Ingegneria e Tecnologie dei Sistemi di Controllo Sensori per Grandezze Meccaniche

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1 Ingegneria e Tecnologie dei Sistemi di Controllo Sensori per Grandezze Meccaniche Ing. Andrea Tilli DEIS Alma Mater Studiorum Università di Bologna atilli@deis.unibo.it Revisionato: 13/11/24

2 Posizione Potenziometro Trasformatore Differenziale Lineare - LVDT Resolver Encoder Velocità Dinamo tachimetrica Deformazione Estensimetro Forza Sensori per grandezze meccaniche Estensimetri su strutture meccaniche Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 2

3 Potenziometro Sensore di posizione Grandezza misurata (ingresso) rotazione o spostamento lineare Grandezza di uscita tensione Tipo di sensore modulante Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 3

4 Potenziometro Sensore modulante Vref Vout Caratteristiche essenziali Risoluzione: >.1% Linearità: : >.1% Resistenza: 1K 1K Ω Numero di giri: 1 1 Problemi di interfacciamento Tensione di riferimento autoriscaldamento impedenza di uscita interfacciamento disturbi elettromagnetici Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 4

5 Trasformatore Differenziale Lineare - LVDT Sensore di posizione Grandezza misurata (ingresso) spostamento Grandezza di uscita segnale analogico modulato Tipo di sensore modulante (campo magnetico) sensore (coppia di avvolgimenti) Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 5

6 Trasformatore Differenziale Lineare - LVDT X> X< S1 S2 V1 V2 Vout = (V2 -V1) Vin=Vm sin ωt sensore modulante = Vm(X) sin (ωt+ ϕ) ϕ = se X> ϕ = π se X< Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 6

7 Trasformatore Differenziale Lineare - LVDT sensore modulante Caratteristiche essenziali Risoluzione: 2 2µm m (lineare) Sensibilità: : 5 1mVout out/( /(mmvin Linearità: :.1.5 % Campo di misura: 1 1 cm Frequenza di ecc.: 1 5 KHz Vout = (V2 -V1) = Vm(X) sin (ωt+ ϕ) ϕ = se X> in) Problemi di interfacciamento demodulazione dell uscita stabilità del generatore di riferimento ϕ = π se X< Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 7

8 Resolver Sensore di velocità/posizione Grandezza misurata (ingresso) rotazione Grandezza di uscita segnale analogico modulato Tipo di sensore modulante (campo magnetico) sensore (coppia di avvolgimenti) Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 8

9 Principio di funzionamento Generatore flusso V G dφ Resolver CG CS = S dt V = dφ dt flusso concatenato ϑ Sensore No corrente su sensore e B pressoché costante su S: Φ CG = SG B G (t) Φ CS = SB S G (t)cos( ϑ(t)) In un Resolver reale il campo è generato da due avvolgimenti e vi sono due sensori Se ϑ costante: V(t) S = S S/SGV G(t)cos( ϑ) NB: non può lavorare con Vg continua. Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 9

10 Schema di massima di Resolver con 2 poli Resolver Generatori V4 V3 V2 V1 Rivelatori Generatori di riferim. V3=Vmsenωt V4=Vmsenωt Sensori V1=V3cosϑ + V4senϑ V2=V4cosϑ - V3senϑ se V3=V V1=Vmsenϑsenωt V2=Vmcosϑsenωt Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 1

11 Segnale di uscita Resolver: : caratteristiche generali tensione alternata modulata in ampiezza dalla posizione occorre demodulare ricavare ϑ da sen ϑ e cos ϑ Due segnali modulati in quadratura possibilità di ricostruire la posizione su tutti i 36 semplificazione dell inversione delle funzioni trigonometriche Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 11

12 Resolver: : caratteristiche generali Realizzazione schematica di un Resolver per misura di posizione primario rotante Vs1 secondari fissi assi magnetici in quadratura 3 avvolgimenti: 1 sola eccitazione 2 uscite Vr Vs2 Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 12

13 Caratteristiche tecniche essenziali Resolver: : caratteristiche generali linearità: :.1.5% risoluzione:.1.5 sensibilità: : 5 1mV/ (Vref=2V) Frequenza tensione di riferimento: 1 2Khz Per l acquisizione l e la conversione digitale convertitore speciale (RTD) Realizzazioni con 2P poli maggiore risoluzione misura assoluta su 1/P di giro Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 13

14 Pregi Resolver sensore assoluto nel giro (elettrico se realizzato con più coppie polari) costo contenuto rispetto ad altri sensori (Encoder( Encoder) idoneo al funzionamento in ambienti ostili all interno di motori Difetti richiede una tensione di riferimento sinusoidale uscita funzione non lineare della posizione spazzole sul rotore nelle versioni standard Sensore di posizione/velocità standard negli azionamenti per motori sincroni (Brushless( Brushless) Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 14

15 Errori dinamici Misura di posizione in movimento la rotazione genera tensioni di uscita spurie che possono degradare la qualità della misura Ipotesi rotazione a velocità costante rotore e statore puramente induttivi ϑ( t) = ϑ + αt Resolver Tensione di eccitazione Flusso di eccitazione V ϕ r r = V m K = V ω sin( ωt) m cos( ωt) Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 15

16 Resolver - Errori Dinamici flussi concatenati di statore ϕ ϕ cs1 cs2 K = V ω K = V ω m m cos( ωt)cos( ϑ cos( ωt)sin( ϑ + αt) + αt) Tensione di eccitazione Flusso di eccitazione V ϕ r r = V m K = V ω sin( ωt) m cos( ωt) Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 16

17 flussi concatenati di statore ϕ ϕ cs1 cs2 K = V ω K = V ω Resolver - Errori Dinamici m m cos( ωt)cos( ϑ cos( ωt)sin( ϑ + αt) + αt) tensione di statore tensione di statore V V s1 errore dinamico s2 errore dinamico = = dϕ dt cs1 dϕ dt cs2 = cos( ωt)cos( ϑ + αt) Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 17 = KV α + ω m KV α ω sin( ωt)cos( ϑ V m V m cos( ωt)sin( ϑ sin( ωt)sin( ϑ m + αt) + + αt) + αt) +

18 Resolver - Errori Dinamici Per ridurre gli effetti degli errori dinamici frequenza di eccitazione maggiore per velocità di rotazione elevate demodulazione sensibile alla fase della portante tensione di statore tensione di statore V V s1 errore dinamico s2 errore dinamico = = dϕ dt cs1 dϕ dt cs2 = cos( ωt)cos( ϑ + αt) Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 18 = KV α + ω m KV α ω sin( ωt)cos( ϑ V m V m cos( ωt)sin( ϑ sin( ωt)sin( ϑ m + αt) + + αt) + αt) +

19 Resolver - Errori Dinamici Per ridurre gli effetti degli errori dinamici frequenza di eccitazione maggiore per velocità di rotazione elevate demodulazione sensibile alla fase della portante segnale utile segnale spurio Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 19

20 Resolver - Errori Dinamici Per ridurre gli effetti degli errori dinamici frequenza di eccitazione maggiore per velocità di rotazione elevate demodulazione sensibile alla fase della portante demodulazione del valore di cresta segnale utile segnale spurio Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 2

21 Resolver - Errori Dinamici Per ridurre gli effetti degli errori dinamici frequenza di eccitazione maggiore per velocità di rotazione elevate demodulazione sensibile alla fase della portante demodulazione a valor medio nel semiperiodo segnale utile segnale spurio Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 21

22 Convertitore da Resolver a digitale Schema di principio V4cosϑ V4senϑ V4=Vmsenωt x senφ x cosφ φ U/D counter V4sen(ϑ Φ) - + VCO Demodulat. 1 1+sT1 s 1+sT2 sen(ϑ Φ) latch Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 22

23 Encoder Sensore di velocità/posizione Grandezza misurata (ingresso) rotazione o spostamento rettilineo Grandezza di uscita segnale logico o numero digitale Tipo di sensore modulante = campo luminoso sensore = effetto fotoelettrico Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 23

24 Encoder Principio di funzionamento Lampada Interferente Campo Collimatore Fotosensore Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 24

25 Encoder rotativo assoluto Grandezza di uscita valore digitale ad n bit misura di posizione assoluta in un giro Disco interferente codificato 4 bit 4 bit Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 25

26 Encoder rotativo assoluto Pregi uscita direttamente utilizzabile dalla unità di elaborazione non necessita di azzeramento (sensore assoluto) mantiene l informazione l di posizione anche in assenza di alimentazione Difetti costo elevato costo crescente con la risoluzione il numero di bit utilizzati per la codifica (<12/14) sensore assoluto nel giro elettronica esterna se utilizzato su più giri Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 26

27 Encoder rotativo incrementale Grandezza di uscita sequenza di impulsi misura di rotazione incrementale codificatore a 1 bit + zero 3 Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 27

28 Encoder rotativo incrementale Pregi costo contenuto incremento di costo limitato con la risoluzione standard fino 5 impulsi/giro sensore incrementale Difetti elettronica esterna di conteggio e discriminazione del verso di rotazione necessita di azzeramento (sensore incrementale) perde l informazione l di posizione in assenza di alimentazione Sensore di posiz./velocit./velocità standard industriale Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 28

29 Riga ottica lineare Sensore per spostamenti lineari realizzato come l Encoder incrementale ma con geometria lineare barra rettilinea disco stesse caratteristiche Caratteristiche standard lunghezza anche maggiore di 1 metro precisione dell ordine di qualche µm A B fotoelementi Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 29

30 Segnali di uscita Encoder incrementali 2 segnali in quadratura + 1 segnale di zero A+B servono per discriminare il verso di rotazione A B 1/4P passo P Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 3

31 Encoder incrementali Discriminazione del verso di rotazione rotazione oraria: A precede B A B A B fotoelementi Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 31

36 Encoder incrementali Discriminazione del verso di rotazione sul fronte di salita di A il segnale B è sempre A B A B passo P fotoelementi Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 36

37 Encoder incrementali Discriminazione del verso di rotazione rotazione antiorariaoraria: : A segue B A B A B fotoelementi Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 37

38 Encoder incrementali Discriminazione del verso di rotazione rotazione antioraria: A segue B A B A B fotoelementi Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 38

42 Encoder incrementali Discriminazione del verso di rotazione sul fronte di salita di A il segnale B è sempre 1 A B A B fotoelementi Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 42

43 Moltiplicazione degli impulsi Encoder incrementali A B x2 Attenzione aumenta la risoluzione (x2 o x4) non aumenta altrettanto la precisione x4 Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 43

44 Encoder incrementali Circuiti per la moltiplicazione degli impulsi A B XOR x2 Mono stabile M1 x2 x2 M1 M2 NOT x2 Mono stabile OR M2 circuito moltiplicatore per 4 x4 Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 44

45 Encoder incrementali Interfaccia di acquisizione B X 2 o X 4 A Clk U/D Funzioni svolte discriminazione verso moltiplicazione impulsi accumulo posizione assoluta A O Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 45

46 Posizione Encoder Resolver LVDT Velocità Dinamo tachimetrica Deformazione Estensimetro Forza e Pressione Sensori per grandezze meccaniche Estensimetri su strutture meccaniche Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 46

47 Sensore di velocità Motore a collettore usato a rovescio se fatto ruotare genera una tensione Grandezza misurata (ingresso) velocità angolare Grandezza di uscita tensione Tipo di sensore autoeccitante Dinamo tachimetrica Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 47

48 Principio di funzionamento Dinamo tachimetrica N ϑ V=KdΦc dt S Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 48

49 Pregi sensore assoluto costo contenuto idoneo al funzionamento in ambienti ostili all interno di motori Difetti contatti striscianti ripple strutturale sull uscita misura solo la velocità Dinamo tachimetrica Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 49

50 Dinamo tachimetrica Caratteristiche tecniche essenziali linearità: :.5 1% sensibilità: : 5 1V/1 rpm ampiezza del ripple: : 1 2% Sensore di velocità standard negli azionamenti per motori a collettore Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 5

51 Posizione Encoder Resolver Velocità Dinamo tachimetrica Deformazione Estensimetro Forza e Pressione Sensori per grandezze meccaniche Estensimetri su strutture meccaniche Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 51

52 Grandezza misurata deformazione Grandezza in uscita resistenza Tipo di sensore modulante piezoresisitivo Per la misura circuito per la trasformazione in una tensione Estensimetro Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 52

53 Estensimetro o Strain gage Strain ε = L/L ε adimensionale = deformazione relativa a film metallico più comune 1mm a semiconduttore per applicazioni integrate.5mm piezoresistenza Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 53

54 Estensimetro Trasformazione della variazione di resistenza in tensione 1 estensimetro deformato R Vref R Vout 4 R R+ R ponte intero di Wheatstone V out = = V V ref ref R + R 2R + R R R R R se R R << 1 R 2R V ref 1 4 R R Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 54

55 Estensimetro Trasformazione della variazione di resistenza in tensione 4 estensimetri deformati R+ R Vref 1 R- R R R R+ R V out = V ref R = + R 2R V ref R R R R 2R Vout ponte intero di Wheatstone relazione lineare Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 55

56 Estensimetro Gage factor fattore caratteristico di ogni estensimetro R R GF= R = R = V L ε V L Vout 1 ε = = V GF KV ref out out ref 1 ε strain se ho 4 estensimetri identici deformati misura raziometrica Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 56

57 parametro Caratteristiche tecniche essenziali film metallico semiconduttore Estensimetro GF 2 ± 1% 1 ±3% Rnom( Ω) 12, 35 molti valori R/ T(p.p.m / C)/ linearità dipende dall allestimento allestimento meccanico E possibile adattare R/ T al tipo di materiale di supporto per compensare le deformazioni apparenti dovute agli effetti termici combinati Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 57

58 Posizione Encoder Resolver Velocità Dinamo tachimetrica Deformazione Estensimetro Forza e Pressione Sensori per grandezze meccaniche Estensimetri su strutture meccaniche Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 58

59 Forza Estensimetri incollati su una struttura metallica che si deforma con l applicazione della forza F deformazione assiale F deformazione flessionale Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 59

60 Forza Caratteristiche tecniche essenziali sull uscita uscita del ponte estensimetrico sensitività: : 2mV/V a 1µε uscita: 2µV/µε nonlinearità: : <.5% I valori in forza e la linearità dipendono dal materiale di supporto Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 6

61 Ingegneria e Tecnologie dei Sistemi di Controllo Sensori per Grandezze Meccaniche Fine Ing. Andrea Tilli DEIS Alma Mater Studiorum Università di Bologna atilli@deis.unibo.it