Elettronica per l'informatica 24/11/03

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1 Contenuto dell unità D 1 Conversione dell energia metodi di conversione, tipi di conversioni e schemi Alimentatori lineari componentistica e tecnologie riferimenti di tensione, regolatori e filtri Alimentatori a commutazione tecniche PWM, topologie buck, boost e buck-boost accumulatori e caricabatterie tecniche di pilotaggio, attuatori, carichi induttivi Gestione della potenza Sistemi low-power, ottimizzazione potenza/prestazioni 2 Lezione D5 3 4 Azionare un sistema elettromeccanico significa mettere in relazione tra di loro almeno quattro mondi differenti: Automazione : control system software & firmware Elettronica : signal processing & control system hardware, elettronica di potenza Elettrica : attuatori (motori, elettromagneti, piezo ) 5 Meccanica : sistema da azionare 6 Lezione D4 - MC

2 Azionamenti elettronici: collegano il mondo delle informazioni con quello elettrico trasformano e dosano l energia in funzione dei segnali di controllo che ricevono ALIMENTAZIONE Azionamenti elettronici: Gli azionamenti fanno uso di circuiti elettronici in grado di trasformare l energia assorbita dall alimentazione per fornirla al carico in funzione dei segnali di comando CONTROL SYSTEM INFORMAZIONE ELECTRONIC POWER DRIVES ENERGIA ELECTRICAL SYSTEM 7 Questi circuiti possono essere lineari, a commutazione e talvolta composti da una combinazione dei due 8 Azionamenti elettronici: La scelta del tipo di azionamento dipende da molti fattori, di tipo elettrico e di sistema ambiente di lavoro specifiche del sistema di alimentazione tipo di carico prestazioni desiderate rendimento voluto nella conversione energetica interfacce verso il sistema di controllo 9 Azionamenti elettronici lineari: sono sostanzialmente degli amplificatori lineari in grado di funzionare con tensioni e correnti elevate. Esistono anche amplificatori operazionali di potenza integrati il rendimento della conversione energetica è piuttosto basso il segnale di uscita è di ottima qualità richiedono conversioni D/A-A/D come interfaccia verso circuiti digitali 10 Azionamenti elettronici a commutazione: esistono svariate topologie, le più diffuse sono il parzializzatore ed il ponte intero il rendimento è generalmente molto elevato il segnale di uscita (salvo filtraggio) è rumoroso la natura dei loro comandi è intrinsecamente digitale (switch on/off) Lezione D4 - MC

3 Motori elettrici I motori elettrici sono un tipico esempio di carico elettrico che richiede un azionamento complesso Compito dell azionamento (opportunamente comandato dal sistema di controllo) è in genere quello di controllare una o più variabili del motore: coppia erogata velocità posizione Motori elettrici: classificazione DC Brushless-DC Brushless-AC Asincroni Stepper In seguito verrà analizzato il principio di funzionamento del motore DC E costituito da tre parti fondamentali Statore: realizzato con magneti permanenti Commutatore: contatti striscianti calettati sull albero del rotore, commutano in modo opportuno la polarità degli avvolgimenti del rotore Rotore (o armatura): avvolgimento rotante composto da numerose spire attraversate da corrente elettrica Il campo generato dall armatura interagisce con quello generato dai magneti dando luogo ad una coppia disponibile sull albero motore Il motore in continua a spazzole è il più semplice da pilotare e per questo molto impiegato 17 La corrente che scorre negli avvolgimenti del rotore produce un campo magnetico in grado di interagire con il campo di statore: il risultato è una coppia sull albero motore La tensione applicata ai capi del rotore è costante, e così si può dire anche della corrente, almeno in prima approssimazione. 18 Lezione D4 - MC

4 La progressiva rotazione dell albero porterà ad affacciarsi i poli opposti di rotore e statore Affinchè il motore non rallenti, è opportuno invertire la corrente nell avvolgimento del rotore In questo modo il campo indotto continuerà a portare il motore in una condizione di instabilità L inversione si ottiene scambiando la polarità della tensione imposta all avvolgimeto del rotore mediante appositi commutatori detti spazzole Le spazzole sono realizzate mediante contatti striscianti opportunamente disposti sull albero del rotore Questo permette di evitare l impiego di un commutatore esterno associato ad un sensore di posizione (è infatti necessario conoscere con una certa precisione quando invertire la tensione) Ai morsetti esterni è quindi sufficiente fornire una tensione continua, il motore stesso provvederà a commutare i suoi avvolgimenti Riproduce ai capi di un altoparlante una tensione proporzionale ad un segnale di riferimento in ingresso ENERGIA 23 INFORMAZIONE ENERGIA A + INFORMAZIONE 24 Lezione D4 - MC

5 Uno schema di principio classico è lo stadio di uscita in classe A-B L uscita in classe A-B, se ben progettata, presenta ottime qualità di precisione e dinamica, ma il rendimento risulta piuttosto scarso MIC A LEVEL SHIFTER 25 La causa principale è dovuta al fatto che gran parte della V AL - cade ai capi dei transistori finali, mentre questi sono percorsi dalla corrente desinata al carico, e non potrebbe essere altrimenti, visto che lo stadio è lineare V AL I OUT 26 Volendo migliorare il rendimento dell amplificatore sarebbe necessario diminuire la V CE dei transistori ad un valore tale da tenerli accesi in linearità (pochi volt), ma per fare questo devo poter variare la V AL mentre l amplificatore funziona classe H Si può invece usare un convertitore DC-DC a commutazione (alto rendimento) per variare dinamicamente l alimentazione, e minimizzare così le perdite sui transistori finali Chiaramente non posso farlo con un altro amplificatore lineare, sposterei unicamente il problema altrove I OUT V AL MIC A SWITCHING DC-DC LEVEL SHIFTER Lezione D4 - MC

6 Motore DC: modello elettrico Da un punto di vista elettrico un motore DC si può modellare con il circuito qui rappresentato R a ed L a dipendono dall avvolgimento del rotore, mentre E BEMF rappresenta la forza controelettromotrice, proporzionale alla variazione di flusso e quindi alla velocità di rotazione del motore, la coppia erogata è invece funzione della corrente I MOT MOT R a L a E BEMF + E = BEMF K E Ω T = K T I MOT R I MOT MOT R a L a E BEMF + E = BEMF K E Ω T = K T I MOT R Motore DC Viste le equazioni precedenti, si possono identificare 4 zone di funzionamento in funzione dei segni di V ed I ROT. INDIETRO FRENO ROT. INDIETRO MOTORE I MOT ROT. AVANTI MOTORE ROT. AVANTI FRENO V MOT 33 Pilotaggio motore 2-Q +V DC Facendo uso della cella base, è 1-D possibile pilotare un motore con tensione unicamente GND positiva, quindi lavorando solo sul primo e sul secondo quadrante Questo semplice azionamento è sufficiente per molte applicazioni che non prevedono l inversione di rotazione V D = D OUT V DC 34 Sommario lezione D5 Pilotaggio motore 4-Q +V DC D 1-D Usando due celle base, è possibile pilotare un motore in ogni condizione di lavoro, come si può vedere dall espressione di A fronte di un maggior costo si ottiene il controllo completo del motore GND 1-D D D 1-D V OUT ( 2D ) VDC = Lezione D4 - MC

7 Verifica lezione D5 Cosa si intende per azionamento? Quali fattori influenzano la scelta di un azionamento? Azionamenti lineari e a commutazione: quali differenze? Azionamenti lineari: pregi e difetti Azionamenti a commutazione: pregi e difetti 37 Lezione D4 - MC