Il tempo è un gigante che, vinto dal torpore, giace addormentato tra svolazzi di farfalle in un campo di fiori gialli e rossi.
UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PISA Facoltà di Ingegneria Corso di Laurea in Ingegneria Aerospaziale Tesi di Laurea Studio e caratterizzazione sperimentale di motori brushless per l attuazione di comandi di volo Relatori: Prof. Roberto Galatolo Laureando: Pasquale Goffredo Prof. Carlo Casarosa Correlatore: Ing. Gianpietro Di Rito 04 MV 03 521 Anno Accademico 2003 2004
Sommario L obiettivo principale del presente lavoro di Tesi è lo studio di attuatori elettrici per la movimentazione delle superfici di controllo di velivoli da trasporto civile. Particolare attenzione è stata dedicata ai motori sincroni a magneti permanenti brushless, dei quali sono state analizzate caratteristiche e prestazioni, al fine di valutarne l applicabilità per il campo aeronautico. Tale studio di fattibilità è stato supportato da un estesa campagna di prove sperimentali effettuate su un motore brushless di impiego industriale, a disposizione dei laboratori del Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale dell Università di Pisa. Parallelamente alla caratterizzazione sperimentale del motore è stato sviluppato un modello della dinamica dello stesso cha ha condotto alla messa a punto dei parametri del controllo sulla posizione angolare, nel rispetto di opportuni requisiti assegnati. I
Ringraziamenti Desidero ringraziare innanzitutto chi ha reso possibile non solo questo lavoro, ma anche e soprattutto l intero percorso per arrivare ad esso: la mia famiglia ed in particolare Lia e Felice e le due priore, Lina ed Elisa. Grazie a Tiziana, la quale mai ha lasciato che io restassi da solo in questo cammino (e non solo in questo...), nè che disperassi di giungervi in fondo. Grazie a Claudio, grande sostegno e conoscitore delle mie forze e delle mie debolezze, grazie alla vecchia guardia di Via dell Occhio, per le notti le feste i viaggi e non solo, grazie a Tommaso, che si è lasciato accompagnare, a Michela e Giovanni, per il loro grande tifo. Grazie a tutte le donne e gli uomini, i tempi e i luoghi, reali o immaginari che siano, che hanno costellato questa parte della mia vita, lunga sette anni, di nobiltà e di miserie, di sorrisi e di lacrime, di delitti e di castighi. Ringrazio infine il Prof. Galatolo che mi ha guidato provvidenzialmente nel lavoro, il Prof. Casarosa, il (grande) Ing. Di Rito, l impagabile Ing. Pisani e il personale, i dottorandi e i tesisti dei laboratori di Elettronica, di Meccanica del Volo e Fly-By-Wire. II
Indice Sommario Ringraziamenti Elenco dei simboli I II VI 1 Introduzione 1 2 L attuazione elettrica 3 2.1 Introduzione............................ 3 2.2 Attuatori per le superfici di controllo del velivolo........ 3 2.3 Cenni sul progetto fault-tolerant della macchina elettrica... 5 2.3.1 Tipologie di guasti.................... 5 2.3.2 Scelta del numero di fasi................. 7 2.3.3 Ciclo termico....................... 10 2.4 Le prestazioni........................... 10 3 Il motore brushless 12 3.1 Principi generali.......................... 12 3.2 Il motore sincrono a magneti permanenti............ 15 3.3 Cenni sul controllo vettoriale dei motori in c.a.......... 17 4 Progetto del controllo di un motore elettrico brushless 19 4.1 Modello della dinamica del motore............... 19 4.2 Architettura del controllo.................... 25 4.3 Progetto del controllo....................... 31 III
4.3.1 Requisiti.......................... 31 4.3.2 Limitazioni sui parametri di controllo.......... 31 4.3.3 Definizione dei parametri del controllo......... 32 4.4 Le simulazioni........................... 47 5 Attrezzatura di prova 49 5.1 Il motore.............................. 50 5.2 L azionamento........................... 52 5.3 La scheda di acquisizione A/D.................. 55 5.4 Il software............................. 56 5.4.1 Il software Moog WinDrive................ 56 5.4.2 Il software LabView................... 61 5.4.3 Il software Matlab.................... 62 5.5 Il banco prova........................... 65 6 Tipologia e procedura delle prove 68 6.1 Prove senza carico........................ 68 6.1.1 Comando a gradino.................... 68 6.1.2 Comando sinusoidale e risposta in frequenza...... 72 6.2 Prove con carico applicato.................... 76 6.2.1 Comando a gradino.................... 76 6.2.2 Comando sinusoidale e risposta in frequenza...... 77 7 Risultati delle prove 78 7.1 Prove e simulazioni in assenza di carico............. 78 7.1.1 Comando a gradino.................... 78 7.1.2 Risposta in frequenza................... 80 7.2 Prove e simulazioni con carico applicato............ 83 7.2.1 Comando a gradino.................... 83 7.2.2 Risposta in frequenza................... 84 8 Conclusioni 87 Bibliografia 88 Elenco delle figure 89 IV
Elenco delle tabelle 92 Elenco degli acronimi 93 V
Elenco dei Simboli λ s ω ω r Ψ P M θ θ r Flusso magnetico concatenato alle fasi dello statore Velocità angolare dell albero motore Velocità angolare elettrica di rotore Flusso magnetico di rotore Posizione angolare dell albero motore Angolo elettrico di rotore VI