03 - Tecnologia dei controlli Automatici · non linearità casuale Caratteristica di un trasduttore...

27/11/2008

1

Università degli Studidi Modena e Reggio Emilia

AutomationRobotics andSystemCONTROL

Tecnologia di un sistema di

controllo

COMPONENTI COMPONENTI COMPONENTI COMPONENTI

PER IL CONDIZIONAMENTOPER IL CONDIZIONAMENTOPER IL CONDIZIONAMENTOPER IL CONDIZIONAMENTO

DEI SEGNALIDEI SEGNALIDEI SEGNALIDEI SEGNALI

Argomenti trattati

Acquisizione– Multiplexer

– Amplificatore

– Campionatore

– Convertitore analogico-digitale

Attuazione– Convertitore digitale-analogico

3

Componenti della catena di

acquisizione

4

Struttura tipica

A10011001D

Convertitore Amplificatore Multiplexer

H S

Campionatore

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2

Multiplexer

Scopo– consentire l’utilizzo di un solo convertitore A/D

Caratteristiche– n ingressi

• single-ended o differenziali

– 1 uscita

• single-ended o differenziale

Tecnologia costruttiva– CMOS o Bipolare

5

Multiplexer

Caratteristiche tecniche essenziali (ADG506/507A)– Ron: 280 Ω ±10%

– ∆Ron tra canali: 5%

– ∆Ron/∆T: 0.6%/ °C

– ton/off: 200 ÷ 500 ns

Parallelismi tipici– single-ended

• 8-16 canali

– differenziale

• 4-8 canali

6

Amplificatore differenziale

Problemi– Impossibilità di avere

resistenze uguali e con uguale coefficiente termico

– impedenza di ingresso dipendente dal guadagno e sbilanciata

– off-set ad elevato guadagno

non utilizzabile in applicazioni industriali ad elevato guadagno insieme ad un sensore

7

-

+

Vout

R2

R1

R3

R4

Amplificatore per

strumentazione

8

2 livelli

front-end differenziale

+

-

-

+

Rg

Vin+

Vin-

-

+

VoutR

R R

RR

R

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3

Amplificatore per

strumentazione

Calcolo del guadagno

9

+

-

-

+

Rg

Vcm-∆V/2

R

R

front-end

Vcm+∆V/2

e1 = Vcm - (1+2R/Rg) ∆V/2

e2 = Vcm + (1+2R/Rg) ∆V/2

∆∆∆∆∆∆∆∆V = VV = VdifferenzialedifferenzialeVVcmcm = V= Vmodo comunemodo comune

∆∆∆∆∆∆∆∆VVIf = ∆∆∆∆V/Rg

Vcm-∆∆∆∆V/2

Vcm+ ∆∆∆∆V/2

+

-

Rg

R

Amplificatore per

strumentazione

Calcolo del guadagno

10

∆∆∆∆∆∆∆∆V = VV = VdifferenzialedifferenzialeVVcmcm = V= Vmodo comunemodo comune

e1 = Vcm - (1+2R/Rg) ∆V/2

e2 = Vcm + (1+2R/Rg) ∆V/2

-

+

Vout

Vref

Vsense

R

RR

R

differenziale

VVoutout = (1+2R/R= (1+2R/Rgg) ) ∆∆∆∆∆∆∆∆VV

Amplificatore per

strumentazione

Caratteristiche tecniche essenziali (INA110AG)– Guadagno: configurabile 1,10,100,200,500

– ∆G: (0.04÷0.4)%

– ∆G/∆T: ±(20÷100) ppm/ °C

– off-set rip. all’ingresso (RTI): ± (500 + 5000/G)µV

– ∆off-set/∆T: ±(5+100/G) µV/ °C

– imped. ingresso: >(1012)/6 Ω/pF

– settling time (0.1%): 4÷11µs

– CMR: 70÷110 dB

11

Amplificatore per

strumentazione

12

+

-

-

+

Rg

Vin+

Vin-

-

+

VoutR

R R

RR

R

Attenzione alla saturazione del 1°stadioe = Vcm ± G*∆V/2

se Vout = 10Volte Vsat = 13Volt

5 Volt

Vcm < 8 V

e

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4

Amplificatore per

strumentazione

13

+

-

-

+

Rg

Vin+

Vin-

-

+

VoutR

R R

RR

R

Se il sensore è flottante

Attenzione alle correnti di polarizzazione dello stadio di ingresso

occorre creare un percorso verso massa

altrimenti ci vanno attraverso le capacità parassite

saturando gli amplificatori

Vsat

Vsat

Amplificatore per

strumentazione

14

La retroazione negativa di solito si chiude fuori dall'integratoper consentire il collegamento remoto del carico

Vsense

carico

Rparass.

in modo da neutralizzare gli effetti parassito del collegamento

+

-

-

+

Rg

Vin+

Vin-

-

+

VoutR

R R

RR

R

Amplificatore per strumentazione

15

+

-

-

+

Rg

Vin+

Vin-

-

+

VoutR

R R

RR

R

Vsense

Vref

il terminale Vref può essere collegato non direttamente a massa ma attraverso un generatore di tensione per traslare l'uscita di una quantità opportuna

-+ Vref

accertarsi che l'impedenza del persorso sia trascurabile per non danneggierebbe il CMR dell'amplificatore

Campionatore (Track and

Hold) – schema di principio

16

Il campionatore ha una dinamica

il condensatore si scarica per correnti di bias

attenzione all'impedenza di ingresso: potrebbe non essere alta

T/H

VoutG=1

VinG=1

Driver

tacq.

Ib

tempo di acquisizione

droop-rate

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5

Campionatore (Track and

Hold)

Caratteristiche tecniche essenziali (AD346)– tempo acquisizione (0.1%): 2ms

– off-set: ±3mV

– Doff-set/DT: ±0.3mV/ °C

– droop rate: 0.5mV/ms

– Ddroop-rate/DT: 0.7mv/ms/ °C

– impedenza ingresso: 3kW

17

Convertitore analogico-

digitale

Numerose tipologie– ad integrazione

• rampa

• doppia rampa

– in retroazione

• successive approssimazioni

• contatore

– conversione diretta

• flash

18

per l’automazioneper l’automazione


digitale

19

Criteri di scelta

tempo conversione elevato basso

risoluzione elevata elevata

immunità ai disturbi elevata bassa

disponibilità limitata elevata

costo limitato cresce coln. di bit

Rampa S. appross.

strumentazione controllo


digitale

Schema di principio di un Convertitore per successive approssimazioni

20

Clock

SAR

DAC

Vin

+-

nucleo base

3state

8

4

OEH

OEL

interfaccia di uscita

Vrefin

Ref Vrefout

generazionedel riferimento

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digitale

Caratteristiche tecniche essenziali (AD674B)– pinout standard industriale

– risoluzione: 12 bit

– linearità: 11 bit (Tmin, Tmax)

– tempo conversione: 15ms

– off-set: ±2LSB

– ∆off-set/∆T: 10 ppm/ °C

– impedenza ingresso: <7kΩ– riferimento tensione interno: si

– interfaccia bus: 8-16 bit

– funzionamento bipolare: si

21

Convertitore da Resolver a

digitale

Schema di principio

22

Demo-dulat.

sen( ϑϑϑϑ−−−−Φ)Φ)Φ)Φ)

1 1+sT1s 1+sT2

latch

VCOU/D

counter

x sen ΦΦΦΦ

x cos ΦΦΦΦV4sen ϑϑϑϑ

V4cos ϑϑϑϑ

V4=Vmsen ωωωωt φ

V4sen( ϑϑϑϑ−−−−Φ)Φ)Φ)Φ)-

+

Convertitore digitale-

analogico

23

Iout

Ref

R

2R

R

2R 2R 2R

Vref

LEh LElow4 8

µP BUSa 8 bit

LE12 glitches in uscita

per il caricamentoin sequenza del dato

0111 1000

Moltiplicativo: Vref variabile4 quadranti: -V1 < Vref < +V2

-+

Vout

Schema R-2R


analogico

Unica tipologia ⇒ rete a scala R-2R Molteplici realizzazioni tecnologiche

– numero di bit

• 8 - 24

– ingresso digitale

• parallelo o seriale

• latch singolo o multiplo

– uscita analogica

• corrente o tensione

– generatore di riferimento

• interno o esterno

• convertitore moltiplicativo 24

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analogico

Caratteristiche tecniche essenziali (DAC7545)– pinout standard industriale

– risoluzione: 12 bit

– linearità: ± 2 LSB

– monotonicità: 10 bit

– uscita: corrente

– ∆G: ±20 LSB

– ∆G/ ∆T: 5ppm/ °C

– tass: 2 µs– ingresso digitale: latch a 12 bit

– moltiplicativo: si a 4 quadranti

25

I I I I SENSORISENSORISENSORISENSORI

Indice

Parte 1– Schema generale di una catena di misura ed attuazione

– Trasduttori, sensori ed attuatori

– Caratteristica di un trasduttore

Parte 2– Sensori per grandezze meccaniche

• posizione, velocità, deformazione, forza, pressione

– Sensori di temperatura

– Sensori di corrente

27

Catena di misura ed

attuazione

Schema funzionale di un controllo digitale

I blocchi sono descritti come– guadagni, f.d.t.

28

A/D

Calcolatore

D/A

Attuatore

Processo

G(z) Ka G(S)Sp

SensoreKs

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8

Catena di misura ed

attuazione

Schema tecnologico di un controllo digitale– è evidenziata la struttura tecnologica del sistema

29

Unità di controllo digitale Attuatore

Sensore

Processo

AD1001

Anello di controllo a loop singolo

AD1001

Catena di misura ed

attuazione

Schema tecnologico di un sistema completo– molti anelli di controllo

30

Sensori

1 NH S

AD1001 Attuatori

Unità di controllo

A1001D

Trasduttori, sensori ed

attuatori

Trasduttore (dal latino trasducere = condurre attraverso)

– dispositivo fisico progettato per trasformare grandezze appartenenti ad un sistema energetico in grandezze equivalenti appartenenti ad un diverso sistema energetico

31

TrasduttoreTemperatura Tensione

Energia termica Energia elettrica

Trasduttore

Esempi dall’esperienza quotidiana

32

Energia elettrica

Energialuminosa

Energia meccanica

Energiaacustica

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Sensore

Trasduttore utilizzato per misurare le condizioni operative del processo

– Grandezza in ingresso

• energia nel dominio fisico di interesse

– Grandezza in uscita

• segnale nel dominio fisico dell’unità di controllo

Tipici domini fisici delle unità di controllo– elettrico, pneumatico, idraulico

33

Sensore

Esempio dall’esperienza quotidiana

34

Immagine Segnale

Sensore

Unità di elaborazione

Sensore


35

TemperaturaIndicazione

Sensore

Unità dielaborazione

Sensore


36

Peso

Indicazione

Sensore

Unità dielaborazione

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10

Attuatore

Trasduttore utilizzato per trasformare un segnale di comando in azione sul processo– Funzione complementare a quella del sensore

– Grandezza in ingresso

• segnale nel dominio fisico dell’unità di controllo


• energia nel dominio fisico della grandezza di comando

Sono spesso realizzati per mezzo di più trasduttori

37

Attuatore


38

SegnaleEnergia

meccanica

Unità di elaborazione

Attuatore

Attuatore

39


Segnalemeccanico

Energiameccanica

AttuatoreAttuatorecompositocomposito

Trasduttore 1

Trasduttore 2

Energiaelettrica

Caratteristica di un

trasduttore

40

Caratteristica idealelineare

Campo di ingresso

Cam

po d

i usc

ita

Xm

Ym

0

Caratteristica idealenon lineare

non linearitàsistematica

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11

Caratteristica di un trasduttore

41

Famiglia dicaratteristiche reali

Caratteristica ideale

Campo di ingresso

Cam

po d

i usc

ita

Xm

Ym

0



42

Campo di ingresso

Cam

po d

i usc

ita

Xm

Ym

0

Famiglia dicaratteristiche realiCurva che meglio approssima

Caratteristica idealenon linearitàsistematica


43

Campo di ingresso

Cam

po d

i usc

ita

Xm

Ym

0


Importante la non linearità sistematica si può compensare con opportuni algoritmi o circuiti


44


Campo di ingresso

Cam

po d

i usc

ita

Xm

Ym

0

non linearitàcasuale

Famiglia dicaratteristiche reali

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12


45

Caratteristica reale


Campo di ingresso

Cam

po d

i usc

ita

Xm

Ym

0



46

Caratteristica reale


Retta che meglio approssima lacaratteristica reale

Campo di ingresso

Cam

po d

i usc

ita

Xm

Ym

0



47

Campo di ingresso

Cam

po d

i usc

ita

Xm

Ym

0

Errore diguadagno

K1 ≠ ΚK1

K

Errore di off-set


Importanti – valori iniziali

• si possono compensare con circuiti o via software

– variazioni con la temperatura

• -10 ÷ +60 °C

48

Campo di ingresso

Cam

po d

i usc

ita

Xm

Ym

0

Errore diguadagno

K1 ≠ ΚK1

K

Errore di off-set

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49

Campo di ingresso

Cam

po d

i usc

ita

Xm

Ym

0

Errore di non linearità

casuale


Importanti – valori iniziali

• si compensano


50

Campo di ingresso

Cam

po d

i usc

ita

Xm

Ym

0


casuale


Importanti – valore iniziale

• non si può compensare


51

Campo di ingresso

Cam

po d

i usc

ita

Xm

Ym

0


casuale


Sensori: classificazione

Sensori ad uscita continua– tutta l’informazione viene acquisita

52

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14


Sensori ad uscita continua– tutta l’informazione viene acquisita

Sensori ad uscita logica– solo una parte dell’informazione viene acquisita

53


Sensori autoeccitanti– non richiedono sorgenti ulteriori di energia

54


Sensori autoeccitanti– non richiedono sorgenti ulteriori di energia

Sensori modulanti– richiedono una sorgente di energia aggiuntiva

– La grandezza da misurare “modula” un campo generato esternamente

55

Campo luminoso

Tx Rx

Sensori: alcuni principi fisici utili

Effetto fotoelettrico/fotovoltaico– trasformazione dei fotoni in cariche elettriche

– materiali utilizzabili

• semiconduttori

56

Luce

Variazionedi

conduttività

La configurazione interna al silicio e lapolarizzazione del circuito determinanol’effetto utile esterno (tensione, corrente)

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Effetto termoelettrico (Seebeck)– differenza di potenziale generata dalla temperatura


• coppia di metalli diversi saldati ad un estremo

57

V = f(T2-T1)T2

T1nonlineare

giunzione calda giunzione fredda


Effetto termoresistivo– variazione della resistività di un materiale causata dalla

variazione della temperatura


• metalli, ossidi metallici, semiconduttori

58

R = f(T)T

spessolineare


Effetto piezoresistivo– variazione della resistività di un materiale causata dalla

deformazione


• metalli, semiconduttori

59

deforma-zione

R = f(d)

abbastanzalineare


Effetto Hall– generazione di una tensione da parte dell’azione

congiunta di un campo magnetico ed una corrente


• metalli, semiconduttori

60

Vout = K (H x I)

H

Iref Iref

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SENSORISENSORISENSORISENSORI PER PER PER PER GRANDEZZEGRANDEZZEGRANDEZZEGRANDEZZE

MECCANICHEMECCANICHEMECCANICHEMECCANICHE

Sensori per grandezze

meccaniche

– Posizione

• Potenziometro

• Trasformatore Differenziale Lineare - LVDT

• Resolver

• Encoder

– Velocità

• Dinamo tachimetrica

– Deformazione

• Estensimetro

– Forza e Pressione

• Estensimetri su strutture meccaniche

62

Potenziometro

Sensore di posizione– Grandezza misurata (ingresso)

• rotazione o spostamento lineare

– Grandezza di uscita

• tensione

– Tipo di sensore

• modulante

63

Potenziometro

Caratteristiche essenziali– Risoluzione: > 0.1%

– Linearità: >0.1%

– Resistenza: 1K ÷ 100K Ω– Numero di giri: 1 ÷ 10

Problemi di inerfacciamento– Tensione di riferimento

• autoriscaldamento

– impedenza di uscita

• interfacciamento

• disturbi elettromagnetici

64

Vref

Vout

Sensore modulante

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17

Trasformatore Differenziale Lineare

- LVDT

Sensore di posizione– Grandezza misurata (ingresso)

• spostamento


• segnale analogico modulato

– Tipo di sensore

• modulante (campo magnetico)

• sensore (coppia di avvolgimenti)

65

Trasformatore Differenziale

Lineare - LVDT

66

V1 V2

S1 S2

sensore modulante

ϕ = 0 se X>0

ϕ = π se X<0

Vin=Vm sin ωt

X<0X>0

Vout = (V2 -V1)

= Vm(X) sin (ωt+ ϕ)

Trasformatore Differenziale

Lineare - LVDT

Caratteristiche essenziali– Risoluzione: 2 ÷ 20µm (lineare)

– Sensibilità: 50 ÷ 100mVout/(mmVin)

– Linearità: 0.1 ÷ 0.5 %

– Campo di misura: 1 ÷ 10 cm

– Frequenza di ecc.: 1 ÷ 50 Khz

Problemi di interfacciamento– demodulazione dell’uscita

– stabilità del generatore di riferimento

67

ϕ = 0 se X>0

ϕ = π se X<0

Vout = (V2 -V1) = Vm(X) sin (ωt+ ϕ)sensore modulante

Resolver

Sensore di velocità/posizione– Grandezza misurata (ingresso)

• rotazione


• segnale analogico modulato

– Tipo di sensore

• modulante (campo magnetico)

• sensore (coppia di avvolgimenti)

68

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18

Resolver

Principio di funzionamento

69

In un Resolver reale il campo ègenerato da due avvolgimenti e vi

sono due sensori

ϑ

Generatore

Sensore

dΦcdtV=flusso

flusso concatenato

V ≠ 0 seΦc varia

Resolver

Schema di massima di Resolver con 2 poli

70

V2

V3

V1V4

Generatori

Rivelatori

se V3=0se V3=0

V1=V1=VmVmsensen ϑϑϑϑϑϑϑϑsensen ωωωωωωωωttV2V2==VmVmcoscos ϑϑϑϑϑϑϑϑsensen ωωωωωωωωtt

Generatori di riferim.V3=Vmsen ωωωωtV4=Vmsen ωωωωt

SensoriV1=V3cos ϑϑϑϑ + V4sen ϑϑϑϑV2=V4cos ϑϑϑϑ - V3sen ϑϑϑϑ

Resolver: caratteristiche generali

– Segnale di uscita

• 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 360°

• semplificazione dell’inversione delle funzioni trigonometriche

71


72

Vr

Vs1

Vs2

secondari fissi

assi magneticiin quadratura

primariorotante

Realizzazione schematica di un Resolver per misura di posizione

3 avvolgimenti:1 sola eccitazione2 uscite

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– Caratteristiche tecniche essenziali

• linearità: 0.1 ÷ 0.5%

• risoluzione: 0.1 ÷ 0.5°

• sensibilità: 5 ÷ 10mV/°(Vref=20V)

• Frequenza tensione di riferimento: 1 ÷ 20Khz

– Per l’acquisizione e la conversione digitale

• convertitore speciale (RTD)

– Realizzazioni con 2P poli

• maggiore risoluzione

• misura assoluta su 1/P di giro

73

Resolver

– Pregi

• sensore assoluto nel giro (elettrico se realizzato con più coppie polari)

• costo contenuto rispetto ad altri sensori (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)

74

Resolver

Misura di posizione in movimento – Errori dinamici

• la rotazione genera tensioni di uscita spurie che possono degradare la qualità della misura

– Ipotesi

• rotazione a velocità costante ⇒

• rotore e statore puramente induttivi

75

t)t( 0 α+ϑ=ϑ

tcosVK

tsinVV

mr

mr

ωω

−=ϕ

ω=Tensione di eccitazione

Flusso di eccitazione

Resolver - Errori Dinamici

76

)t(sintcosVK

)tcos(tcosVK

0m2cs

0m1cs

α+ϑωω

−=ϕ

α+ϑωω

−=ϕflussi concatenati

di statore

tcosVK

tsinVV

mr

mr

ωω

−=ϕ

ω=Tensione di eccitazione

Flusso di eccitazione

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20


77

tensione di statore

tensione di statore

)tcos(tcosV

)t(sintsinKVdt

dV

)t(sintcosV

)tcos(tsinKVdt

dV

0m

0m2cs

2s

0m

0m1cs

1s

α+ϑωωα−

+α+ϑω=ϕ=

α+ϑωωα+

+α+ϑω=ϕ=

flussi concatenatidi statore

)t(sintcosVK

)tcos(tcosVK

0m2cs

0m1cs

α+ϑωω

−=ϕ

α+ϑωω

−=ϕ

errore dinamicoerrore dinamico



Per ridurre gli effetti degli errori dinamici– frequenza di eccitazione maggiore per velocità di rotazione

elevate

– demodulazione sensibile alla fase della portante

78

tensione di statore

tensione di statore

)tcos(tcosV

)t(sintsinKVdt

dV

)t(sintcosV

)tcos(tsinKVdt

dV

0m

0m2cs

2s

0m

0m1cs

1s

α+ϑωωα−

+α+ϑω=ϕ=

α+ϑωωα+

+α+ϑω=ϕ=





elevate


79

segnale spurio

segnale utile



elevate


• demodulazione del valore di cresta

80

segnale spurio

segnale utile

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21



elevate


• demodulazione a valor medio nel semiperiodo

81

segnale utile

segnale spurio

Encoder

Sensore di velocità/posizione– Grandezza misurata (ingresso)

• rotazione o spostamento rettilineo


• segnale logico o numero digitale

– Tipo di sensore

• modulante = campo luminoso

• sensore = effetto fotoelettrico

82

Encoder


83

Lampada

Collimatore

Interferente

Fotosensore

Campo

Encoder rotativo assoluto

Grandezza di uscita– valore digitale ad n bit

– misura di posizione assoluta in un giro

84

Disco interferentecodificato

4 bit

4 bit

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Encoder rotativo assoluto

Pregi– uscita direttamente utilizzabile dalla unità di elaborazione– non necessita di azzeramento (sensore assoluto)– mantiene l’informazione 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

85

Encoder rotativo incrementale

Grandezza di uscita– sequenza di impulsi

– misura di rotazione incrementale

86

codificatore a 1 bit

zero+

3

Encoder rotativo

incrementale

Pregi– costo contenuto– incremento di costo limitato con la risoluzione

• standard fino 5000 impulsi/giro Difetti

– sensore incrementale• elettronica esterna di conteggio e discriminazione del

verso di rotazione– necessita di azzeramento (sensore incrementale)– perde l’informazione di posizione in assenza di

alimentazione Sensore di posiz./velocità standard industriale

87

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

88

0

fotoelementi

A

B

0

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23

Encoder incrementali

Segnali di uscita– 2 segnali in quadratura + 1 segnale di zero

– A+B servono per discriminare il verso di rotazione

89

A

B

0

passo P1/4P


Discriminazione del verso di rotazione– rotazione oraria: A precede B

90

A

B

0

fotoelementi

A

B

0



91

A

B

0

fotoelementi

A

B

0



92

A

B

0

fotoelementi

A

B

0

27/11/2008

24



93

A

B

0

fotoelementi

A

B

0



94

A

B

0

fotoelementi

A

B

0


Discriminazione del verso di rotazione– sul fronte di salita di A il segnale B è sempre 0

95

passo P

A

B

0

fotoelementi

A

B

0


Discriminazione del verso di rotazione– rotazione antiorariaoraria: A segue B

96

A

B

0

fotoelementi

A

B

0

27/11/2008

25


Discriminazione del verso di rotazione– rotazione antioraria: A segue B

97

fotoelementi

A

B

0

A

B

0



98

fotoelementi

A

B

0

A

B

0



99

fotoelementi

A

B

0

A

B

0



100

fotoelementi

A

B

0

A

B

0

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26


Discriminazione del verso di rotazione– sul fronte di salita di A il segnale B è sempre 1

101

fotoelementi

A

B

0

A

B

0


Moltiplicazione degli impulsi

102

A

B

x2

x4

Attenzioneaumenta la risoluzione(x2 o x4)

non aumentaaltrettanto la precisione


Circuiti per la moltiplicazione degli impulsi

103

XORx2

Monostabile

x2Monostabile

OR

NOT

circuito moltiplicatore per 4

M1

M2M1

M2

A

B

x2

x2

x4


– Funzioni svolte

• discriminazione verso

• moltiplicazione impulsi

• accumulo posizione assoluta

104

Interfaccia di acquisizione

O

A

A

B

U/D

X 2o

X 4

0

Clk

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27


meccaniche

– Posizione

• Encoder

• Resolver

• LVDT

– Velocità


– Deformazione

• Estensimetro



105

Dinamo tachimetrica

Sensore di velocità– Motore a collettore usato a rovescio

• se fatto ruotare genera una tensione

– Grandezza misurata (ingresso)

• velocità angolare


• tensione

– Tipo di sensore

• autoeccitante

106

Dinamo tachimetrica


107

V=KdΦcdt

N Sϑ

Dinamo tachimetrica

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

108

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28

Dinamo tachimetrica

Caratteristiche tecniche essenziali– linearità: 0.5 ÷1%

– sensibilità: 5 ÷ 10V/1000 rpm

– ampiezza del ripple: 1 ÷ 2%

Sensore di velocità standard negli azionamenti per motori a collettore

109


meccaniche

– Posizione

• Encoder

• Resolver

– Velocità


– Deformazione

• Estensimetro



110

Estensimetro

– Grandezza misurata

• deformazione


• resistenza

– Tipo di sensore

• autoeccitante – piezoresisitivo

– Per la misura– circuito per la trasformazione in una tensione

111

Estensimetro o Strain gage

Strain ⇒ ε = ∆L/L = deformazione relativa• ε adimensionale

112

piezoresistenza

10mm

0.5mm

a film metallicoa film metallicopiù comunepiù comune

a semiconduttorea semiconduttoreper applicazioni integrateper applicazioni integrate

27/11/2008

29

Estensimetro

– Trasformazione della variazione di resistenza in tensione

• 1 estensimetro deformato

113

Vref

Vout

1

2 3

4R

R+∆∆∆∆RR

R

ponte intero di Wheatstone

RR

41

V

R2R

14

RR

V

R2R

RR2RR

VV

refref

refout

∆≅

∆+

∆

=

−∆+

∆+=

se ∆∆∆∆RR

<< 1

Estensimetro

– Trasformazione della variazione di resistenza in tensione

• 4 estensimetri deformati

114

Vref

Vout

1

2 3

4R+∆∆∆∆R

R+∆∆∆∆RR-∆∆∆∆R

R−∆−∆−∆−∆R

ponte intero di Wheatstone

RR

V

R2RR

R2RR

VV

ref

refout

∆=

∆−−∆+=

relazione lineare

Estensimetro

Gage factor– fattore caratteristico di ogni estensimetro

115

misura raziometrica

strain

GF

R

RL

L

R

R V

V

V

V GFKV

out

ref

out

refout

= = =

= =

∆

∆

∆

ε ε

ε

1

1se ho 4 estensimetri identici

deformati

Estensimetro – Caratteristiche

tecniche essenziali

Caratteristiche tecniche essenziali

parametro film metallico semiconduttore

GF ≈ 2 ± 1% ≈ 100 ±3%

Rnom( Ω) 120, 350 molti valori

∆R/ ∆T(p.p.m /°C) 5 ÷50 100÷500

linearità dipende dall’allestimento meccanico

116

E’ possibile adattare ∆R/ ∆T al tipo di materiale di supporto per compensare le deformazioni

apparenti dovute agli effetti termici combinati

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30


meccaniche

– Posizione

• Encoder

• Resolver

– Velocità


– Deformazione

• Estensimetro



117

Forza

118

Estensimetri incollati su una struttura metallica che si deforma con l’applicazione della forza

FFdeformazionedeformazione

flessionaleflessionale

44

11

3322

FF

11 22

33 44deformazionedeformazione

assialeassiale

Forza

– Caratteristiche tecniche essenziali sull’uscita del ponte estensimetrico

• sensitività: 2mV/V a 1000µε• uscita: 20µV/µε• nonlinearità: < 0.5%

– I valori in forza e la linearità dipendono dal materiale di supporto

119

Pressione

Sensore integrato a semiconduttore

120

Ref Amp∆P

membrana

silicio piezoresistivo

acciaio

circuiti elettronici di

condizionamentosul sensore

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31

Pressione

– Caratteristiche tecniche essenziali all’uscita del circuito elettronico di compensazione

• sensitività: <1%

• off-set: <1%

• nonlinearità: < 0.5%

• derive termiche: <0.5%

• errore totale: <1.5%

121

SENSORISENSORISENSORISENSORI LOGICILOGICILOGICILOGICI

Sensori di prossimità

Sensori ad uscita logica– per la misura della presenza di persone o cose

– sensori modulanti

• campo magnetico

• campo luminoso

• campo acustico

123

Generatoredi

campoSensore

Amplifica-tore

Rivelatoredi

soglia


Magnetici– Contatto Reed

• materiale paramagnetico a bassa riluttanza– lega Ferro/Nickel

124

ampolla sotto vuoto

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32


Magnetici– Contatto Reed

• materiale paramagnetico a bassa riluttanza– lega Ferro/Nickel

125

N S

NS S

N

ampolla sotto vuotoindotti


Magnetici– Effetto Hall

• azione combinata di magnete (campo) e sensore Hall

Diverse configurazioni

126

N S

G

Dist.

out

Dist.





127

N S

G

Dist.

out

Dist.





128

N S

G

Dist.

out

Dist.

27/11/2008

33





129

N S

G

Dist.

out

Dist.





130

N S

G

Dist.

out

Dist.




Uscita lineare

131

N

S

G

Dist.

N

S

G

Dist.




Elevata precisione

132

N

S

G

Dist.

N

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34




Contagiri

133

G

Dist.

SN N

SN

S

G

Dist.

N


Magnetici– induttivi

• interazione di un oggetto metallico con un campo magnetico alternato

• la presenza dell’oggetto metallico altera la frequenza dell’oscillazione

• un filtro passa-basso opportunamente tarato trasforma la variazione di frequenza in una variazione di ampiezza

134

solenoideoscill.


Ultrasuoni– ritardo di riflessione di un treno di impulsi acustici ad alta

frquenza

• rileva oggetti di qualunque materiale, purchè rifletta il suono

135

Ricevitore

Trasmettitore

CPU


Optoelettronici– interferenza dell’oggetto con un campo luminoso

• rileva oggetti di qualunque materiale, purchè rifletta/interrompa il fascio luminoso

ad interferenza

136

Tx Rx

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35




ad interferenza

137

Tx Rx




a riflessione

138

Rx

Tx




a riflessione

139

Rx

Tx

SENSORISENSORISENSORISENSORI DIDIDIDI TEMPERATURATEMPERATURATEMPERATURATEMPERATURA E E E E

CORRENTECORRENTECORRENTECORRENTE

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36

Sensori di Temperatura

141

• autoeccitante• semplice• robusto• poco costoso

• non lineare• bassa Vout• temp. di riferim.• bassa sensitività

• molto stabile• molto accurato• molto lineare

• costoso• rifer. di corrente• bassa resist.• autoriscald.

• molto sensibile• veloce• misura a 2 fili

• non lineare• range limitato • rifer. di corrente• autoriscald.

• molto lineare• output elevato• poco costoso

• T<200°C• serve aliment.• lento• autoriscald.

Pro

Contro

Termocoppie RTD Termistori Sensori a c.i.

V

T

R R V I

T T T

Termocoppia


• differenza di temperatura


• tensione

– Tipo di sensore

• autoeccitante – termoelettrico

• non linearità sistematica– compensazione con tabelle o polinomi interpolanti

142

Termocoppia

Effetto Seebeck Coppie metalliche standard

143

V = f(T2-T1)T2

T1nonlineare

giunz. calda giunzione freddaJ ferro/costantanaferro/costantanaK NiNi--Cr/NiCr/Ni--AlAl

(cromel/alumel)(cromel/alumel)E cromel/costantanacromel/costantanaT rame/costantanarame/costantanaR platino/Ptplatino/Pt--rodiorodio

Termocoppia

Caratteristiche tecniche principali

144

J K E T R

Tmin °C 0 -200 -200 -200 0

Tmax °C 750 1250 900 350 1450

Vmax mV 42.25 50.63 68.78 17.81 16.74Errore °C 2.2 2.2 1.7 0.8 1.4

le Vmax sono riportate ipotizzando la giunzione di riferimento a 0 °C

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37

Termocoppia

145

Giunzioneesposta

Giunzioneprotettaisolata

Giunzioneprotettaa massa

Principali forme costruttive

Termocoppia

– Pregi• autoeccitante

• costo contenuto

• idoneo al funzionamento in ambienti ostili

• idoneo a misurare temperature molto elevate

– Difetti

• uscita non lineare con Temperatura– tabella o polinomio interpolante

• richiede la compensazione del giunto freddo

• segnali molto bassi

– Sensore di temperatura standard

• nelle applicazioni ad altissima temperatura

• basso costo, anche domestiche 146

Termocoppia

Problemi di interfacciamento– giunzioni parassite dovute ai collegamenti

– compensazione della temperat. del giunto “freddo”

147

Cu

Cu

Fe

Costantana

T1V1

V2V3

FornoFe

Vm collegamento

321m VVVV +−=

Tamb

Termocoppia

Regola empirica

148

Cu Fe C Cu C

T T

Cu

Cu

Fe

Costantana

T1

V1

V2V3

FornoFe

Vm collegamentoTamb

321m VVVV +−=

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38

Termocoppia

Regola empirica

149

FornoCu

Cu

Fe

Costantana

T1V1

V2V3

Fe

Vm collegamentoTref

4321m VVVVV −+−=

V4

Fe C

Cu Fe C Cu C

T T

Termocoppia

150

FornoCu

Cu

Fe

Costantana

T1V1

V2V3

Fe

Vm collegamentoTref

414321m VVVVVVV −=−+−=

se barriera isoterma

V4

Fe C

V2 = V3

V4tensione generata da una termocoppia del tipodi quella di misura a temperatura Tref

Termocoppia

151

FornoCu

Cu

Fe

Costantana

T1V1

Fe

Vm collegamentoTref

refm1

ref1m

VVV

VVV

+=−=

se barriera isoterma

Vref

C

V2 = V3

Vreftensione generata da una termocoppia del tipodi quella di misura a temperatura Tref

Fe

Termocoppia

152

Fe

Costantana

T1TTrefref V1

Forno

Terminazioneisoterma

Scheda di acquisizione

sensoredi T ref

Cavo specialedi collegamento

materiali a bassoeffetto Seebek con

quelli della Termocoppiadi misura

27/11/2008

39

Termocoppia

– Algoritmo di compensazione giunto “freddo”

• si misura Tref con un sensore a semiconduttore

• si converte la Tref in una tensione equivalente Vref

mediante la tabella (o polinomio) della termocoppia di misura

• alla tensione misurata Vm si somma Vref ricavata dalla tabella per trovare la tensione equivalente V1 della termocoppia di misura con giunzione fredda a 0°C

• si converte la tensione V1 nella corrispondente temperatura mediante la tabella (o il polinomio)

– misura di temperatura (alta) ottenuta mediante un’altra misura di temperatura (bassa)

• più semplice perchè a valori prossimi a Tamb

153

Termoresistenza


• temperatura


• variazione di resistenza

– Tipo di sensore

• modulante – termoresistivo

– Richiede un circuito per la trasformazione della resistenza in tensione

154

Termoresistenza

Denominazione tecnica– RTD ⇒ Resistance Temperature Detector

Realizzazione tecnologica– materiale di supporto

• ceramica -200 < T < 750 °C

• vetro -200 < T < 500 °C

– materiale termoresisitivo

• platino α = 0.0038Ω/Ω/ °C– a filo avvolto ⇒ realizzazione standard– film spesso ⇒ sostituzione più veloce

– film sottile⇒ piccolo, rapidissimo

155

Termoresistenza

Caratteristiche tecniche principali

156

Rnom

@ 0 ºCΩ 100 ÷

1000100 ÷300

100 ÷1000

Off-set % 0.1 0.1 0.1

nonlin % 0.6 0.6 0.6

τ (aria) s 5 ÷ 15 10 ÷ 20 3 ÷ 10

sizel x Φ

mm 25x5 25x1.5 10x1

filo film spe. film sot.

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40

Termoresistenza

– Pregi

• idoneo al funzionamento in ambienti ostili

• molto lineare

• dimensioni anche molto ridotte

• elevata velocità di risposta

• costo contenuto

– Difetti

• richiede circuito di alimentazione

• temperature max più bassa di termocoppia

– Sensore di temperatura standard

• nelle applicazioni a temperatura intermedia

• elevata accuratezza

157

Termoresistenza

Dispositivo standard Pt 100– Termoresistenza al Platino

• valore nominale 100 Ω a 0°C

• coefficiente di Temperatura: +0.00392 (Ω/Ω/°C)– variazione di 0.392Ω per ogni °C

• campo di applicazione: -200 ÷ +850 °C

• ottima linearità

158

Termoresistenza

Circuito di eccitazione– metodo volt/ampermetrico

• 4 fili per una migliore accuratezza

• soluzione generale

159

VmIref Pt100

I=0

I=0Nel forno

Termoresistenza

Circuito di eccitazione– ponte di Wheatstone

• 3 fili per una migliore accuratezza

• solo per piccole variazioni di temperatura

160

Vref

Vm

11

22 33

44 R+∆R

Nel forno

R parassitedei collegamenti

I=0

R

R R

I ≠ 0

I ≠ 0

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41

Sensore di corrente isolato ad

Effetto-Hall


• corrente


• 2 realizzazioni – tensione isolata

– corrente di minore intensità ed isolata

– Tipo di sensore

• modulante – effetto Hall

161


Effetto-Hall

Caratteristiche essenziali– Campo di misura

• 10 ÷ 100A

– Linearità

• migliore dell’1%

– Isolamento

• >1500V

– Risposta in frequenza

• >100Khz

– Costo

• contenuto

162


Effetto-Hall

– Pregi

• idoneo alla misura su Inverter di potenza

• molto lineare

• dimensioni anche molto ridotte

• elevata velocità di risposta

• costo contenuto

– Difetti

• richiede circuito di alimentazione

– Sensore di corrente standard

• nella misura di correnti > 5A

• elevata accuratezza

163


Effetto-Hall

Realizzazione in catena aperta

164

VoutIm

Iref

Vout = (K*Iref)*ImVout = (K*Iref)*Im

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42


Effetto-Hall

Realizzazione in retroazione

165

V

Iref

+

-GI1

VoutR

I2

Vout= RIVout= RI outout

Iout = n1/n2 I1Iout = n1/n2 I1

n2

n1

n1 = numero di avvolgimenti del cavo di misura. Di solito 1 n2 = numero di spire del secondario. Di solito 1000/2000

03 - Tecnologia dei controlli Automatici · non linearità casuale Caratteristica di un trasduttore...

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