Lezione 15. Servomeccanismi

per il controllo del moto

Introduzione

1F. Previdi - Controlli Automatici - Lez. 15

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Schema della lezione

0. Premessa

1. Macchine elettriche

2. Motori elettrici

3. Classificazione dei motori elettrici

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0. Premessa

Un servomeccanismo è un sistema che trasforma potenza elettrica in potenza meccanica inmodo controllato.

Esso è costituito, nella sua forma usuale, da un motore elettrico, un convertitore dipotenza, un controllore elettronico su cui risiede un opportuno algoritmo. Nelleapplicazioni di controllo del moto (robotica e macchine utensili) vi è anche un controlloreelettronico del moto.

Motore elettrico

Convertitore di potenza

Controllo di potenza

Controllo del moto

Carico

potenza elettrica

potenza elettrica

potenza meccanica

perdite

alimentazione

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Nelle seguenti lezioni si affronteranno e discuteranno i seguenti temi.

Motori elettrici: dopo una breve introduzione generale, si ricaverà un modello orientatoal controllo del moto per i motori DC.

Controllo del moto: i principali problemi e strategie di controllo del moto perservomeccanismi basati su motori DC.

Il tema dei convertitori di potenza (struttura dei convertitori e strategie di controllo dellapotenza per motori DC brushless) saranno affrontati in dettaglio nel corso diLABORATORIO DI AUTOMATICA.

1. Macchine elettriche

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Le macchine elettriche sono di tre tipi:1. Generatori

Trasformano in energia elettrica energia di altra natura 2. Motori

Trasformano energia elettrica in energia meccanica3. Convertitori (trasformatori, per corrente alternata)

Trasformano energia elettrica in energia elettrica con diverse caratteristiche

Le macchine elettriche si classificano in base al tipo di corrente che attraversa i circuiti della macchina:

Macchine a corrente continua (DC: Direct Current) Macchine a corrente alternata (AC: Alternate Current)

o Monofaseo Polifase (di solito Trifase)

Le macchine possono essere statiche o rotanti (non discutiamo le lineari). Le macchine rotanti si dicono:

Sincrone se ruotano ad una velocità assegnata (detta di sincronismo e legata alla frequenza di alimentazione)

Asincrone se la velocità di rotazione non è legata alla frequenza di alimentazione (dipende anche dal carico)

2. Motori elettrici

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Un motore elettrico è una macchina rotante chetrasforma energia elettrica in energia meccanica.

Motore Elettrico

Potenza elettrica

Potenza meccanica

�, � �, �

tensione e corrente di alimentazione

coppia e velocità di rotazione dell’albero

Esso è costituito da una parte rotante solidalecon l’albero, detta rotore e da una parte fissadetta statore.Su di essi vi sono dei dispositivi (magnetipermanenti o avvolgimenti) capaci digenerare flussi magnetici.

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Alla base del funzionamento di un motore è la legge di Faraday che afferma che quandouna corrente scorre in un conduttore immerso in un campo magnetico, si manifesta unaforza sul conduttore stesso.

Quindi su una spira rettangolare come quellanella figura, si avrà una coppia meccanica.

Aumentando il numero di spire, ed eccitandolenella sequenza opportuna, si otterrà coppia concontinuità e conseguentemente la rotazionedell’albero motore.

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La coppia nasce sempre dall’interazione tra il flusso magnetico rotorico Φ� e quello statorico Φ�.

Nella figura, il campo rotorico è generato da un magnete permanente, mentre il campostatorico è generato facendo variare le correnti negli avvolgimenti. Semplificando,possiamo dire che, facendo commutare opportunamente le correnti negli avvolgimenti distatore, si genera un campo statorico rotante che «trascina con sé» il campo rotorico e diconseguenza il rotore, generando una coppia all’albero motore.

flusso magnetico rotorico

flusso magnetico statorico

rotore

statore

velocità di rotazione

angolo tra i flussi

Avvolgimenti percorsi da corrente

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Motori elettrici

AC DC

Asincroni SincroniA spazzole Universali

A più fasiA singola

fase

Gabbia di scoiattolo

Rotore avvolto

Synchros

Cond. fisso

Avvio a cond.

Funzion. a cond.

Split phase

Shadedpole

Riluttanza variabile

Sinusoid. Stepper Brushless

DC brushed

Riluttanza

Rotore avvolto

Rotore a m. perm.

Cond. rotante

Riluttanza variabile

Magneti perm.

Ibrido

Riluttanza sincrona

Riluttanza commut.

3. Classificazione dei motori elettrici

DC brushless

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Motore elettrico AC asincrono trifase

Sullo statore (esterno) si genera un campo rotante mediante alimentazione trifase di treavvolgimenti (uno per ciascuna fase). Si genera così spontaneamente un flusso statoricorotante (detto flusso induttore). Sul rotore (interno) ci sono degli avvolgimenti che,concatenandosi con il campo generato dallo statore, generano il flusso rotorico che vienetrascinato da quello statorico, ma ad una velocità inferiore (da cui il termine asincrono) chedipende dal carico applicato.E’ noto anche come motore a induzione.

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• E’ certamente il motore elettrico più semplice, economico, robusto ed affidabile. Perquesto è anche il più diffuso. Ha peso ed ingombro ridotti rispetto ad altri motori di paripotenza.

• Non richiede particolari dispositivi di eccitazione/alimentazione.

• Adatta in modo spontaneo la sua velocità in base al carico applicato (solo per piccolevariazioni, però).

• Ha correnti di spunto elevate.

• La coppia e la velocità sono praticamente costanti e non possono essere variate se noncon un’adeguata elettronica di potenza.

• Ha qualche problema di dissipazione del calore.

• Di norma si usano due avvolgimenti per ciascuna fase (in gergo «due coppie polari»).

• Esistono anche motori AC asincroni monofase (si usano impedenze opportune persfasare le correnti statoriche).

• La velocità può essere variata su intervalli ampi mediante accorgimenti opportuni (dinorma variatori della frequenza di alimentazione)

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Motore elettrico AC sincrono trifase

Sullo statore (esterno) si genera un campo rotante mediante alimentazione trifase di treavvolgimenti (uno per ciascuna fase), esattamente come per il motore asincrono. Sul rotore(interno) ci sono magneti permanenti che generano il flusso rotorico che viene trascinato daquello statorico ad una velocità identica (da cui il termine sincrono) a quella del flussostatorico. I motori AC sincroni a magneti permanenti sono anche detti brushlesssinusoidali.

• Sono motori nati per essere utilizzati con 220V@50Hz.

• Il flusso rotorico può essere generato da avvolgimenti in corrente continua anzichè damagneti e quindi possono sono presenti spazzole per alimentare il rotore (ma ovviamentepuò essere realizzato in versione brushless).

• Non può avviarsi da solo, ma deve essere lanciato da un altro sistema (in genere medianteun rotore addizionale di tipo asincrono sul medesimo albero).

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Lo statore produce un campo magnetico fisso e costante ed è (in generale) costituito da magnetipermanenti. Il flusso rotorico è prodotto da avvolgimenti alimentati da una corrente continua.Un dispositivo di commutazione (collettore a spazzole) alimenta gli avvolgimenti del rotore inmodo opportuno durante la rotazione..

• Sono storicamente i primi motori sviluppati.• I problemi principali sono legati alla commutazione a spazzole: queste si usurano e possono

generare archi voltaici.• La coppia erogata è proporzionale alla corrente circolante negli avvolgimenti rotorici. Per

costruzione garantisce che flusso statorico e rotorico siano ortogonali, con conseguentemassimizzazione della coppia.

• Il controllo della velocità di rotazione avviene in modo molto semplice modulando latensione applicata agli avvolgimenti.

• Il flusso statorico può essere generato anche da avvolgimenti alimentati (statore avvolto).

Motori elettrici DC brushed («a spazzole»)

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Il principio di funzionamento è il medesimo del motore DC brushed, tranne per il fatto che lacommutazione delle fasi avviene elettronicamente sulla base di una misura della posizionedell’albero motore.

• E’ privo di spazzole e quindi non soffre dei problemi ad esse dovuti

• Si possono realizzare motori con elevata potenza ed elevata coppia

• Sono più costosi di quelli a spazzole

• Necessitano di un’elettronica di potenza e di controllo abbastanza complessa

Motori elettrici DC brushless

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Altre informazioni

1. I motori universali sono costruttivamente in AC ma possono funzionare anche in DC.

2. Non sempre il rotore e’ interno, ma a volte è esterno ed è inserito nell’organo rotante.

3. I motori lineari hanno uno statore ed un “traslatore” (al posto del rotore) che scorre

anzichè ruotare generando così un moto traslatorio lineare.

4. Grazie alla larga diffusione di elettronica di potenza a basso costo, essa è di norma

presente anche in tipologie di motori che non necessitano intrinsecamente di elettronica di

controllo della potenza.

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