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Gli azionamenti dei motori

• Per azionamento si intende, in generale, un insieme di apparecchiature, gruppi convertitori, attuatori, organi di trasmissione, macchine operatrici, dispositivi di controllo.

azionamento

• la sua funzione è lo svolgimento di un certo numero di operazioni, quali cicli di lavorazione o movimenti di organi meccanici, con prestabilite leggi di moto (posizione e velocità).

I quadranti di un azionamento motore ccVelocità

Coppia

Q1w>0

C>0

P>0

Q2w>0

C<0

P<0

Q3

w<0

C<0

P>0

Q4

w<0

C>0P<0

motore

motore

Freno meccanico/generatore Freno meccanico/generatore elettelett.

Freno meccanico/generatore Freno meccanico/generatore elettelett.

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Unità N°1:Generalità sui dispositivi elettronici di

potenza

• I moderni sistemi di controllo e comando delle macchine elettriche impiegano diffusamente dispositivi elettronici di potenza, grazie ai quali èpossibile, ad esempio automatizzare e ottimizzare la regolazione della velocità

I dispositivi a semiconduttore sono utilizzati come interruttori

OFF I = 0

ON I > 0

I

I

V

Dispositivi elettronici di potenza

• DIODI• SCR (Raddrizzatori Controllati al Si)*• SWITCH CONTROLLATI:

- BJT

- MOSFET- IGBT- GTO* (Gate Turn-Off)

* SCR e GTO = TIRISTORI

scr

• È un diodo controllato

A K

G

Gate

anodo catodoNP N NP

0,6 V VBO

I

ILVBD Ih

ILcorrente di aggancio

IH corrente di mantenimento

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IGBT

• Transistor IGBT (Insulated Gate BipolarTransistor) sono transistor BJT con in-tegrato uno stadio di comando a MOS. Sono pilotabili, quindi, in tensione. Hanno perdite di comando e frequenze operative intermedie tra MOSFET e BJT.

IGBT

G

C

E

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5[kA]

1 kHz

10 kHz

100 kHz

1 MHz

0

1

2

3

4

5

[kV]

tiristori

GTO

BJT

MCTIGBT

MOSFET

frequ

enza

Prestazioni limite dei vari componenti

sviluppo previsto

per l’MCT

Gli inverter

• Gli inverter• Negli inverter si riconoscono tre parti fondamentali:• il raddrizzatore detto anche convertitore CA-CC• il filtro • il convertitore CC-CA• Scopo del raddrizzatore è di trasformare la corrente

alternata monofase e trifase in c.c..• Spesso ha anche il compito di recuperare l’energia

elettrica durante la fase di frenatura.

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INVERTER

M

3 ~

Filtro Convertitoredc-ac

Inverter

Schema generale di un azionamento con motore elettrico

Rete di alimentazione AC

Convertitore AC/DC INVERTER

M

CONTROLLO

MOTORE

COMANDO

DUE CASI

• Rete di alimentazione in corrente continua (es. linee ferroviarie): solo INVERTERS (fig.2)

• Rete di alimentazione in alternata:doppia conversione per avere a monte del motore l’alternata a frequenza variabile (caso della pagina precedente - fig. 3)

M

DC/AC

Fig. 2

M

DC/ACAC/DC

Fig. 3

INVERTER

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Per capire il funzionamento, si farà il caso semplice di un convertitore a ponte di SCR, con carico resistivo

vs

Vs = Vmax sin ωt

T1 T2

T3 T4

R

id

vd

FUNZIONAMENTOVs > 0: T1 e T4 sono polarizzati direttamente; si possono accendere con l’impulso di gate, mentre T3 e T4 sono polarizzati in inversaVs < 0: è il contrario del caso sopra!vd

ωt = θ

Ig1

Ig2

Ig3

Ig4

αααα = angolo di innesco

<Vd> = valor medio della Vd

<Vd> = Vmax (1+cos αααα)/π

Variando l’angolo di innesco, la Vd si modifica e varia, di conseguenza, la tensione media sul carico (<Vd>).

Variando l’angolo di conduzione varia la componente continua

• I valori medi dipendono da αααα;• La conduzione è discontinua per αααα

compreso fra 0 e π;• Conduzione discontinua = una coppia di

SCR si spegne prima che si accende l’altra coppia di SCR.

<Vd> = Vmax (1+cos αααα)/π

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Dimostrazione del valor medio

).cos1(]cos[

sin1

sin1

max0

max

0 max0 max

απ

θπ

θθπ

θθ

α

α

−=−=

=== ∫∫VV

dVdVT

Vt

medio

• La presenza dello stesso collettore e delle spazzole, richiedendo una costante manutenzione, ha reso svantaggioso l’uso dei motori in corrente continua a vantaggio degli asincroni e dei brushless.

• Nel brushless è il sensore che rileva la posizione del rotore e consente di avere l’ortogonalità tra il flusso rotorico Φr e quello statorico Φs.

Nel brushless la commutazione riguarda lo statore

In effetti, nel brushless il collettore a lamelle e le spazzole sono state sostituite da un sistema di commutazione elettronico retroazionato in cui l’istante per la corretta commutazione è segnalata da dei sensori.

Confronto con il motore in cc

• manutenzione di gran lunga inferiore per l’assenza delle spazzole;

• maggiore efficienza dovuta all’assenza di un collettore e delle spazzole;

• lunga durata ;• possono operare a velocità che raggiungono anche i

16000-20000 giri al minuto ed oltre;• coppia elevata ;• bassa inerzia e di conseguenza brevi tempi di

avviamento dovuti alla leggerezza del suo rotore che ècostituito da una struttura a magneti permanenti (ceramici, a terre rare ecc.) che gli permette di ottenere un basso momento di inerzia, molto utile nelle applicazioni quale servoposizionatore

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tipi

• Una distinzione tra i motori brushless èfatta in base il tipo di segnale che alimenta gli avvolgimenti di statore:

• se è di tipo trapezoidale il motore viene classificato come un DC brushless , se di tipo sinusoidale come AC brushless .

0° θ

Ψ(θ),e(θ)Ψmax

+

+

0° θ

e1

30°

90° 180° 270° 360°

30°

90° 180° 270° 360°

0° θ90° 180° 270° 360°

150° 150°

150°

a1 A1

A2

a2

Ψ1Ψ2

e2

e1+e2

e

ePoiché la forma d’onda dell’induzione non è perfettamente triangolare ma èsmussata, l’andamento effettivo della fem risultante è quello tratteggiato (trapezoidale)

Brushles trapezio o dc brushless

Flusso Flusso concatenatoconcatenato

FcemFcemtrapezoidaletrapezoidale

Le Correnti nelle tre fasi sono Le Correnti nelle tre fasi sono continue da cui il nome continue da cui il nome dcdc

brushlessbrushless

NB. Per RADDOPPIARE la potenza si può pensare di ALIMENTARE con corrente negativa quando la fcemdiventa negativa

Andamento del flusso: realizzato lineare per ampi

tratti

Andamento della f.c.e.mf.c.e.m .che è di tipo trapeziodale:

è la derivata del flusso conc.

Le Correnti nelle tre fasi sono continue

FORMA TRAPEZOIDALE DELLA fcem

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IUV

IVW

IWU

0° 60° 120° 180° 240° 300° 360°

0° 60° 120° 180° 240° 300° 360°

0° 60° 120° 180° 240° 300° 360°

•Ogni switch conduce per 180° ed ha una commutazione per periodo•Ogni fase conduce per 2/3 del periodo; vi è sempre quindi conduzione simultanea di due fasi, per alimentare opportunamente è necessario rilevare la posizione con sensori effetto Hall

Andamento correnti in un dc brushless

Andamento Andamento della correntedella corrente

Effetto Hall

I

- - - - - -

v

vt∆

L

B

h

V- -

- - - -

- - -

H

Edwin Hall, studente di 24 anni scoprì che la tensione, da ora chiamata tensione di Hall, VH, èdirettamente proporzionale al flusso magnetico che attraversa la lamina d’oro, l’angolo con cui lo attraversa, e l’intensità di corrente usata

la tensione di Hall risulta

VH=BLv

Sensori Hall

• Come sensori i generatori ad effetto Hall trovano impiego per rilevare le correnti, i campi magnetici o come interruttori controllati da un campo magnetico si possono rilevare per esempio la velocità di rotazione di alberi meccanici

Principio di funzionamento :

dc brushless

• I sensori effetto Hall rilevano la posizione del rotore

• La logica di controllocommuta I transistor in modo da alimentareopportunamente gliavolgimenti

Images courtesy of Servo Magnetics

(http://www.servomag.com/flash/2-pole/2pole-bldc-motor.html)

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DC BRUSHLESS

• La forma d’onda trapezoidale richiede un sistema di controllo più semplice rispetto a quello sinusoidale essendo la forma d’onda a trapezio più facile da ricreare.

• La coppia risulta costante

C=ktC=kt (IaEa+IbEb+IcEc)(IaEa+IbEb+IcEc)

Dc brushless

• E’ possibile adoperare, encoder a bassa risoluzione ottenendo sistemi brushlesspiù economici anche se la precisione della coppia è inferiore ai sistemi sinusoidali. L’ondulazione di coppia va dal 4 al 15 % mentre è solo del 3% in quelli sinusoidali ciò produce una variazione della velocitàparticolarmente visibile alle basse velocità.

Schema a blocchi dc brushless Ac brushless• Il motore brushless AC è in sostanza una evoluzione di quello

DC.• Nel motore a controllo sinusoidale ( AC brushless) il motore è

pilotato applicando una corrente sinusoidale agli avvolgimenti senza alcuna manipolazione.

• Queste correnti hanno un opportuno sfasamento, 120°nel caso di motori trifase. In questo caso è necessario un encoder ad alte risoluzione se si vuole mantenere una rotazione regolare anche alle basse velocità con bassissimi ripple di coppia.

• Il prezzo da pagare è una maggiore complessità del driver per generare le corrente sinusoidale opportune per mantenere uno sfasamento di 90°tra corrente magnetizzante e la co mponente che produce la coppia.

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La corrente totale (Is) è scomponibile in una componente (Id) magnetizzante o reattiva che produce il flusso e una componente (Iq) attiva che produce la coppia.

La componente magnetizzante deve mantenersi costante nelle diverse condizioni di carico meccanico (con flusso costante).

Espressione coppia ac bushless• Vediamo ora di capire perchè

un motore controllato in onda sinusoidale fornisca coppia costante. Per semplificare ipotizziamo un motore bifase

• Se un conduttore è portato in un campo magnetico una forza F èesercitata sullo stesso

F = F = II* I * B * * I * B * sensen ((δδδδδδδδ))..

• l è la lunghezza del filo, ed I e B formano un prodotto vettoriale

δ angolo tra B e I

Espressione coppia ac bushless

• Ora il motore per una fissata corrente I di una delle due fasi in un assegnato istante t0

fornisce una coppia

•• CC’’==IIKtKt sinsin ϑϑϑϑϑϑϑϑdove Kt è la costante di coppia• in realtà la i è sinusoidale ed è

imposta dall’inverter pari a i=i=IIsinsin ϑϑϑϑϑϑϑϑ e quindi la coppia

•• CC’’=(=(II sinsin ϑϑϑϑϑϑϑϑ) ) KtKt sinsin ϑϑϑϑϑϑϑϑ==II KtKt sinsin 22ϑϑϑϑϑϑϑϑ

Espressione coppia ac bushless• L’altra delle due fasi, essendo

sfasata di 90°, fornirà una coppia C’’=I Kt cos 2ϑϑϑϑ e la coppia totale:

• Ctot=C’+ C’’= I Kt cos 2ϑϑϑϑ+ I Kt sin 2ϑϑϑϑ = IKt

• La costanza della coppia vi è se il driver è in grado di ricostruire una perfetta relazione seno-coseno nelle correnti dei due avvolgimenti. Un microprocessore dedicato consente di calcolare la corretta corrente in base alla posizione e alla coppia

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ENCODER INCREMENTALI

• L'elemento fotosensibile ( un fotodiodo o un fototransistor) genera un treno di impulsi ed il loro numero è pari al numero delle zone trasparenti, alternate alle scure, intercettate dal blocco emettitore-ricevitore .

• Il conteggio di questi impulsi consente di individuare la rotazione compiuta dal disco

• Un encoder in cui sia presente solo una serie di feritoie non consente di individuare il verso in cui il disco ruota. Viene ricavata una seconda serie di feritoie, sfalsata rispetto alla prima di un quarto di passo, essendo il passo la distanza tra due zone trasparenti successive. E' ovviamente necessaria la presenza di una seconda sorgente luminosa e di un secondo sensore.

Encoder assoluti

0

1

2

34

5

6

7In questi encoder non si ha una semplice successione di zone chiare e di zone scure, ma le zone chiare e quelle scure, rappresentano, lette su una linea perpendicolare alle piste o su un raggio una parola in un certo codice binario.

• Un codice binario puro non è tuttavia adatto ad essere utilizzato in un encoder. Si ha che in alcune posizioni, passando da un numero binario al successivo, varia più di una cifra. Ad esempio passando dal n. 3 (011) al n. 4 (100) si ha una variazione contemporanea di tutte e tre le cifre. Codice Gray

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ENCODER INCREMENTALI ED ASSOLUTI

LED

fotorivelatore

fotorivelatori

tracce

ogni livello ha una risoluzione doppia rispetto a quello inferiore; con 10 tracce vengo ad avere una risoluzione di 210=1024 impulsi per giro (nota: i segnali provenienti dai fotorivelatori possono essere interpretati direttamente come una codifica binaria della posizione)

ENCODER INCREMENTALE:contando gli impulsi permette di valutare lo spostamento rispetto ad una posizione iniziale

ENCODER ASSOLUTO:fornisce la posizione assoluta

I RESOLVER• Il resolver è un trasduttore per la

misura di spostamenti angolari molto utilizzato sia nel campo delle macchine utensili che della robotica I due solenoidi, di cui uno fisso e l’altro rotante, sono disposti intorno ad uno stesso nucleo di ferro, fatto di lamierini isolati: in base alle loro posizioni reciproche tutto il flusso dovuto al primo avvolgimento risulta concatenato totalmente o solo parzialmente con il secondo. Si avrà perciò una tensione indotta avente caratteristiche che dipendono dalla loro posizione reciproca.

I resolver• Negli avvolgimenti di statore si generano quindi f.e.m. sinusoidali di

ampiezza proporzionale• rispettivamente a sen(q) e cos(q).• Le tensioni prodotte negli avvolgimenti di statore vengono elaborate da

un circuito elettronico (spesso• contenuto in un ASIC) che ne rivela le ampiezze relative, ricavandone

la posizione angolare q. Lo stesso

• circuito calcola anche la velocità angolare ω

avvolgimenti di statore

albero per l’accoppiamento

al motore

avvolgimenti di rotore secondario del trasformatore rotante

primario del trasformatore rotante (f=8 kHz)

RESOLVER – senza spazzole

Ve=10 V 8 kHz

statore rotore statore

statore

VR V2

V1

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La dinamo tachimetrica

• La dinamo tachimetrica è un piccolo generatore di corrente continua. Nello statore è presente un magnete permanente. Il rotore racchiude l’avvolgimento indotto. Rispetto le tradizionali dinamo si pone molta cura nella costruzione per evitare attriti e eccentricità che falserebbero la lettura.

• Si ricorda che una spira conduttrice interessata da un flusso variabile nel tempo produce ai suoi capi una f.e.m. l’andamento di tale forza elettromotrice è sinusoidale.

• Ora ciascun avvolgimento contribuisce alla tensione complessivo con una propria tensione ed ogni f.e.m. sarà sfasata rispetto la precedente

• La somma di queste sinusoidi sfasate fornisce una tensione pressoché continua ma che presenta una certa ondulazione, la tensione, pertanto, deve essere filtrata per evitare problemi nei sistemi di controllo

• La tensione continua in uscita è legata alla velocità di rotazione dalla relazione

• dove KD è la costante della dinamo mentre ω è la velocità angolare in giri /min.

• Per le dinamo tachimetriche commerciali la KD vale 60÷90 V per 1000 giri/min

• La tensione di uscita è sostanzialmente continua ed il suo valor medio Vo èespresso dalla relazione:

• Vo = E - IaRa = Kd*N - Ia*Radove E = Kd*N è la tensione a vuoto,Kd la costante tachimetrica, N la velocità

angolare (giri/min), Ra la resistenza degli avvolgimenti e Ia la corrente negli avvolgimenti.

E’ importante nell’utilizzo di far lavorare la dinamo tachimetricaa vuoto per evitare che la misura sia falsata

dalle cadute di tensione sulla resistenza degli avvolgimenti del rotore

+ -+

++ +

N

S

+ + ++