Experimental investigation of an adaptive sensorless openloop strategy of mechanical systems with stepper motors

In this thesis project, an experimental investigation of an adaptive sensor-less open-loop strategy for mechanical systems through stepper motors is developed. These electric actuators are usually selected because it is possible to realise an open-loop driving logic, thanks to their intrinsic property of performing incremental movements of a fixed quantity called step. Unfortunately, during the transport of heavy loads, a problem of step loss might occur. Especially if the motor is driven by activating the micro-step mode, required in order to obtain a fluid movement of the system. Therefore, the main objective of this thesis is the realisation of a driving logic able to modify the trajectory of motion, in the event of step loss, with the aim of bringing the system back to safe conditions. The control logic has been developed by studying the main components of the mechanical system, which are the cart, the belt-and-pulley transmission, the linear guides, the stepper motor, the driver, and the Raspberry Pi board. An appropriate theoretical model is realised, used for numerical analyses. Then, by choosing the reference trajectory for the motion, a study of the kinematics of the system was conducted, in order to implement an adaptive driving logic. The latter is able to modulate the speed profile chosen, so as to minimize the time trajectory and reduce the risk of step loss. Finally, the results of the experimental tests performed in the laboratory validated the coded logic and allowed the achievement of the objectives established at the beginning of the project. It demonstrates that, although feedback control systems are usually employed to solve step loss, it is possible to adopt an open-loop control strategy. This is sought in order to obtain advantages such as simplification of control and cost savings on the use of sensors.

Questo progetto di tesi tratta dello studio effettuato per l'implementazione di una logica di pilotaggio adattiva per un posizionatore lineare, movimentato tramite motore passo-passo, senza l'uso di sensori e senza conoscerne il carico. Si sceglie tale attuatore elettrico poiché, grazie alla sua proprietà intrinseca di eseguire spostamenti incrementali di una quantità fissa, è possibile sviluppare una logica di controllo ad anello aperto. Tuttavia, per carichi ingenti, si può presentare il problema della perdita del passo.\\ \noindent Soprattutto, se si pilota il motore attivando la cosiddetta modalità micropasso, la quale è indispensabile al fine di ottenere un movimento fluido del sistema meccanico. Dunque, l'obiettivo principale che si vuole soddisfare riguarda la realizzazione di una logica di pilotaggio in grado di intervenire, in caso di perdita di passo, sulla traiettoria del moto, di modo tale da riportare il sistema in condizioni di sicurezza.\\ \noindent La logica di controllo è stata sviluppata basandosi sullo studio dei diversi componenti del sistema meccanico, quali: il carrello, la trasmissione cinghia e puleggia, le guide lineari, il motore passo-passo, il driver e la scheda Raspberry Pi. Dopodiché si è realizzato un opportuno modello teorico atto alle simulazioni in ambiente Simulink. Scelta la traiettoria di riferimento, si è sviluppato uno studio sulla cinematica del sistema, con il fine di implementare una logica di pilotaggio adattiva. Quest'ultima è in grado di modulare il profilo di velocità scelto, in modo tale da minimizzare il tempo complessivo della traiettoria e nel contèmpo ridurre il rischio di perdita di passi. In fine, i risultati delle prove sperimentali fatte in laboratorio hanno validato la logica realizzata, permettendo il raggiungimento dell'obiettivo prefissato. Quest'applicazione va a dimostrare che, nonostante usualmente si adottino sistemi di controllo in retroazione per risolvere la perdita del passo, sia possibile comunque adottare una strategia di controllo ad anello aperto. Quest'ultima è ricercata al fine di ottenere vantaggi come: la semplificazione del controllo e il risparmio economico sull'uso di sensori.