I trasduttori utilizzati negli azionamenti elettrici - ridotto Elettrici II/I trasduttori... ·...

UNIVERSITÀ DI UDINEUNIVERSITÀ DI UDINEDipartimento di Ingegneria Elettrica, Gestionale e MeccanicaDipartimento di Ingegneria Elettrica, Gestionale e Meccanica

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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


La misura di tali grandezze viene effettuata attraverso l’utilizzo di trasduttori che permettono ottenere segnali

elettrici a bassa potenza “proporzionali” a quelli effettivi.


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.)


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




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:


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


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


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


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



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



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


Open loop


Closed loop


Estensione alla misura di tensione


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



Sistema di acquisizione

TrasduttoriHall

ConvertitoriI/VAmplificazione

Sample/Hold eConversione

A/D

Tc



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.


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


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


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.


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).


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.


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


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


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.


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.


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.


ResolverResolver


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