I trasduttori utilizzati negli azionamenti elettrici - ridotto

UNIVERSITÀ DI UDINE
Dipartimento di Ingegneria Elettrica, Gestionale e Meccanica
Via delle Scienze, 208 - 33100 UDINE
Corso di Azionamenti Elettrici II
Docente: Ing. Roberto PETRELLA
I trasduttori utilizzati negli azionamenti
elettrici: principi di funzionamento,
caratteristiche e metodologie di utilizzo
Aggiornato al 15.05.2007
Introduzione
Sensori
Generatore
Sensori
Convertitore
Sensori
Motore
Carico
Segnali di
controllo
Grandezze
elettriche
Sistema di
controllo
digitale
Grandezze
elettriche
Grandezze
meccaniche
Ingressi di comando
Le grandezze elettriche e meccaniche
normalmente necessarie al controllo di un
azionamento elettrico sono:
n Corrente*
o Tensione*
p Posizione
q Velocità
r Coppia
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Introduzione
La misura di tali grandezze viene effettuata attraverso
l’utilizzo di trasduttori che permettono ottenere segnali
elettrici a bassa potenza “proporzionali” a quelli effettivi.
Sistema
ambiente
Sistema
misurato
Trasduttore
Sistema
utilizzatore
Sistema
ausiliario
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.)
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Introduzione
La scelta del tipo di trasduttore da utilizzare
è legata a motivi di tipo:
n Tecnico
o Economico
¾ Principio di funzionamento e bilancio
energetico (attivo/passivo)
¾ Campo di misura
¾ Precisione, risoluzione, linerarità,
offset, etc.
¾ Risposta nel tempo (tempo di risposta)
¾ Risposta in frequenza
¾ Tipo e campo di uscita
¾ Caratteristiche meccaniche
¾ Caratteristiche termiche
¾ Affidabilità (MTBF)
¾ Caratteristiche di isolamento in/out
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Introduzione
Che cosa vedremo:
Metodi di misura di corrente e tensione:
¾ Trasduttori ad effetto Hall
¾ Trasduttori resistivi
Metodi di misura di posizione e/o velocità:
¾
¾
¾
¾
Encoder incrementale
Encoder assoluto
Tacho generator
Resolver
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Trasduttori ad effetto Hall
Principio di funzionamento:
effetto Hall
scoperto nel 1879 da Edwin Herbert Hall
alla John Hopkins University in Baltimore
Generatore di Hall
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 di
Lorentz 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).
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Trasduttori ad effetto Hall
Tensione di Hall
VH = (K/d) y IC y B
d: spessore della lastra
K: costante di Hall
(funzione del materiale della lastra)
Problemi
¾ Dipendenza della sensitività e dell’offset
della tensione di Hall dalla temperatura
¾ Errori di linearità
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Trasduttori ad effetto Hall ad
anello aperto
n
o
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
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Trasduttori ad effetto Hall ad
anello aperto
All’interno della regione lineare del ciclo di
isteresi, il flusso B è proporzionale a IP
Curva di magnetizzazione
Bair gap = k1 y IP
Ø
VH = (K/d) y IC y B y k1 y IP
Ø
VH = k y I P
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Trasduttori ad effetto Hall ad
anello chiuso
n
o
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
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Trasduttori ad effetto Hall 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 Ö NP y IP = NS y IS
Ø
IS = (NP y IP ) / NS
Esempio: NP = 1 - IP = 100 A - NS = 1000
Ø
IS = (NP y IP ) / NS = 100 mA
Problema
¾ Assorbimento di corrente dall’alimentazione
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Trasduttori ad effetto Hall
Caratteristiche principali
¾ Eccellente precisione
¾ Buona linearità
¾ Bassa deriva termica (Closed loop)
¾ Bassi tempi di risposta
¾ Buona risposta in frequenza (200kHz)
¾ Non producono alterazioni sul circuito
da misurare
¾ Uscita in corrente (Closed loop)
¾ Sopportano sovraccarichi elevati
¾ Isolamento in/out
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Open loop
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Closed loop
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Trasduttori ad effetto Hall ad
anello chiuso
Estensione alla misura di tensione
n
o
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
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Ing.
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Trasduttori ad effetto Hall
Sistema di acquisizione
Sample/Hold e
Conversione
A/D
Amplificazione
Convertitori
I/V
Trasduttori
Hall
Tc
Ing.
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Trasduttori ad effetto Hall
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.
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Trasduttori resistivi
Metodologia 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.
Shunt C
Shunt B
Shunt A
PWM signals
Shunt
leg C
Phase C
leg B
Phase B
leg A
Phase A
Positive DC rail
Negative DC rail
Induction
Motor
Current signals
Vdc
Schema del convertitore con gli shunt
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.
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Trasduttori resistivi
Problematiche:
¾ gli shunt sono attraversati dalla stessa corrente che
alimenta il motore
y
y
modifica della reattanza serie complessiva
variazione di resistenza dovuta al riscaldamento
¾ la corrente ha fronti molto ripidi (ma non istantanei)
y
sono necessari shunt a bassa induttanza
equivalente serie
¾ il valore assoluto dell d.d.p. è piccolo (<10-1 V)
y
basso SNR
¾ si perde l’isolamento fra sezione di controllo e
sezione di potenza (supponendo di non voler
utilizzare amplificatori operazionali isolati)
¾ 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)
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Encoder ottico
Principio di funzionamento:
l’informazione sulla posizione angolare
(relativa o assoluta) è “memorizzata” su
un disco fotoinciso calettato all’albero
del trasduttore. Tale informazione
viene letta e manipolata durante
la rotazione dell’albero stesso.
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Encoder incrementale
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).
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Encoder incrementale
La posizione relativa viene ottenuta a partire daii segnali A e
B e dal loro sfasamento relativo attraverso due approcci
simili ma fondamentalmente distinti:
n 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;
o 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.
È possibile aumentare di un fattore 2 o 4 la
risoluzione di un encoder incrementale.
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Misura 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.
θ(k) − θ(k − 1)
T
problemi a bassa velocità (errore di quantizzazione);
risposta lenta.
¾ Differenziazione della posizione
y
y
ω̂ =
¾ Osservatori di velocità
y
y
dipendenza dai parametri per quelli basati sul modello
del sistema fisico;
elevato peso computazionale.
¾ Misura di periodo e/o frequenza dei segnali A o B
y
y
necessitano di hardware specifico;
problemi a coprire range estesi di misura.
ω̂ =
∆θ
t(k) - t(k - 1)
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Encoder assoluto
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.
Codice Gray
14
15
0
Binario naturale
MSB
1
13
14
2
15
0
1
13
2
12
3
12
3
11
4
11
4
10
5
9
8
7
10
5
9
6
8
7
6
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)
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Encoder “Virtual Absolute (VATM )”
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:
n una traccia ciclica, come nel caso di encoder
incrementale;
o 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.
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Tacho 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.
⎧Vemf = K V ⋅ ωm
⎨
⎩ωemf = pp ⋅ ωm
Problematiche:
¾ bassa risoluzione se pp è piccolo (normalmente pp=8)
y
y
problemi a bassa velocità (errore di quantizzazione);
risposta lenta.
¾ basso SNR del segnale di uscita
¾ non è possibile discriminare il senso di rotazione
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Tacho 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)
y
y
è necessario di hardware specifico;
problemi a coprire range estesi di misura.
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Resolver
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