che richiedono un movimento durante il funzionamento. Il pacchetto funziona in modo simile al design a bobina mobile, tranne che invece di una bobina esposta che si muove dentro e fuori il gruppo magnetico, il dispositivo a magnete mobile ha un pistone del gruppo a campo magnetico permanente che si muove dentro un tubo cilindrico della bobina (vedi Fig. 2). Questo stile viene spesso fornito con il gruppo a campo permanente attaccato a un albero e a tappi terminali che contengono cuscinetti, così che questo stile è più comunemente fornito con un sistema di cuscinetti integrato.FIGURA 2. L’attuatore a bobina mobile è più comunemente fornito con un sistema di cuscinetti integrato.

Esistono varianti di questi design di attuatori che permettono una geometria unica e l’integrazione degli attuatori a bobina mobile in numerosi tipi di applicazioni. Alcuni esempi di personalizzazioni disponibili sono:

• Grandi distanze radiali in modo che la bobina vocale possa essere utilizzata in applicazioni a rotazione limitata
• Progetti in cui il motore della bobina vocale è intenzionalmente azionato in un arco (questo è comunemente indicato come un attuatore a bobina vocale rotante)
• Progetti in cui il motore della bobina vocale è intenzionalmente azionato in un arco
• L’uso di materiali a bassa emissione di gas per consentire l’uso in ambienti sotto vuoto
• Integrazione di dispositivi di feedback per il controllo ad anello chiuso

I vantaggi degli attuatori a bobina vocale includono:

• Semplicità di costruzione
• Isteresi molto bassa
• Piccole dimensioni
• Alte accelerazioni
• Nessun cogging (nessuna posizione “preferita”) o commutazione

Selezione dell’amplificatore

È richiesto un amplificatore capace di fornire la corrente e la tensione necessarie per eseguire il movimento desiderato. Per dimensionare l’amplificatore all’attuatore della bobina vocale, è necessario conoscere la corrente continua e di picco, il back emf (per determinare la tensione del bus DC richiesta), la resistenza e l’induttanza dell’attuatore.

Gli amplificatori di tipo brushed sono usati per far funzionare attuatori monofase (a due conduttori). Questi amplificatori possono avere una certa intelligenza incorporata e possono richiedere un software aggiuntivo. Un amplificatore lineare è ideale per l’esecuzione di attuatori a bassa induttanza.

Attuatori a bobina vocale vs. solenoidi

Un altro tipo di dispositivo di movimento, il solenoide, è talvolta confuso con l’attuatore a bobina vocale. Tuttavia, mentre una bobina vocale genera una forza basata sull’interazione di un conduttore di corrente in un campo magnetico permanente, un solenoide genera una forza basata su un campo elettromagnetico che è creato da un conduttore di corrente.

Un solenoide consiste in una bobina che è contenuta in un alloggiamento di acciaio ferroso e in una rondella o lumaca di acciaio mobile. Un campo elettromagnetico è generato dalla corrente applicata alla bobina. L’intensità del campo magnetico determina la quantità di forza che può essere generata dal solenoide. Quando la corrente viene spenta, la forza scende a zero e la molla lo riporta alla sua posizione estesa.

Le forze sono inizialmente elevate-ma man mano che la corsa aumenta, la forza diminuisce. I solenoidi sono tipicamente utilizzati per aprire i chiavistelli o per aprire o chiudere le valvole, e sono utilizzati per applicare una forza di mantenimento o di aggancio.

La questione se utilizzare attuatori a bobina o solenoidi per applicazioni di controllo del movimento a piccolo spostamento si pone spesso. Se la vostra applicazione richiede semplicemente di aprire o chiudere una valvola, un solenoide potrebbe essere un’opzione. Tuttavia, i solenoidi hanno delle limitazioni per quanto riguarda la linearità della forza e la lunghezza della corsa.

Perché gli attuatori a bobina mobile costano in genere più di un solenoide di serie, molti clienti cercano di usare un solenoide quando un attuatore a bobina mobile è la soluzione più appropriata. Alcune applicazioni richiedono una forza costante per tutta la lunghezza della corsa, e in queste situazioni un solenoide è insufficiente a causa della diminuzione della forza attraverso la corsa, mentre un attuatore a bobina mobile fornisce una forza costante (vedi Tabella 2). Questo è particolarmente importante nei sistemi oscillatori. Un altro vantaggio che la bobina vocale fornisce è il controllo della forza senza un dispositivo di feedback perché la forza in uscita (in qualsiasi posizione della corsa) è direttamente proporzionale all’ingresso di corrente.

Voice-Gli attuatori a bobina si prestano generalmente ad una maggiore densità di forza, ottenendo così corse e forze più elevate in un pacchetto di dimensioni più piccole rispetto alle loro controparti a solenoide.

James Mitchell è un ingegnere senior presso H2W Technologies, Santa Clarita, CA; e-mail: [email protected]; www.h2wtech.com.