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 Ing. Ing. Roberto Petrella - I trasduttori utilizzati negli azionamenti elettrici: principi di funz... funz... Slide 2 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.) Ing. Ing. Roberto Petrella - I trasduttori utilizzati negli azionamenti elettrici: principi di funz... funz... Slide 3 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 Ing. Ing. Roberto Petrella - I trasduttori utilizzati negli azionamenti elettrici: principi di funz... funz... Slide 4 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 Ing. Ing. Roberto Petrella - I trasduttori utilizzati negli azionamenti elettrici: principi di funz... funz... Slide 5 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). Ing. Ing. Roberto Petrella - I trasduttori utilizzati negli azionamenti elettrici: principi di funz... funz... Slide 6 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 Ing. Ing. Roberto Petrella - I trasduttori utilizzati negli azionamenti elettrici: principi di funz... funz... Slide 7 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 Ing. Ing. Roberto Petrella - I trasduttori utilizzati negli azionamenti elettrici: principi di funz... funz... Slide 8 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 Ing. Ing. Roberto Petrella - I trasduttori utilizzati negli azionamenti elettrici: principi di funz... funz... Slide 9 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 Ing. Ing. Roberto Petrella - I trasduttori utilizzati negli azionamenti elettrici: principi di funz... funz... Slide 10 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 Ing. Ing. Roberto Petrella - I trasduttori utilizzati negli azionamenti elettrici: principi di funz... funz... Slide 11 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 Ing. Ing. Roberto Petrella - I trasduttori utilizzati negli azionamenti elettrici: principi di funz... funz... Slide 12 Open loop Ing. Ing. Roberto Petrella - I trasduttori utilizzati negli azionamenti elettrici: principi di funz... funz... Slide 13 Closed loop Ing. Ing. Roberto Petrella - I trasduttori utilizzati negli azionamenti elettrici: principi di funz... funz... Slide 14 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 Ing. Ing. Roberto Petrella - I trasduttori utilizzati negli azionamenti elettrici: principi di funz... funz... Slide 15 Ing. Ing. Roberto Petrella - I trasduttori utilizzati negli azionamenti elettrici: principi di funz... funz... Slide 16 Trasduttori ad effetto Hall Sistema di acquisizione Sample/Hold e Conversione A/D Amplificazione Convertitori I/V Trasduttori Hall Tc Ing. Ing. Roberto Petrella - I trasduttori utilizzati negli azionamenti elettrici: principi di funz... funz... Slide 17 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. Ing. Ing. Roberto Petrella - I trasduttori utilizzati negli azionamenti elettrici: principi di funz... funz... Slide 18 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. Ing. Ing. Roberto Petrella - I trasduttori utilizzati negli azionamenti elettrici: principi di funz... funz... Slide 19 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) Ing. Ing. Roberto Petrella - I trasduttori utilizzati negli azionamenti elettrici: principi di funz... funz... Slide 20 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. Ing. Ing. Roberto Petrella - I trasduttori utilizzati negli azionamenti elettrici: principi di funz... funz... Slide 21 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). Ing. Ing. Roberto Petrella - I trasduttori utilizzati negli azionamenti elettrici: principi di funz... funz... Slide 22 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. Ing. Ing. Roberto Petrella - I trasduttori utilizzati negli azionamenti elettrici: principi di funz... funz... Slide 23 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) Ing. Ing. Roberto Petrella - I trasduttori utilizzati negli azionamenti elettrici: principi di funz... funz... Slide 24 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) Ing. Ing. Roberto Petrella - I trasduttori utilizzati negli azionamenti elettrici: principi di funz... funz... Slide 25 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. Ing. Ing. Roberto Petrella - I trasduttori utilizzati negli azionamenti elettrici: principi di funz... funz... Slide 26 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 Ing. Ing. Roberto Petrella - I trasduttori utilizzati negli azionamenti elettrici: principi di funz... funz... Slide 27 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. Ing. Ing. Roberto Petrella - I trasduttori utilizzati negli azionamenti elettrici: principi di funz... funz... Slide 28 Resolver Ing. Ing. Roberto Petrella - I trasduttori utilizzati negli azionamenti elettrici: principi di funz... funz... Slide 29