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UNIVERSITÀ DI UDINEUNIVERSITÀ DI UDINEDipartimento di Ingegneria Elettrica, Gestionale e MeccanicaDipartimento di Ingegneria Elettrica, Gestionale e Meccanica
Via delle Scienze, 208 Via delle Scienze, 208 -- 33100 UDINE33100 UDINE
Corso di Azionamenti Elettrici IICorso di Azionamenti Elettrici IIDocente: Docente: IngIng. Roberto PETRELLA. Roberto PETRELLA
I trasduttori utilizzati negli azionamenti I trasduttori utilizzati negli azionamenti elettrici: principi di funzionamento, elettrici: principi di funzionamento,
caratteristiche e metodologie di utilizzocaratteristiche e metodologie di utilizzo
Aggiornato al 15.05.2007Aggiornato al 15.05.2007
IngIng. Roberto Petrella . Roberto Petrella -- I trasduttori utilizzati negli azionamenti elettrici: principi I trasduttori utilizzati negli azionamenti elettrici: principi didi funzfunz...... Slide Slide 22
IntroduzioneIntroduzione
CorrenteCorrente*
Tensione*
PosizionePosizione
VelocitàVelocità
CoppiaCoppia
Le grandezze elettriche e meccaniche Le grandezze elettriche e meccaniche normalmente necessarie al controllo di un normalmente necessarie al controllo di un
azionamento elettrico sono:azionamento elettrico sono:
Convertitore
Sistema dicontrollodigitale
MotoreGeneratore CaricoSensori Sensori
Ingressi di comando
Grandezzemeccaniche
Grandezzeelettriche
Segnali dicontrollo
Sensori
Grandezzeelettriche
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La misura di tali grandezze viene effettuata attraverso l’utilizzo di trasduttori che permettono ottenere segnali
elettrici a bassa potenza “proporzionali” a quelli effettivi.
IntroduzioneIntroduzione
TrasduttoreTrasduttoreSistema Sistema misuratomisurato
Sistema Sistema ambienteambiente
Sistema Sistema ausiliarioausiliario
Sistema Sistema utilizzatoreutilizzatore
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.)
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La scelta del tipo di trasduttore da utilizzareLa scelta del tipo di trasduttore da utilizzareè legata a motivi di tipo:è legata a motivi di tipo:
TecnicoTecnico
EconomicoEconomico
Principio di funzionamento e bilancio energetico (attivo/passivo)Campo di misuraPrecisione, risoluzione, linerarità, offset, etc.Risposta nel tempo (tempo di risposta)Risposta in frequenzaTipo e campo di uscitaCaratteristiche meccanicheCaratteristiche termicheAffidabilità (MTBF)Caratteristiche di isolamento in/out
IntroduzioneIntroduzione
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IntroduzioneIntroduzione
Che cosa vedremo:
Metodi di misura di corrente e tensione:
Encoder incrementaleEncoder assolutoTacho generatorResolver
Trasduttori ad effetto HallTrasduttori resistivi
Metodi di misura di posizione e/o velocità:
IngIng. Roberto Petrella . Roberto Petrella -- I trasduttori utilizzati negli azionamenti elettrici: principi I trasduttori utilizzati negli azionamenti elettrici: principi didi funzfunz...... Slide Slide 66
Trasduttori ad effetto HallTrasduttori ad effetto HallPrincipio di funzionamento:
effetto Hallscoperto nel 1879 da Edwin Herbert Hallalla John Hopkins University in Baltimore
Una sottile lastra di materiale semiconduttore di spessore d viene attraversata logitudinalmente da una corrente di
controllo IC . L’induzione magnetica B genera una forza diLorentz FL diretta perpendicolarmente ai portatori di carica
che compongono la corrente IC . 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 VH (tensione di Hall).
Generatore di Hall
Trasduttori ad effetto HallTrasduttori ad effetto Hall
Tensione di Hall
VH = (K/d) IC 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 temperaturaErrori di linearità
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Trasduttori ad effetto Hall ad Trasduttori ad effetto Hall ad anello apertoanello aperto
Il vettore induzione B viene generato dalla corrente IP da misurare(corrente primaria)
La corrente di controllo IC viene fornita da un generatore di corrente
Trasduttore ad anello aperto
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Trasduttori ad effetto Hall ad Trasduttori ad effetto Hall ad anello apertoanello aperto
All’interno della regione lineare del ciclo di isteresi, il flusso B è proporzionale a IP
Bair gap = k1 IP
VH = (K/d) IC B k1 IP
Curva di magnetizzazione
VH = k IP
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Trasduttori ad effetto Hall ad Trasduttori ad effetto Hall ad anello chiusoanello chiuso
Non si misura VH ma si genera (e si misura) quella corrente IS che annulla l’induzione B generata dalla corrente primaria IP
Il dispositivo opera con flusso magnetico risultante nullo (BP - BS = 0)
Trasduttore ad anello chiuso
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Trasduttori ad effetto Hall ad Trasduttori ad effetto Hall ad anello chiusoanello chiuso
L’entità della corrente IS è notevolmente inferiore a IP poiché viene utilizzato un numero elevato di spire (es. NS = 1000)
BS = BP NP IP = NS IS
IS = (NP IP ) / NS
Esempio: NP = 1 - IP = 100 A - NS = 1000
IS = (NP IP ) / NS = 100 mA
Problema
Assorbimento di corrente dall’alimentazione
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Trasduttori ad effetto HallTrasduttori 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
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Open loop
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Closed loop
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Estensione alla misura di tensione
Trasduttori ad effetto Hall ad Trasduttori ad effetto Hall ad anello chiusoanello chiuso
Trasduttore di corrente nel quale la corrente primaria viene generata a partire dalla tensione da misurare (partitore R1 - RP )
Il numero di spire del circuito primario viene aumentato in modo da creare l’induzione magnetica BP mediante una corrente di piccola entità
Circuito equivalente di un trasduttore di tensione
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Trasduttori ad effetto HallTrasduttori ad effetto Hall
Sistema di acquisizione
TrasduttoriHall
ConvertitoriI/VAmplificazione
Sample/Hold eConversione
A/D
Tc
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Trasduttori ad effetto HallTrasduttori 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.
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TrasduttoriTrasduttori resistiviresistiviMetodologia 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.
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.
Schema del convertitore con gli shunt
Pha
se C
Shun
t A
Shunt Shun
t B
Shun
t C
InductionMotor
leg B leg Cleg APositive DC rail
Negative DC rail
Pha
se B
Pha
se A
Vdc
Current signals
PWM
sign
als
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TrasduttoriTrasduttori resistiviresistivi
Problematiche:gli shunt sono attraversati dalla stessa corrente che alimenta il motore
la corrente ha fronti molto ripidi (ma non istantanei)
il valore assoluto dell d.d.p. è piccolo (<10-1 V)
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)
modifica della reattanza serie complessivavariazione di resistenza dovuta al riscaldamento
sono necessari shunt a bassa induttanza equivalente serie
basso SNR
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EncoderEncoder otticoottico
Principio di funzionamento:l’informazione sulla posizione angolare (relativa o assoluta) è “memorizzata” suun disco fotoinciso calettato all’albero
del trasduttore. Tale informazioneviene letta e manipolata durantela rotazione dell’albero stesso.
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EncoderEncoder incrementaleincrementale
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:
Rgradi = 360° / Q (gradi)
N = log2 Q (bit)
Normalmente è presente un ulteriore impulso C generato ogni giro meccanico (informazione assoluta).
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EncoderEncoder incrementaleincrementale
La posizione relativa viene ottenuta a partire daii segnali A e B e dal loro sfasamento relativo attraverso due approcci
simili ma fondamentalmente distinti:
È possibile aumentare di un fattore 2 o 4 la risoluzione di un encoder incrementale.
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.
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Differenziazione della posizione
Osservatori di velocità
Misura di periodo e/o frequenza dei segnali A o B
Misura di velocità angolareMisura 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.
problemi a bassa velocità (errore di quantizzazione);risposta lenta.
T1)(k(k) −θ−θ
=ω̂
dipendenza dai parametri per quelli basati sul modello del sistema fisico;elevato peso computazionale.
necessitano di hardware specifico;problemi a coprire range estesi di misura.
1)-t(k-t(k)θ∆
=ω̂
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EncoderEncoder assolutoassoluto
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.
In questo caso il numero di bit N con il quale si rappresenta la sequenza binaria definisce la risoluzione R dell’encoder:
Rgradi = 360° / 2N (gradi)
Rbit = N (bit)
0 12
3
45
678
910
11
1213
1415
Binario naturale
0 12
3
45
678
910
11
1213
1415
Codice GrayMSB
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EncoderEncoder ““Virtual AbsoluteVirtual Absolute (VA(VATM 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 encoderincrementale;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.
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Tacho generatorTacho 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.
⎩⎨⎧
ω⋅=ωω⋅=
memf
mVemf
ppKV
Problematiche:bassa risoluzione se pp è piccolo (normalmente pp=8)
basso SNR del segnale di uscita
non è possibile discriminare il senso di rotazione
problemi a bassa velocità (errore di quantizzazione);risposta lenta.
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Tacho generatorTacho generator
Tipico segnale di uscita
(pp=8, ωmecc=2πfm, fm=20Hz, Tm=1/fm=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.
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