UNIVERSITÀ DI UDINE Dipartimento di Ingegneria Elettrica, Gestionale e Meccanica Via delle Scienze, UDINE
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1 UNIVERSITÀ DI UDINE Dipartimento di Ingegneria Elettrica, Gestionale e Meccanica Via delle Scienze, UDINE Corso di Azionamenti Elettrici II Docente: Ing.. Roberto PETRELLA I trasduttori utilizzati negli azionamenti elettrici: principi di funzionamento, caratteristiche e metodologie di utilizzo Aggiornato al
2 Introduzione Generatore Sensori Convertitore Sensori Motore Sensori Carico Grandezze elettriche Segnali di controllo Sistema di controllo digitale Grandezze elettriche Grandezze meccaniche Ingressi di comando Le grandezze elettriche e meccaniche normalmente necessarie al controllo di un azionamento elettrico sono: Corrente * Tensione * Posizione Velocità Coppia Slide 2
3 Introduzione La misura di tali grandezze viene effettuata attraverso l utilizzo di trasduttori che permettono ottenere segnali elettrici a bassa potenza proporzionali a quelli effettivi. Sistema ambiente Sistema misurato Trasduttore Sistema utilizzatore Sistema ausiliario Tali segnali (di tensione o di corrente) debbono essere opportunamente condizionati prima di poter essere utilizzati. Il condizionamento è richiesto allo scopo di adattare le caratteristiche elettriche dell uscita del trasduttore a quelle del sistema utilizzatore (ad es. scalamento, conversione I/V, conversione A/D, etc.) Slide 3
4 Introduzione La scelta del tipo di trasduttore da utilizzare è legata a motivi di tipo: Tecnico Economico Principio di funzionamento e bilancio energetico (attivo/passivo) Campo di misura Precisione, risoluzione, linerarità, offset, etc. Risposta nel tempo (tempo di risposta) Risposta in frequenza Tipo e campo di uscita Caratteristiche meccaniche Caratteristiche termiche Affidabilità (MTBF) Caratteristiche di isolamento in/out Slide 4
5 Introduzione Che cosa vedremo: Metodi di misura di corrente e tensione: Trasduttori ad effetto Hall Trasduttori resistivi Metodi di misura di posizione e/o velocità: Encoder incrementale Encoder assoluto Tacho generator Resolver Slide 5
6 Trasduttori ad effetto Hall Principio di funzionamento: effetto Hall scoperto nel 1879 da Edwin Herbert Hall alla John Hopkins University in Baltimore Generatore di Hall Una sottile lastra di materiale semiconduttore di spessore d viene attraversata logitudinalmente da una corrente di controllo I C. L induzione magnetica B genera una forza di Lorentz F L diretta perpendicolarmente ai portatori di carica che compongono la corrente I C. Questo causa una variazione del numero e del tipo di portatori di carica agli estremi trasversali della lastra creando una differenza di potenziale che chiameremo V H (tensione di Hall). Slide 6
7 Trasduttori ad effetto Hall Tensione di Hall V H = (K/d) I C B d: spessore della lastra K: costante di Hall (funzione del materiale della lastra) Problemi Dipendenza della sensitività e dell offset della tensione di Hall dalla temperatura Errori di linearità Slide 7
8 Trasduttori ad effetto Hall ad anello aperto Il vettore induzione B viene generato dalla corrente I P da misurare(corrente primaria) La corrente di controllo I C viene fornita da un generatore di corrente Trasduttore ad anello aperto Slide 8
9 Trasduttori ad effetto Hall ad anello aperto All interno della regione lineare del ciclo di isteresi, il flusso B è proporzionale a I P Curva di magnetizzazione B air gap = k 1 I P V H = (K/d) I C B k 1 I P V H = k I P Slide 9
10 Trasduttori ad effetto Hall ad anello chiuso Non si misura V H ma si genera (e si misura) quella corrente I S che annulla l induzione B generata dalla corrente primaria I P Il dispositivo opera con flusso magnetico risultante nullo (B P -B S = 0) Trasduttore ad anello chiuso Slide 10
11 Trasduttori ad effetto Hall ad anello chiuso L entità della corrente I S è notevolmente inferiore a I P poiché viene utilizzato un numero elevato di spire (es. N S = 1000) B S = B P N P I P = N S I S I S = (N P I P ) / N S Esempio: N P = 1 - I P = 100 A - N S = 1000 I S = (N P I P ) / N S = 100 ma Problema Assorbimento di corrente dall alimentazione Slide 11
12 Trasduttori ad effetto Hall Caratteristiche principali Eccellente precisione Buona linearità Bassa deriva termica (Closed loop) Bassi tempi di risposta Buona risposta in frequenza (200kHz) Non producono alterazioni sul circuito da misurare Uscita in corrente (Closed loop) Sopportano sovraccarichi elevati Isolamento in/out Slide 12
13 Open loop Slide 13
14 Closed loop Slide 14
15 Trasduttori ad effetto Hall ad anello chiuso Estensione alla misura di tensione Trasduttore di corrente nel quale la corrente primaria viene generata a partire dalla tensione da misurare (partitore R 1 -R P ) Il numero di spire del circuito primario viene aumentato in modo da creare l induzione magnetica B P mediante una corrente di piccola entità Circuito equivalente di un trasduttore di tensione Slide 15
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17 Trasduttori ad effetto Hall Sistema di acquisizione Sample/Hold e Conversione A/D Amplificazione Convertitori I/V Trasduttori Hall T c Slide 17
18 Trasduttori ad effetto Hall Andamento della corrente nel periodo di modulazione (fase A) La sincronizzazione degli istanti di campionamento delle correnti di fase con l inizio (o la fine) del periodo di modulazione permette di ridurre sostanzialmente l influenza del ripple di corrente dovuto alla modulazione stessa. Slide 18
19 Trasduttori resistivi Metodologia di utilizzo: l idea è quella di misurare la d.d.p. ai capi di uno o più resistori (shunt) opportunamente disposti all interno del convertitore. Positive DC rail leg A leg B leg C PWM signals Shunt Shunt A Phase A Shunt B Phase B Shunt C Phase C Negative DC rail Current signals Induction Motor V dc Schema del convertitore con gli shunt In funzione del tipo di segnali di comando degli interruttori del convertitore, le correnti che scorrono sugli shunt sono legate alle correnti che scorrono nelle fasi del motore. Slide 19
20 Trasduttori resistivi Problematiche: gli shunt sono attraversati dalla stessa corrente che alimenta il motore modifica della reattanza serie complessiva variazione di resistenza dovuta al riscaldamento la corrente ha fronti molto ripidi (ma non istantanei) sono necessari shunt a bassa induttanza equivalente serie il valore assoluto dell d.d.p. è piccolo (<10-1 V) basso SNR si perde l isolamento fra sezione di controllo e sezione di potenza (supponendo di non voler utilizzare amplificatori operazionali isolati) in particolari condizioni operative il legame tra i segnali forniti dagli shunt e le correnti di fase del motore non è banale (anche a causa della non idealità del sistema controllo+convertitore) Slide 20
21 Encoder ottico Principio di funzionamento: l informazione sulla posizione angolare (relativa o assoluta) è memorizzata su un disco fotoinciso calettato all albero del trasduttore. Tale informazione viene letta e manipolata durante la rotazione dell albero stesso. Slide 21
22 Encoder incrementale Nel caso di encoder incrementale, l informazione è normalmente rappresentata da due serie di segnali ad onda quadra, fra loro sfasati di un ±¼ di periodo (±90 ) in funzione del senso di rotazione (informazione relativa). Il numero di cicli Q (di A oppure di B) all intero di un giro meccanico definisce la risoluzione R dell encoder: R gradi = 360 / Q (gradi) N = log 2 Q (bit) Normalmente è presente un ulteriore impulso C generato ogni giro meccanico (informazione assoluta). Slide 22
23 Encoder incrementale La posizione relativa viene ottenuta a partire daii segnali A e B e dal loro sfasamento relativo attraverso due approcci simili ma fondamentalmente distinti: viene identificato il senso di rotazione e vengono contati i fronti/transizioni (di salita, di discesa o entrambi) dei due segnali A e B attraverso un contatore up/down; viene identificato il senso di rotazione e la posizione attraverso l analisi della sequenza degli stati dei due segnali A e B attraverso una macchina a stati finiti. È possibile aumentare di un fattore 2 o 4 la risoluzione di un encoder incrementale. Slide 23
24 Misura di velocità angolare Un encoder di tipo incrementale viene convenientemente utilizzato, oltre che per la misura di posizione angolare, anche per la misura di velocità angolare. θ(k) θ(k 1) Differenziazione della posizione ωˆ = T problemi a bassa velocità (errore di quantizzazione); risposta lenta. Osservatori di velocità dipendenza dai parametri per quelli basati sul modello del sistema fisico; elevato peso computazionale. Misura di periodo e/o frequenza dei segnali A o B necessitano di hardware specifico; problemi a coprire range estesi di misura. ωˆ = θ t(k) - t(k -1) Slide 24
25 Encoder assoluto Nel caso di encoder assoluto, l informazione sulla posizione dell albero è ottenuta attraverso una sequenza binaria (naturale o Gray o...) a N bit. Tale sequenza viene normalmente rappresentata utilizzando, ad esempio, la codifica naturale o quella Gray. Codice Gray Binario naturale MSB In questo caso il numero di bit N con il quale si rappresenta la sequenza binaria definisce la risoluzione R dell encoder: R gradi = 360 / 2 N (gradi) R bit = N (bit) Slide 25
26 Encoder Virtual Absolute (VA TM ) TM ) Principio di funzionamento: come nel caso degli encoder ottici tradizionali, l informazione sulla posizione angolare (assoluta) è memorizzata su un disco fotoinciso calettato all albero del trasduttore. In questo caso, però, l informazione è il frutto dell elaborazione di due tracce distinte: una traccia ciclica, come nel caso di encoder incrementale; una traccia indice nella quale l informazione assoluta è memorizzata serialmente (come, ad esempio, un codice a barre). L informazione sulla posizione assoluta non è pertanto disponibile ad albero fermo, ma soltanto soltanto dopo che il codice associato a quella particolare posizione sia stato letto e interpretato. È perciò necessario un movimento di inizializzazione che è tipicamente dell ordine del grado. Slide 26
27 Tacho generator Principio di funzionamento: è un trasduttore di velocità angolare costituito da un rotore sul quale sono montati dei magneti permanenti e alcuni avvolgimenti statorici. La tensione indotta dal flusso di rotore nelle fasi di statore è pressoché sinusoidale con ampiezza e frequenza funzione della velocità di rotazione. V ω emf emf = = K V ω pp ω m m Problematiche: bassa risoluzione se pp è piccolo (normalmente pp=8) problemi a bassa velocità (errore di quantizzazione); risposta lenta. basso SNR del segnale di uscita non è possibile discriminare il senso di rotazione Slide 27
28 Tacho generator Tipico segnale di uscita (pp=8, ω mecc =2πf m,f m =20Hz, T m =1/f m =50ms) La misura della velocità viene di solito effettuata mediante misure di periodo e/o frequenza di tale segnale opportunamente elaborato (ridotto ad onda quadra) è necessario di hardware specifico; problemi a coprire range estesi di misura. Slide 28
29 Resolver Slide 29
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