Azionamenti elettrici caratteristiche dei motori tipologie di azionamento comportamento generale di un azionamento

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1 Azionameni elerici caraerisiche dei moori ipologie di azionameno comporameno generale di un azionameno Prof. Carlo Rossi DEIS - Universià di Bologna Tel: crossi@deis.unibo.i Tipologie di azionameno elerico Con moore a colleore ad ecciazione separaa a magnei permaneni Con moore sincrono a magnei permaneni Brushless a campo rapezoidale Brushless a campo sinusoidale Con moore asincrono ad induzione con conrollo ensione/frequenza (Inverer) con conrollo veoriale con conrollo veoriale sensorless Con moore passo-passo per semplici ed economici posizionaori di piccola aglia non per camme o assi elerici disponibili con moori roaivi con moori lineari Pare ia ia N S ϕe sezione rasversale La coppia è proporzionale al prodoo della correne di armaura e del flusso (correne) di ecciazione Moore a colleore Caraerisiche generali circuii elerici sul roore meccanismo colleore/spazzole aumeno di resisenza roorica perdie calore limii alla velocià max scinillameno problemi con EMC realizzazione sagna per ambieni infiammabili calore dissipao sul roore venilazione inerna inerzia roorica realizzazioni ironless dimensionameno ermico piccole aglie Pare 3

2 ia ia N S ϕe sezione rasversale La coppia è proporzionale alla correne di armaura Moore a colleore Caraerisiche generali circuio di ecciazione separao richiede l alimenazione peggiora il rendimeno caraerisiche non lineari può ruoare olre la velocià max deflussaggio uile per applicazioni speciali a magnei permaneni miglior rendimeno caraerisiche lineari oime presazioni dinamiche ha fao la soria dell Auomazione non usare per nuovi progei Pare 4 Moore sincrono a Magnei Permaneni (Brushless( Brushless) Caraerisiche generali circuii elerici solo sullo saore F F non servono spazzole e colleore N non si dissipa calore sul roore il calore è generao all eserno e può essere smalio dalla carcassa disponibile non venilao non necessia di ecciazione rendimeno elevao elevao rapporo coppia/peso S bassa inerzia con magnei speciali elevaa affidabilià F F elevaa capacià di sovraccarico limii sulla emperaura inerna sezione rasversale smagneizzazione limiaa exravelocià (MP) Pare 5 Moore sincrono a Magnei Permaneni (Brushless( Brushless) Caraerisiche generali Brushless a campo rapezio F F primi ipi di Brushless N non richiede sensore di posizione assoluo sensori di posizione Hall problemi coppia non cosane nel giro ripple di coppia coppia decrescene con velocià rendimeno più basso S per applicazioni F F di bassa coppia con precisioni di movimeno non elevaissime sezione rasversale non roppo spine dinamicamene La coppia è proporzionale dove il coso sia una variabile alla correne (coninua) imporane di fase Pare 6

3 Moore sincrono a Magnei Permaneni (Brushless( Brushless) Caraerisiche generali Brushless a campo sinusoidale F F richiede sensore di posizione N assoluo resolver encoder sin/cos coppia cosane nel giro massimo rendimeno problemi S coso abbasanza elevao in calo con nuovi magnei F F ripple di coppia a bassa velocià cogging sezione rasversale sandard di mercao per La coppia è proporzionale alla risulane delle correni (sinusoidali) delle 3 fasi l auomazione di macchina Pare 7 Moore asincrono a induzione Caraerisiche generali Piloaggio sullo saore Basso coso Nessun problema alle ale 3 3 emperaure Elevaa capacia' di sovraccarico Possibilia' di funzionameno a velocia' superiori a quella nominale con coppia ridoa deflussaggio Problemi calore generao anche sul roore venilazione la poenza fornia genera coppia e campo La coppia è proporzionale rendimeno più basso allo scorrimeno ra frequenza inerzia relaivamene elevaa per la presenza di ferro sul roore meccanica ed elerica conrollo difficile a causa delle non (moore asincrono) linearià Pare 8 Moore a 4 fasi del ipo Moore passo-passo b c a a c b 4 3 fase - alimenaa Pare 9

4 Moore passo-passo Moore a 4 fasi del ipo c b a c 4 4 a b 3 fase - alimenaa Pare Moore passo-passo Moore a 4 fasi del ipo c b a a b c 4 3 fase 3-3 alimenaa Pare Moore a 4 fasi del ipo b a c c 3 fase 4-4 alimenaa La coppia dipende dal quadrao della correne di fase e dalla posizione a b 4 Moore passo-passo Caraerisiche generali moore a riluanza variabile comporameno non lineare difficile conrollarlo in reroazione velocià di roazione limiaa uilizzabile in presa direa disponibile per piccole coppie la posizione raggiuna dipende dalla sequenza di aivazione delle fasi per semplici ed economici posizionaori di piccola aglia non per applicazioni ad elevaa dinamica Pare

5 Moori lineari Disponibili sia in versione sincrona che asincrona realizzazioni sincrone più comuni Senza ferro (ironless) Con ferro (ironcore) Coil assembly Magne assembly La coppia è proporzionale alla risulane delle correni (sinusoidali) delle 3 fasi Moore sincrono Pare 3 Caraerisiche posiive non hanno eoricamene limii di corsa difficile realizzzarli lunghi ampia gamma di velocià da pochi µm/s a olre m/s elevaissime accelerazioni elevao rapporo forza/massa (accelerazione) > N/Kg (m/s ) (coninuaiva) > 5 N/Kg (m/s ) (di picco) elevaa linearià del moo assenza di cogging nei moori ironless elevaissima precisione e ripeibilià collegameno in presa direa niene iseresi, giochi, zona mora elevaissima rigidià Moori lineari Pare 4 Moori lineari Caraerisiche negaive vengono fornii con le due pari (bobine e magnei) separae occorre cosruire la sruura meccanica pare molo criica problemi di rigidià della caena cinemaica collegaa aenzione alle risonanze nei moori con nucleo ferroso vi sono forze di arazione rasversali molo elevae aenzione alle guide generano campi magneici occorre coprirli per prevenire deposii ra la pare mobile e quella fissa polvere, polvere di ferro spazzole di pulizia, soffiei, monaggio capovolo,.. Pare 5

6 Moori lineari Opzioni di movimeno si può opare per enere fissa una qualunque delle due pari Magnei mobili pro la pare alimenaa ed evenuali ubi di raffreddameno sono fissi Bobine mobili pro minore peso ed ingombro della pare mobile conro maggiore peso ed ingombro della pare mobile per sposameni grandi conro i cavi si muovono occorrono cavi speciali occorre sosenere i cavi Pare 6 Ou comando Specifiche sul movimeno Variazione dell uscia uscia Non ineressano: empo di assesameno errore a regime Conrollo in caena apera Esempi velocià base di macchina auomaica roazione di mulino gesione dei ransiori di avviameno ed arreso movimenazione di pompe Pare 7 Ou comando Specifiche sul movimeno Regolazione dell uscia Ineressano: empo di assesameno errore a regime uscia Conrollo in reroazione Esempi roazione di mandrino nasri rasporaori in macchine auomaiche semplici posizionaori Pare 8

7 Ou comando uscia Specifiche sul movimeno Inseguimeno dell uscia Variani: asse singolo assi mulipli coordinai se poin generai in modo coordinao assi mulipli sincronizzai uno dei movimeni è maser di ui gli alri Ineressano: la capacià di inseguire un riferimeno ad elevaa dinamica l'errore di inseguimeno Esempi assi e camme elerici Conrollo in reroazione con azioni in avani e uso di generaore di raieoria di moo Pare 9 Azionmeni sincroni a campo rapezoidale Problemaiche cosruio per funzionare con correni coninue commuae eleronicamene ra le fasi ( posizione del roore) la coppia è proporzionale alla correne in posizioni predefinie del roore occorre spegnere la fase aiva e conemporaneamene accenderne un alra a causa della induanza (inerzia elerica) nei circuii la correne impiega del empo per scendere a zero e salire al valore previso due fasi generano conemporaneamene coppia la coppia non è più cosane ripple di coppia il valore medio della coppia a correne cosane cala al crescere della velocià problemi alle ale velocià Pare Azionameni sincroni a campo rapezoidale Problemaiche modello semplificao della variazione della correne di ( E e) d L di d è la pendenza della curva di salia/discesa della correne E è la ensione di alimenazione, consideraa al massimo valore (la ensione del bus coninuo) per minimizzare la duraa del ransiorio e è la forza conroeleromorice, proporzionale alla velocià L è l induanza del circuio a parià di v e di L la pendenza cala al crescere della velocià Pare

8 di ( E e) d L i i i Azionameni sincroni a campo rapezoidale bassa velocià media velocià ala velocià ω e ω ωmax// e E/ ω ωmax e E + di d di d E + L E L + di E + d L di E 3 d L + di E + d L di E d L Pare Effei dinamici della correni sulla coppia A bassa velocià i a i b ϑ= Azionameni sincroni a campo rapezoidale a Ad ala velocià i i ϑ= b c c Valor medio Pare 3 Azionameni asincroni con conrollo V/F (Inverer( Inverer) Problemaiche Caraerisica meccanica a ensione e frequenza cosani coppia in funzione dello scorrimeno differenza percenuale ra frequenza elerica (alimenazione) e frequenza meccanica (movimeno) C C nom Generaore C max Moore C avv s A basso scorrimeno C m = k * s Pare 4

9 Azionameni asincroni con conrollo V/F (Inverer( Inverer) Curve caraerisiche Caraerisica meccanica a ensione e frequenza cosani C C max C avv C nom s Moore moore sandard per avviameni a carico Pare 5 Azionameni asincroni con conrollo V/F (Inverer( Inverer) Curve caraerisiche Caraerisica meccanica a ensione e frequenza cosani C max C nom C C avv s Moore moore adao per funzionameno a frequenza variabile Pare 6 Azionameni asincroni con conrollo V/F (Inverer( Inverer) Curve caraerisiche Caraerisica meccanica ideale a ensione e frequenza variabili (V/f = cosane) C V ed f crescono si sono rascurae le cadue sulle resisenze saoriche ω Pare 7

10 Modello saico Curve caraerisiche Caraerisica meccanica reale a ensione e frequenza variabili (V/f = cosane) C V ed f crescono si sono considerae le cadue sulle resisenze saoriche ω Pare 8 Azionameni asincroni con conrollo V/F (Inverer( Inverer) Conrolli basai sulle caraerisiche saiche Conrollo di velocià del ipo V/f = K cosane V Vnom Vo off-se lineare nonlineare fnom f araure per compensare le cadue resisive a bassa velocià Pare 9 Azionameni asincroni con conrollo V/F (Inverer( Inverer) Conrollo del ipo V/f cosane In erminologia ecnica queso ipo di azionameno è chiamao INVERTER conrollo di velocia' in caena apera velocia' dipendene dal carico si può aggiungere un conrollo di velocià presazioni dinamiche modese problemi alle basse velocià ed in presenza di coppie di carico variabili coso minimo per Kw Pare 3

11 Azionameni con moori passo-passo Conrolli di posizione sensorless nelle applicazioni di conrollo di posizione dove ineressano solo la posizione iniziale e finale del movimeno ipo pick-and-place soluzioni semplice e poco cososa conrollo semplificao in cui non serve un sensore di posizione il moore ha un comporameno sincrono con la sequenza di piloaggio basa conare gli impulsi di comando coppia inermiene filraa di solio dall inerzia del carico soluzione di posizionameno per piccoli sisemi dove il coso dell azionameno è una componene imporane del coso oale è un moore coppia che può essere collegao senza riduore in presa direa sul carico Pare 3 Alre ipologie di azionameno Azionameni assi azionameni con moori a colleore, sincrono sinusoidale, asincrono a conrollo veoriale sono ui azionameni con sisemi di conrollo in reroazione anche molo complessi comporameno eserno simile agli azionameni con moore a colleore araura sandard degli anelli di velocià ipoesi di ineria maching inerzia del carico riporaa al moore uguale a quella del moore se l ineria maching non viene rispeao occorre arare l enello di velocià per elevae presazioni dinamiche resolver di buona qualià o encoder con moli impulsi/giro aualmene negli azionameni per macchine auomaiche encoder sin/cos Pare 3 Conrollo del moo Considerazioni conclusive la definizione di un problema di conrollo del moo richiede la specifica delle esigenze di precisione a regime capacià di minimizzare gli effei dei disurbi di carico qualià del ransiorio qualià dell inseguimeno coordinameno con alri assi cosi Per ogni problema occorre scegliere il sisema di azionameno più idoneo Pare 33

12 Tabelle riassunive delle caraerisiche degli azionameni Azionameni per moore a colleore a MP Regolazione Inseguimeno Risposa dinamica Exra coppia Exra velocià Taglie Diffusione oima oimo eccellene 6 8 con moori speciali No fino a qualche MW ampia, in calo. No per nuovo Coso conenuo a bassa poenza Pare 34 Tabelle riassunive delle caraerisiche degli azionameni Azionameni per moore sincrono Trapezoidale Regolazione Inseguimeno Risposa dinamica Exra coppia Exra velocià Taglie Diffusione oima, buona ad ala velocià buono buona 4 No < Nm ampia, in calo Coso conenuo Pare 35 Tabelle riassunive delle caraerisiche degli azionameni Azionameni per moore sincrono Sinusoidale Regolazione Inseguimeno Risposa dinamica Exra coppia Exra velocià Taglie Diffusione oima, cogging a bassissima veloc. eccellene massima 4 6 No < 5Nm ampia, sandard indusriale Coso elevao, in calo Pare 36

13 Tabelle riassunive delle caraerisiche degli azionameni Azionameni per moore asincrono con Inverer Regolazione Inseguimeno Risposa dinamica Exra coppia Exra velocià Taglie Diffusione scadene, caena apera scadene discrea, dipende dal carico 4 Si.5 kw MW amplissima, sandard indusriale Coso minimo per kw Pare 37 Tabelle riassunive delle caraerisiche degli azionameni Azionameni per moore asincrono con Conrollo Veoriale Regolazione Inseguimeno Risposa dinamica Exra coppia Exra velocià Taglie Diffusione Coso eccellene eccellene eccellene, legg. infer. a sincrono 4 6 Si < 5 kw modesa, in grande crescia elevao, in calo. +5% Inverer Pare 38 Tabelle riassunive delle caraerisiche degli azionameni Azionameni per moore Passo-Passo Regolazione Inseguimeno Risposa dinamica Exra coppia Exra velocià Taglie Diffusione buona buono discrea No No, problemi ala velocià < Nm ampia per piccole poenze Coso conenuo Pare 39

14 Tabelle riassunive delle caraerisiche degli azionameni Azionameni per moore lineare sincrono Regolazione Inseguimeno Risposa dinamica Exra coppia Exra velocià Taglie Diffusione oima eccellene massima 4 6 No < kn limiaa, disponibilià recene Coso elevao, in calo Pare 4 Schema conceuale di azionameno conrollo di un singolo asse raieoria progeaa raieoria risulane al moore raieoria risulane al mezzo operaivo specifico generaore di raieorie T p unià di conrollo converiore + moore T m caena cinemaica T mos azionameno Le re raieorie (T( p, T m, T mos ) non sono uguali Pare 4 Non idealià di comporameno Nell'azionameno in senso sreo siuazione ideale T p azionameno T m Anche l'azionameno è un sisema dinamico (per quano veloce) e non può rasferire all'uscia senza errore qualunque segnale gli venga applicao all'ingresso al crescere della frequenza della raieoria di comando (T p ), il suo rasferimeno all'uscia divena sempre più problemaico la raieoria generaa in uscia (T m ) viene deformaa in ampiezza e riprodoa in riardo l'analisi armonica è uno srumeno uile per comprendere il problema Pare 4

15 - Non idealià di comporameno di un azionameno Risposa armonica db Banda passane-6 Sfasameno dell'uscia T m Aenuazione dell'uscia T m L'effeo di sfasameno si manifesa già a frequenze più basse Aenuazione di vole Frequenza (rad/sec) - Frequenza (rad/sec) Pare 43 Non idealià di comporameno di un azionameno Inseguimeno di segnale sinusoidale - oscillaore Traieoria progeaa Traieoria al moore All'aumenare della frequenza è evidene il degrado sia in ermini di ampiezza che di riardo Pare 44 Non idealià di comporameno di un azionameno Inseguimeno di segnale composo - oscillaore baue 5 baue Traieoria progeaa Traieoria al moore All'aumenare del numero di baue è evidene il degrado. Il empo di sosa effeivo si riduce sempre di più baue baue Pare 45

16 Schema di conrollo in cascaa Adoao nella maggior pare dei sisemi assi commerciali Spesso collocai su diverso disposiivo deo scheda assi α Generaore ref di raieorie J /k c Indispensabili per limiare il riardo ϑ ref ω ref K + PI + Iref PI A+M Dipendono dalla caena cinemaica Dipende dal moore Pare posizione raieoria vera Presazioni di inseguimeno Senza azioni in avani Errore di posizione e max 4% velocià 6 4 raieoria 8 6 vera Effeo della mancaa araura del regolaore di velocià Regolaore di velocià arao (in fabbrica) per ρ =, ma ρ = ρ = Jl n Jm posizione Errore di posizione velocià raieoria..6 raieoria e max 7%..4 vera vera Pare 47 Presazioni di inseguimeno Con le azioni in avani posizione posizione posizione velocià + correne x -3errore di posizione x -3errore di posizione 6 6 x-errore di posizione e max.4% 3 e max.5% e max 5% solo di velocià senza araura regolaore Pare 48

17 Presazioni di inseguimeno Implemenazione digiale ui gli azionameni sono conrollai in modo digiale con microprocessore o DSP nascono alre non idealià legae al empo di esecuzione (campionameno) del conrollo che dipende dalla archieura dell'unià di Governo complessiva dalla poenza dei processori uilizzai dal numero di assi che un singolo processore conrolla dalla quanià di alre funzioni uene da eseguire una archieura di conrollo con scheda assi separaa che conrolla più azionameni può risulare criica dal puno di visa del empo di campionameno le azioni in avani sono efficaci se generae allo sesso empo di campionameno del loop relaivo Pare 49 Collegameno con la sruura meccanica Elasicià nella caena cinemaica la caena cinemaica non è infiniamene rigida consideriamo solo l'elasicià del riduore primo modo di risonanza ra moore e caena cinemaica c'è una molla modello massa/molla/massa M M ϑ m J m ϑ c J c Nel modello va considerao anche un piccolo smorzameno corrispondene alle perdie di deformazione Pare 5 Collegameno con la sruura meccanica Elasicià nella caena cinemaica caraerisiche in frequenza dei modi oscillaori 5-5 Analisi armonica risonanza ωr = + ρ Kel ρ Jm K anirisonanza ωar = el ρ Jm ρ D δ el r = ρ Kel Jm D δ el ar = ρ Kel Jm J ρ = c n Jm J m = inerzia moore J c = inerzia cinemaismo n = rapporo di riduzione K el = rigidià del riduore D el = Dissipazione nel riduore δ x = smorzameno Pare 5

18 Collegameno con la sruura meccanica Elasicià nella caena cinemaica dipendenza dal bilanciameno delle inerzie 5-5 Analisi armonica ρ = 7 ρ = I modi hanno frequenza e smorzameno che dipendono in modo inverso dal rapporo delle inerzie ρ = ρ = J c n Jm bilanciameno delle inerzie gli azionameni non devono generare coppia alle frequenze dei modi di risonanza Pare 5 Azionameni elerici caraerisiche dei moori ipologie di azionameno comporameno generale di un azionameno Fine Prof. Carlo Rossi DEIS - Universià di Bologna Tel: crossi@deis.unibo.i