Controllo Motore DC

8/12/2019 Controllo Motore DC

1/38

Controllo di motori inControllo di motori in

corrente continuacorrente continua

A cura di:

Ing. Massimo Cefalo

Ing. Fabio Zonfrilli


2/38

Sistema di Controllo

C(s) P(s)

d

+

- y

T(s)

rif

+

+n

d Disturbo

n RumoreC(s) Controllore

P(s) Sistema

T(s) Trasduttore


3/38

Processo e Attuatore

dP(s)

processo

attuatore

u y

d disturbo, pu rappresentare dinamiche non modellate, fenomeni di

attrito, ingressi non manipolabili, etc.


4/38

Attuatori pi comuni

Elettrici: Semplici da pilotare, ampia gamma di potenze,

risposta molto veloce, efficienti ad elevate velocit

Idraulici e Pneumatici: Silenziosi, di solito per medie e

alte potenze, velocit di funzionamento bassa


5/38

Alcune tipologie di motori elettrici

Motore DC con collettore (Brush Motor): Molto comune,

economico, semplice da usare, problema: consumo

spazzole, disturbi elettromagnetici

Motore DC Brushless: Silenzioso, affidabile, robusto,

necessita di elettronica di controllo pi complicata

Motore Passo-Passo (Stepper Motor): Ottimo percompiti di posizionamento, pi costoso, coppia non

costante, elettronica di controllo complicata, di solito si usa

per basse potenze


6/38

Struttura del sistema di controllo dal punto di vista fisico

D/A P(s)

dsistema + attuatorielettronica

C(s)

T(s)

n

+

+

trasduttore

+

-

A/D


7/38

controllo alto livello interfaccia elettronica(controllo basso livello)

sistema da controllare

sistema da controllarecontrollo alto livello

+controllo basso livello

Lelettronica pu interfacciarsi con un PC o essere stand-alone


8/38

C(s)

+

-

A/D

D/A P(s)


T(s)

n

+

+

trasduttore


9/38

Composizione strutturale della scheda di controllo

Ad esempio con -controllori

(simili a -processori)

e.g. PIC della Microchip

Componentistica elettronica(spesso nota sotto

il nome di driver)Realizzato a transistor

(componenti discreti

o integrati)alimentazione

esterna

interfaccia amplificatore

di potenza

segna

le

poten

za

elaborazionecomandi

e feedback

misuremisure


10/38

D/A P(s)

d sistema + attuatorielettronica

T(s)

n

+

+

trasduttore

C(s)

+

-

A/D


11/38

Robot Mobile

Due ruote attuate separatamente da

due motori

Castor frontale per mantenerelequilibrio

cos( )

sin( )

x v

y v

=

= =


12/38

Robot Mobile:

Controllo ad alto livello

C(s) Robot

Mobile

v

traiettoriadesiderata traiettoriaeffettiva

+

-

T(s)

Il controllo di alto livello agisce sulla traiettoria che il robot esegue

Le variabili di controllo sulle quali agisce sono e v


13/38

Robot Mobile:

Controllo a basso livello

CblRobotMobileMotori

v11

v2

T

2

v

tensioni in ingressoai motori

velocit angolaridelle ruote

ingressi dal controllodi alto livello

Il controllore di basso livello gestisce tutte le dinamiche che non sono state

esplicitamente prese in considerazione ad alto livello


14/38

C(s) P(s)

d

T(s)

n

+

+

+

-

elettronica sistema + attuatori

trasduttore

A/D

D/A


15/38

Trasduttori cinetici usati nel controllo dasse

Encoder incrementale

Encoder assoluto

Potenziometro

Resolver

di posizione Dinamotachimetrica

di velocit

Vcc

Esempio trasduttori di posizione:

potenziometro (analogico) encoder assoluto(digitale)encoder incrementale(digitale)


16/38

Motore con lancetta


17/38


18/38

Circuito elettrico equivalente di un motore CC

Trasformando nel dominio di Laplace e ipotizzando I(0)=0 si ottiene

e mV(s)= ( ) ( ) ( )K s R L s I s + +

per un motore in corrente continua possiamo inoltre sempre scrivere

( )tK I t =

doveKt la costante di coppia del motore


19/38

Dinamica del motore e del carico

La parte meccanica del motore pu essere cos modellata:

m m m m cJ B d = + + +

Unequazione analoga descrive la dinamica di un carico:

c cJ B d = + +

m

d

d

motore caricoriduttore


20/38

Schema a blocchi del motore

senza riduttore e senza carico

d

+

- Ls+R

1

+

-1

s

m

.

Jm s+Bm

1 mIVK

t

Ke

Di i d l t d l i


21/38

Dinamica del motore e del carico

m

n

=

m

n

=

1m

n = m

n

=m

c m =

Imponendo1

nRapporto di riduzione

cn

=

per esteso: Il riduttore riduce leffetto dei disturbi

agenti sul carico!

2 2

m mc c c

dJ Bn n n

= + +

e sostituendo nellequazione della dinamica del motore

2 2( ) ( )c cm m m m

J B dB d

n n n

= + + + + +

d

d

dn

= +eff m eff m d J B = +

ovvero dove


22/38

Schema a blocchi del motore

con riduttore e carico

m.

+

+

Jeffs+Beff

1 1s

d

m 1n

+

- Ls+R

1Kt

I

Ke

V


23/38

Due scelte possibili

Controllo in tensioneC(s)

V

Controllo in corrente

La variabile di controllo V(t)

La variabile di controllo I(t)

(es. di controllo ad alto livello)

C(s) pi semplice (attuatore =Kt I(t))

C(s)VContr.

bassolivello

I


24/38

Metodi di Controllo

Per la sintesi del controllore si possono utilizzare i metodi noti:

Sintesi per tentativi

Luogo delle radici

Metodi diretti

Assegnazione autovalori + osservatore asintotico

Esempio di specifiche per il controllore

Errore a regime permanente nullo per ingressi a gradino

Tempo di salita ts 0.3 sec

Sovraelongazione s 5%

Astatismo rispetto a disturbi costanti nel ramo diretto


25/38


26/38

Non linearit tipiche

Saturazione

(ad esempio presenza di un limitatore di corrente)

Attrito secco

Isteresi del riduttore (eventuale gioco tra ingranaggi)

( )s s mB sign =

m

s

sB

M d ll i l ti i li ti


27/38

Modello simulativo pi realistico

(+ isteresi, + saturazione, + attrito secco)

+

+

d

-

m

.

Jeffs+Beff

1 1s

+

- Ls+R1

Kt

Ke

IV m 1n

Pil t i A l i M t i DC


28/38

Pilotaggio Analogico Motori DC

Vcc

+

R

V

I

V

t

Vapplicata al motore varia con continuit in modo dolce

Bassa efficienza a causa della elevata potenza dissipata nella resistenza o nel

transistor pilota

Pil t i PWM M t i DC


29/38

Pilotaggio PWM Motori DC

Vcc

+

c

V

I

V

t

Alta efficienza, la potenza trasferita quasi interamente al motore

Facilit di realizzazione tramite elettronica digitale

Problemi di emissioni elettromagnetiche


30/38

Struttura del sistema di controllo dal punto di vista fisico

D/A P(s)


C(s)

T(s)

n

+

+

trasduttore

+

-

A/D


31/38

Scheda di controllo


32/38

Scheda di controllo

Riferimento di

Posizione

Controllore

-Comparatore

-Calcolo controllo-Elab. Encoder

GeneratorePWM

Driver

Alimentazione di

Potenza

Amplificatore

(H-Bridge)

Protezione percorrenti eccessive

SegnaleEncoder

Uscita alMotore

Scheda di controllo


33/38

Scheda di controllo

Segnale diRiferimento

(analogico)

Segnale di

Controllo

(digitale)

Alimentazionedi Potenza

(analogico)

Segnale di

controllo

amplificato

(analogico)

Feedback

dallEncoder

(digitale)

Segnale di Riferimento


34/38

Segnale di Riferimento

Potenziometro: resistenza

variabile da 0 al valore di fondo

scala

R1

Rvar

Vc

Vout

I

1 var

cV

IR R

=+

var var

1 var

c

out

VV IR R

R R= =

+

PIC: Peripheral Interface Control


35/38

p

Famiglia di microcontrollori prodotti dalla Microchip

Integrano al loro interno un microprocessore, una

memoria ROM e una RAM, delle interfacce I/O, espesso alcune periferiche aggiuntive (convertitori

D/A, Timer, etc.)

Il software pu essere compilato su un PC e poi

scaricato nella memoria del PIC con dei semplici

programmatori

Il PIC nella foto (PIC16C745) lavora alla velocit di

24MHz, e dispone di una memoria di 8KByte

Amplificatore


36/38

p

Formato da quattro MOSFet (Metal Oxide

Semiconductor Field Effect Transistor) in

configurazione Ponte H

Ogni Mosfet un amplificatore tensione-

corrente fino alla soglia di saturazione,

oltre si comporta semplicemente come un

circuito chiuso.

Pilotare lamplificatore in PWM vuol diresemplicemente alternare fasi in cui i mosfet

sono spenti a fasi in cui essi sono in

saturazione

Lamplificatore funziona in manieraanalogica quando ogni mosfet viene fatto

lavorare nella sua zona attiva, in cui regola

la corrente che scorre al suo interno in

base alla tensione di controllo applicata

Lelettronica pu interfacciarsi con un PC o essere stand-alone


37/38

controllo alto livello interfaccia elettronica(controllo basso livello)

sistema da controllare

sistema da controllarecontrollo alto livello

+controllo basso livello

L elettronica pu interfacciarsi con un PC o essere stand alone

Pendubot


38/38

Pendubot

Alimentazione stadio potenzaRobot Computer + scheda controllo

Controllo Motore DC

Documents

Transcript of Controllo Motore DC