Trasduttori per la rilevazione di velocità e posizione

Trasduttori per la rilevazione di
velocità e posizione
TACHIMETRI A CORRENTE CONTINUA
strutturalmente sono dei piccoli generatori in corrente continua
eccitati con magneti permanenti (AlNiCo: stabilità termica)
V  kΦn n: n° di giri/min
scostamenti dalla proporzionalità:
• dissimmetrie costruttive (scentramenti del rotore, irregolarità
del traferro, ecc.)
• caduta di tensione alle spazzole (la corrente assorbita deve essere
piccola per evitare l’effetto della reazione di indotto): si usano
quindi spazzole con basse cadute (contenenti polvere di Ag)
errore di linearità =V/ VM : massimo
scostamento V dalla retta ideale,
riferito al valore di fondo scala VM
scostamenti tra la caratteristica reale e
ideale di un tachimetro in c.c.
PROBLEMA: oscillazioni segnale in uscita dovute sia alla pulsazione del
flusso causata dall’alternanza denti-cave dell’indotto, sia alla
commutazione.
SOLUZIONE: aumento del traferro, inclinazione delle cave rotoriche;
filtri passa basso per ridurre l’influenza della commutazione.
NB: nel caso risulti importante la velocità di risposta (impiego del segnale
della dinamo tachimetrica in un controllo retroazionato della velocità)
l’impiego di un filtro passa basso può essere controindicato.
VANTAGGI: il segnale continuo non crea problemi di frequenza o di fase.
SVANTAGGI: inerzia rotorica relativamente elevata, usura del sistema
collettore-spazzole, errori relativi consistenti alle basse velocità dovuti
alle cadute alle spazzole
Alcuni servomotori in cc hanno un tachimetro incorporato, costituito da un
secondo avvolgimento indotto sovrapposto al principale, collegato ad un
collettore indipendente. VANTAGGI: compattezza e robustezza,
INCONVENIENTI: le variazioni di corrente nell’indotto principale
determinano una fem per mutua induzione nell’indotto del tachimetro;
effetto della reazione d’indotto sul flusso principale e quindi sulla fem del
tachimetro
TACHIMETRO ASINCRONO
generatore tachimetrico asincrono con indotto a gabbia (a sx) indotto a tazza (a dx)
• a rotore fermo, la f.e.m. indotta nell’avvolgimento 2 è nulla perché gli avvolgimenti
statorici sono a 90°; inoltre, in questa situazione, le f.e.m. indotte nel rotore, (la
f.e.m. indotta nell’avv. 1 è di tipo trasformatorico e le correnti rotoriche creano un
campo di reazione diretto come l’asse magnetico dell’avvolgimento 1).
• a rotore in moto compaiono f.e.m. mozionali, di ampiezza proporzionale alla velocità
che fanno circolare correnti rotoriche che creano un campo di reazione con asse
magnetico coincidente con quello dell’avvolgimento 2 inducendo una f.e.m.
proporzionale alla velocità di rotazione.
• valori tipici della f.e.m.: qualche volt/(1000 giri/min.);
VANTAGGI: segnale di uscita a frequenza costante (tipicamente 400 Hz),
inerzia ridotta con indotto a tazza, assenza di contatti striscianti; con rotore a
tazza, assenza di oscillazioni nella fem dovute alla presenza delle cave.
PROBLEMI: la f.e.m. residua a rotore fermo dell’ordine di 10÷30 mV per
accoppiamenti parassiti fra i due avvolgimenti statorici sconsiglia l’impiego a
basse velocità. Da evitare inoltre il funzionamento vicino alla velocità di
sincronismo (si ha una buona linearità per scorrimenti non troppo diversi da 1)
Vu p.u.
caratteristica effettiva
0.025
0.02
caratteristica lineare
0.015
0.01
0.005
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO DEL
TACHIMETRO ASINCRONO
comp.
diretta
comp.
inversa
˜
FMM STATORE
FMM ROTORE
Rs
X 'r
2
Xs
Ed
Xm
2
I'rd
Ei
Xm
2
I'ri
X 'r
2
fmm risultante
(parte reale)=0
R'r
2
V
R'r
2
ωt=0°
Re
ωt=90°
Ω=0
v
con Ω≠0 le componenti diretta ed inversa della fmm indotta nel rotore
non sono più uguali (lo scorrimento e quindi l’impedenza rotorica sono
diversi per le due componenti). La fmm risultante
agente sull’avvolgimento in quadratura non è
quindi più =0 e quindi si misura una tensione≠0.
Rs
fmm risultante
(parte reale)≠0
X 'r
2
Xs
Ed
Xm
2
Ei
Xm
2
I'rd
˜
ωt=0°
R'r
2s
V
I'ri
X 'r
2
R'r
2(2-s)
Re
ωt=90°
Ω≠0
v
TACHIMETRI PER BASSE VELOCITÀ
solidali con la cella di carico
4. circuito ferromagnetico
3. magnete permanente
5. cella di carico
2. disco conduttore
1. albero motore
solidali con il rotore
T  ΦI  ΦE  Φ 2 Ω
Il disco di rame, ruotando nel campo prodotto dal magnete, è sede di correnti
indotte che determinano una coppia di reazione proporzionale alla velocità di
rotazione, che viene misurata da un trasduttore di pressione, ad esempio una cella
di carico: il segnale ottenuto è di tipo continuo e la sua inversione di polarità indica
l’inversione del verso del moto. La precisione ottenibile è elevata
ENCODER INCREMENTALI ED ASSOLUTI
ENCODER
INCREMENTALE:
contando gli impulsi permette
di valutare lo spostamento
rispetto ad una posizione
iniziale
ENCODER ASSOLUTO:
fornisce la posizione assoluta
fotorivelatori
LED
fotorivelatore
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)
RESOLVER –
400 Hz
SCHEMA DI PRINCIPIO
v
˜
v
Schema di principio di un resolver a induzione (con spazzole)
RESOLVER – senza spazzole
avvolgimenti di statore
primario del trasformatore
rotante (f=8 kHz)
albero per
l’accoppiamento
al motore
avvolgimenti di rotore secondario del
trasformatore rotante
statore
Ve=10 V
8 kHz
rotore
statore
VR
V2
V1
statore
PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO
schema di principio del resolver e forme d’onda in uscita al variare della posizione rotorica
VFD  Vs sin t sin    
Ve  Vs sin t 
V1  Vs sin t cos 
 sin 
V2  Vs sin t sin  
 cos 
RESOLVER CON SONDE AD EFFETTO HALL
S2
S3
S1
sonde ad effetto Hall
1.5
S3
S2
S4
S4
S1
1
0.5
50
0.5
1
1.5
100
150
200
250
300
350
SENSORE DI POSIZIONE MAGNETICO
SCHEMA DI PRINCIPIO
VANTAGGI: il segnale di uscita nelle bobine secondarie può avere potenza
sufficiente da pilotare direttamente gli switch.
PROBLEMI: segnale residuo per accoppiamento non nullo nelle bobine non
coperte dal segmento rotante
SENSORE DI POSIZIONE LINEARE
INDUCTOSYN
SENSORE LINEARE A VARIAZIONE DI RILUTTANZA
S1
S2
S1-S2
C1
C2
C1-C2