03 - Tecnologia dei controlli Automatici
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27/11/2008 Automation Robotics and System CONTROL Università degli Studi di Modena e Reggio Emilia Tecnologia di un sistema di controllo COMPONENTI PER IL CONDIZIONAMENTO DEI SEGNALI Componenti della catena di acquisizione Argomenti trattati Struttura tipica ּסAcquisizione – – – – Multiplexer Amplificatore Campionatore Convertitore analogico-digitale 1001 D ּסAttuazione – Convertitore Convertitore digitale-analogico 3 A H S Campionatore Amplificatore Multiplexer 4 1 27/11/2008 Multiplexer Multiplexer ּסScopo ּסCaratteristiche tecniche essenziali (ADG506/507A) – Ron: 280 Ω ±10% – consentire l’utilizzo di un solo convertitore A/D – ∆Ron tra canali: 5% ּסCaratteristiche – ∆Ron/∆T: 0.6%/ °C – n ingressi • single-ended o differenziali – 1 uscita • single-ended o differenziale – ton/off: 200 ÷ 500 ns ּסParallelismi tipici – single-ended • 8-16 canali – differenziale • 4-8 canali ּסTecnologia costruttiva – CMOS o Bipolare 5 6 Amplificatore per strumentazione Amplificatore differenziale ּסProblemi R1 R3 - R2 + R4 Vout 2 livelli – Impossibilità di avere resistenze uguali e con uguale coefficiente termico – impedenza di ingresso dipendente dal guadagno e sbilanciata – off-set ad elevato guadagno ּסnon utilizzabile in applicazioni industriali ad elevato guadagno insieme ad un sensore Vin+ + - R R R R R Rg Vout + R Vin+ front-end 7 differenziale 8 2 27/11/2008 Amplificatore per strumentazione Amplificatore per strumentazione ∆V = Vdifferenziale Vcm = Vmodo comune + ּסCalcolo del guadagno Vcm-∆ ∆V/2 ּסCalcolo del guadagno - R Vcm-∆V/2 Rg + - Vcm+ ∆V/2 ∆V R R e1 = Vcm - (1+2R/Rg) ∆V/2 - R + e2 = Vcm + (1+2R/Rg) ∆V/2 R e2 = Vcm + (1+2R/Rg) ∆V/2 R Vcm+∆V/2 Vref Vout = (1+2R/Rg) ∆V + ∆V = Vdifferenziale Vcm = Vmodo comune front-end differenziale 9 Amplificatore per strumentazione 10 Amplificatore per strumentazione Vin+ ּסCaratteristiche tecniche essenziali (INA110AG) – – – – – – – – Vout R e1 = Vcm - (1+2R/Rg) ∆V/2 Rg Vsense If = ∆V/Rg + - Guadagno: configurabile 1,10,100,200,500 ∆G: (0.04÷0.4)% ∆G/∆T: ±(20÷100) ppm/ °C off-set rip. all’ingresso (RTI): ± (500 + 5000/G)µV ∆off-set/∆T: ±(5+100/G) µV/ °C imped. ingresso: >(1012)/6 Ω/pF settling time (0.1%): 4÷11µs CMR: 70÷110 dB R R R e R R - Rg Vin- Vout + R + Attenzione alla saturazione del 1°stadio e = Vcm ± G*∆V/2 5 Volt se Vout = 10Volt e Vsat = 13Volt Vcm < 8 V 11 12 3 27/11/2008 Amplificatore per strumentazione Vin+ Vin+ + - Vsat R R R R R Vsense R R R R R - Vout Rg + - R Vin- Attenzione alle correnti di polarizzazione dello stadio di ingresso Rparass. Vout + carico - + R + La retroazione negativa di solito si chiude fuori dall'integrato per consentire il collegamento remoto del carico occorre creare un percorso verso massa Se il sensore è flottante + - - Rg Vsat Vin- Amplificatore per strumentazione in modo da neutralizzare gli effetti parassito del collegamento altrimenti ci vanno attraverso le capacità parassite saturando gli amplificatori 13 Campionatore (Track and Hold) – schema di principio Amplificatore per strumentazione Vin+ + - Vsense R R R R R - Rg Vin- + 14 Vout R Vout Vin + G=1 Vref + tacq. G=1 Ib Vref T/H il terminale Vref può essere collegato non direttamente a massa ma attraverso un generatore di tensione per traslare l'uscita di una quantità opportuna Driver Il campionatore ha una dinamica il condensatore si scarica per correnti di bias accertarsi che l'impedenza del persorso sia trascurabile per non danneggierebbe il CMR dell'amplificatore tempo di acquisizione droop-rate attenzione all'impedenza di ingresso: potrebbe non essere alta 15 16 4 27/11/2008 Campionatore (Track and Hold) Convertitore analogicodigitale ּסCaratteristiche tecniche essenziali (AD346) – – – – – – ּסNumerose tipologie tempo acquisizione (0.1%): 2ms off-set: ±3mV Doff-set/DT: ±0.3mV/ °C droop rate: 0.5mV/ms Ddroop-rate/DT: 0.7mv/ms/ °C impedenza ingresso: 3kW – ad integrazione • rampa • doppia rampa – in retroazione per l’automazione • successive approssimazioni • contatore – conversione diretta • flash 17 18 Convertitore analogicodigitale Criteri di scelta Rampa Convertitore analogicodigitale ּסSchema di principio di un ּסConvertitore per successive approssimazioni S. appross. tempo conversione elevato basso risoluzione elevata elevata immunità ai disturbi elevata bassa disponibilità limitata elevata costo limitato cresce col n. di bit Clock Vin + - OEH 3 s t a t e S A R 8 4 interfaccia di uscita OEL strumentazione DAC Ref Vrefout Vrefin controllo nucleo base 19 generazione del riferimento 20 5 27/11/2008 Convertitore analogicodigitale Convertitore da Resolver a digitale ּסCaratteristiche tecniche essenziali (AD674B) – – – – – – – – – – ּסSchema di principio pinout standard industriale risoluzione: 12 bit linearità: 11 bit (Tmin, Tmax) tempo conversione: 15ms off-set: ±2LSB ∆off-set/∆T: 10 ppm/ °C impedenza ingresso: <7kΩ riferimento tensione interno: si interfaccia bus: 8-16 bit funzionamento bipolare: si V4cosϑ ϑ x senΦ Φ V4senϑ ϑ x cosΦ Φ V4sen(ϑ ϑ−Φ) + Demodulat. sen(ϑ ϑ−Φ) φ V4=Vmsenω ωt U/D counter VCO 1 1+sT1 s 1+sT2 latch 21 Convertitore digitaleanalogico Convertitore digitaleanalogico Moltiplicativo: Vref variabile 4 quadranti: -V1 < Vref < +V2 R R 2R 2R Vref Ref ּסUnica tipologia ⇒ rete a scala R-2R ּסMolteplici realizzazioni tecnologiche Schema R-2R 2R 2R Iout - Vout 0111 1000 + LE 12 LEh LElow 4 22 glitches in uscita per il caricamento in sequenza del dato 8 µP BUS a 8 bit 23 – numero di bit • 8 - 24 – ingresso digitale • parallelo o seriale • latch singolo o multiplo – uscita analogica • corrente o tensione – generatore di riferimento • interno o esterno • convertitore moltiplicativo 24 6 27/11/2008 Convertitore digitaleanalogico ּסCaratteristiche tecniche essenziali (DAC7545) – – – – – – – – – – pinout standard industriale risoluzione: 12 bit linearità: ± 2 LSB monotonicità: 10 bit uscita: corrente ∆G: ±20 LSB ∆G/ ∆T: 5ppm/ °C tass: 2 µs ingresso digitale: latch a 12 bit moltiplicativo: si a 4 quadranti I SENSORI 25 Catena di misura ed attuazione Indice ּסParte 1 ּסSchema funzionale di un controllo digitale Calcolatore – Schema generale di una catena di misura ed attuazione – Trasduttori, sensori ed attuatori – Caratteristica di un trasduttore Attuatore Sp A/D G(z) D/A ּסParte 2 Ka G(S) Processo – Sensori per grandezze meccaniche • posizione, velocità, deformazione, forza, pressione – Sensori di temperatura – Sensori di corrente Sensore Ks ּסI blocchi sono descritti come – guadagni, f.d.t. 27 28 7 27/11/2008 Catena di misura ed attuazione Catena di misura ed attuazione ּסSchema tecnologico di un controllo digitale ּסSchema tecnologico di un sistema completo – molti anelli di controllo – è evidenziata la struttura tecnologica del sistema Anello di controllo a loop singolo Unità di controllo digitale Attuatore Attuatori 1001 Processo D A H S 1001 D A 1001 D 1001 D A 1 N Sensori A Unità di controllo Sensore 29 30 Trasduttori, sensori ed attuatori Trasduttore ּסTrasduttore ּס (dal latino trasducere = condurre attraverso) ּסEsempi dall’esperienza quotidiana – dispositivo fisico progettato per trasformare grandezze appartenenti ad un sistema energetico in grandezze equivalenti appartenenti ad un diverso sistema energetico Temperatura Tensione Trasduttore Energia termica Energia elettrica Energia luminosa Energia meccanica Energia acustica Energia elettrica 31 32 8 27/11/2008 Sensore Sensore ּסTrasduttore utilizzato per misurare le condizioni operative del processo ּסEsempio dall’esperienza quotidiana Unità di elaborazione – Grandezza in ingresso • energia nel dominio fisico di interesse – Grandezza in uscita • segnale nel dominio fisico dell’unità di controllo Immagine Segnale Sensore ּסTipici domini fisici delle unità di controllo – elettrico, pneumatico, idraulico 33 34 Sensore ּסEsempio dall’esperienza quotidiana Temperatura Sensore ּסEsempio dall’esperienza quotidiana Unità di elaborazione Indicazione Indicazione Unità di elaborazione Peso Sensore Sensore 35 36 9 27/11/2008 Attuatore Attuatore ּסTrasduttore utilizzato per trasformare un segnale di comando in azione sul processo ּסEsempio dall’esperienza quotidiana – Funzione complementare a quella del sensore – Grandezza in ingresso • segnale nel dominio fisico dell’unità di controllo – Grandezza in uscita • energia nel dominio fisico della grandezza di comando Energia meccanica Segnale Unità di elaborazione Attuatore ּסSono spesso realizzati per mezzo di più trasduttori 37 38 Caratteristica di un trasduttore Attuatore Esempio dall’esperienza quotidiana Ym Energia meccanica Trasduttore 2 Segnale meccanico Trasduttore 1 non linearità sistematica Campo di uscita Energia elettrica Caratteristica ideale lineare Caratteristica ideale non lineare Attuatore composito 0 39 Campo di ingresso Xm 40 10 27/11/2008 Caratteristica di un trasduttore Campo di uscita non linearità sistematica 0 Campo di ingresso Caratteristica ideale Famiglia di caratteristiche reali Ym non linearità sistematica Campo di uscita Ym Caratteristica di un trasduttore 0 Xm Campo di ingresso Caratteristica ideale Famiglia di caratteristiche reali Curva che meglio approssima Xm 41 42 Caratteristica di un trasduttore Ym Importante Campo di uscita non linearità sistematica 0 Campo di ingresso la non linearità sistematica si può compensare con opportuni algoritmi o circuiti non linearità casuale Campo di uscita Ym Caratteristica di un trasduttore 0 Xm 43 Campo di ingresso Caratteristica ideale Famiglia di caratteristiche reali Xm 44 11 27/11/2008 Caratteristica di un trasduttore Caratteristica ideale Caratteristica reale Ym Campo di ingresso Caratteristica ideale Caratteristica reale Retta che meglio approssima la caratteristica reale Ym non linearità casuale Campo di uscita Campo di uscita non linearità casuale 0 Caratteristica di un trasduttore 0 Xm Campo di ingresso Xm 45 46 Caratteristica di un trasduttore Caratteristica di un trasduttore ּסImportanti Ym Errore di guadagno K1 ≠ Κ Errore di Campo di uscita Campo di uscita Ym K1 K – valori iniziali guadagno • si possono compensare con circuiti o via software K1 ≠ Κ con la temperatura – variazioni K1 • -10 ÷ +60 °C Errore di off-set 0 Campo di ingresso K Errore di off-set 0 Xm 47 Campo di ingresso Xm 48 12 27/11/2008 Caratteristica di un trasduttore Caratteristica di un trasduttore ּסImportanti Ym Campo di uscita Campo di uscita Ym Errore di non linearità casuale 0 Campo di ingresso – valori iniziali • si compensano – variazioni con la temperatura Errore di non linearità casuale 0 Xm Campo di ingresso Xm 49 Caratteristica di un trasduttore Sensori: classificazione Importanti ּסSensori ad uscita continua – valore iniziale non linearità sistematica • non si può compensare – variazioni con la temperatura Campo di uscita ּס Ym 50 – tutta l’informazione viene acquisita Errore di non linearità casuale 0 Campo di ingresso Xm 51 52 13 27/11/2008 Sensori: classificazione Sensori: classificazione ּסSensori ad uscita continua ּסSensori autoeccitanti – tutta l’informazione viene acquisita – non richiedono sorgenti ulteriori di energia ּסSensori ad uscita logica – solo una parte dell’informazione viene acquisita 53 Sensori: classificazione 54 Sensori: alcuni principi fisici utili ּסSensori autoeccitanti ּסEffetto fotoelettrico/fotovoltaico – non richiedono sorgenti ulteriori di energia – trasformazione dei fotoni in cariche elettriche – materiali utilizzabili • semiconduttori ּסSensori modulanti Luce – richiedono una sorgente di energia aggiuntiva – La grandezza da misurare “modula” un campo generato esternamente Tx Variazione di conduttività La configurazione interna al silicio e la polarizzazione del circuito determinano l’effetto utile esterno (tensione, corrente) Rx Campo luminoso 55 56 14 27/11/2008 Sensori: alcuni principi fisici utili Sensori: alcuni principi fisici utili ּסEffetto termoelettrico (Seebeck) ּסEffetto termoresistivo – differenza di potenziale generata dalla temperatura – materiali utilizzabili • coppia di metalli diversi saldati ad un estremo giunzione calda – variazione della resistività di un materiale causata dalla variazione della temperatura – materiali utilizzabili • metalli, ossidi metallici, semiconduttori giunzione fredda T T2 R = f(T) V = f(T2-T1) spesso lineare non lineare T1 57 Sensori: alcuni principi fisici utili 58 Sensori: alcuni principi fisici utili ּסEffetto piezoresistivo ּסEffetto Hall – variazione della resistività di un materiale causata dalla deformazione – materiali utilizzabili • metalli, semiconduttori – generazione di una tensione da parte dell’azione congiunta di un campo magnetico ed una corrente – materiali utilizzabili • metalli, semiconduttori H R = f(d) deformazione Iref abbastanza lineare 59 Iref Vout = K (H x I) 60 15 27/11/2008 Sensori per grandezze meccaniche – Posizione • Potenziometro • Trasformatore Differenziale Lineare - LVDT • Resolver • Encoder – Velocità • Dinamo tachimetrica – Deformazione • Estensimetro – Forza e Pressione • Estensimetri su strutture meccaniche SENSORI PER GRANDEZZE MECCANICHE 62 Potenziometro Potenziometro Sensore modulante ּסSensore di posizione ּסCaratteristiche essenziali – Grandezza misurata (ingresso) • rotazione o spostamento lineare – Grandezza di uscita • tensione – Tipo di sensore • modulante – – – – Risoluzione: > 0.1% Linearità: >0.1% Resistenza: 1K ÷ 100K Ω Numero di giri: 1 ÷ 10 ּסProblemi di inerfacciamento Vref Vout – Tensione di riferimento • autoriscaldamento – impedenza di uscita • interfacciamento • disturbi elettromagnetici 63 64 16 27/11/2008 Trasformatore Differenziale Lineare - LVDT Trasformatore Differenziale Lineare - LVDT X>0 X<0 ּסSensore di posizione – Grandezza misurata (ingresso) • spostamento – Grandezza di uscita • segnale analogico modulato – Tipo di sensore • modulante (campo magnetico) • sensore (coppia di avvolgimenti) S1 S2 V1 V2 Vout = (V2 -V1) = Vm(X) sin (ωt+ ϕ) Vin=Vm sin ωt ϕ = 0 se X>0 ϕ = π se X<0 sensore modulante 65 Trasformatore Differenziale Lineare - LVDT sensore modulante Resolver Vout = (V2 -V1) = Vm(X) sin (ωt+ ϕ) ּסCaratteristiche essenziali – – – – – 66 Risoluzione: 2 ÷ 20µm (lineare) Sensibilità: 50 ÷ 100mVout/(mmVin) Linearità: 0.1 ÷ 0.5 % Campo di misura: 1 ÷ 10 cm Frequenza di ecc.: 1 ÷ 50 Khz ϕ = 0 se X>0 ϕ = π se X<0 ּסProblemi di interfacciamento – demodulazione dell’uscita – stabilità del generatore di riferimento 67 ּסSensore di velocità/posizione – Grandezza misurata (ingresso) • rotazione – Grandezza di uscita • segnale analogico modulato – Tipo di sensore • modulante (campo magnetico) • sensore (coppia di avvolgimenti) 68 17 27/11/2008 Resolver Resolver ּסPrincipio di funzionamento Generatore flusso concatenato ϑ flusso Sensore ּסSchema di massima di Resolver con 2 poli V= dΦc dt Generatori di riferim. V3=Vmsenω ωt V4=Vmsenω ωt V3 V ≠ 0 se Φc varia Generatori Sensori V1=V3cosϑ ϑ + V4senϑ ϑ V2=V4cosϑ ϑ - V3senϑ ϑ V1 V4 In un Resolver reale il campo è se V2 generato da due avvolgimenti e vi sono due sensori Rivelatori V3=0 V1=Vmsen V1=Vm senϑ ϑsen senω ωt V2= V2=Vm Vmcos cosϑ ϑsen senω ωt 69 Resolver: caratteristiche generali 70 Resolver: caratteristiche generali Realizzazione schematica di un Resolver per misura di posizione – Segnale di uscita • tensione alternata modulata in ampiezza dalla posizione Vs1 – occorre demodulare – ricavare ϑ da sen ϑ e cos ϑ primario rotante – Due segnali modulati in quadratura • possibilità di ricostruire la posizione su tutti i 360° • semplificazione dell’inversione delle funzioni trigonometriche secondari fissi assi magnetici in quadratura 3 avvolgimenti: 1 sola eccitazione 2 uscite Vs2 Vr 71 72 18 27/11/2008 Resolver: caratteristiche generali Resolver – Caratteristiche tecniche essenziali • linearità: 0.1 ÷ 0.5% • risoluzione: 0.1 ÷ 0.5° • sensibilità: 5 ÷ 10mV/°(Vref=20V) • Frequenza tensione di riferimento: 1 ÷ 20Khz – Per l’acquisizione e la conversione digitale • convertitore speciale (RTD) – Realizzazioni con 2P poli • maggiore risoluzione • misura assoluta su 1/P di giro – Pregi • sensore assoluto nel giro (elettrico se realizzato con più coppie polari) • costo contenuto rispetto ad altri sensori (Encoder) • idoneo al funzionamento in ambienti ostili – all’interno di motori – Difetti • richiede una tensione di riferimento sinusoidale • uscita funzione non lineare della posizione • spazzole sul rotore nelle versioni standard – Sensore di posizione/velocità standard negli azionamenti per motori sincroni (Brushless) 73 Resolver Resolver - Errori Dinamici ּסMisura di posizione in movimento flussi concatenati di statore – Errori dinamici • la rotazione genera tensioni di uscita spurie che ϑ( t misura ) = ϑ0 + αt possono degradare la qualità della – Ipotesi • rotazione a velocità costante ⇒ • rotoredi eeccitazione statore puramente Tensione induttivi Vr = Vmsinωt Flusso di eccitazione K ϕr = − Vm cos ωt ω 74 Tensione di eccitazione Flusso di eccitazione 75 K Vm cos ωtcos( ϑ0 + αt ) ω K ϕcs2 = − Vm cos ωtsin( ϑ0 + αt ) ω ϕcs1 = − Vr = Vmsinωt K ϕr = − Vm cos ωt ω 76 19 27/11/2008 Resolver - Errori Dinamici flussi concatenati di statore tensione di statore errore dinamico tensione di statore errore dinamico Resolver - Errori Dinamici K Vm cos ωtcos( ϑ0 + αt ) ω K ϕcs2 = − Vm cos ωtsin( ϑ0 + αt ) ω ϕcs1 = − ּסPer ridurre gli effetti degli errori dinamici – frequenza di eccitazione maggiore per velocità di rotazione elevate – demodulazione sensibile alla fase della portante dϕcs1 = KVm sinωtcos(ϑ0 + αt ) + dt α + Vm cos ωtsin(ϑ0 + αt ) ω dϕ Vs2 = cs2 = KVmsinωtsin(ϑ0 + αt ) + dt α − Vm cos ωtcos(ϑ0 + αt ) ω Vs1 = tensione di statore errore dinamico tensione di statore errore dinamico dϕcs1 = KVm sinωtcos(ϑ0 + αt ) + dt α + Vm cos ωtsin( ϑ0 + αt ) ω dϕ Vs2 = cs2 = KVmsinωtsin( ϑ0 + αt ) + dt α − Vm cos ωtcos(ϑ0 + αt ) ω Vs1 = 78 77 Resolver - Errori Dinamici Resolver - Errori Dinamici ּסPer ridurre gli effetti degli errori dinamici ּסPer ridurre gli effetti degli errori dinamici – frequenza di eccitazione maggiore per velocità di rotazione elevate – demodulazione sensibile alla fase della portante segnale utile – frequenza di eccitazione maggiore per velocità di rotazione elevate – demodulazione sensibile alla fase della portante • demodulazione del valore di cresta segnale utile segnale spurio segnale spurio 79 80 20 27/11/2008 Resolver - Errori Dinamici Encoder ּסPer ridurre gli effetti degli errori dinamici ּסSensore di velocità/posizione – frequenza di eccitazione maggiore per velocità di rotazione elevate – demodulazione sensibile alla fase della portante • demodulazione a valor medio nel semiperiodo segnale utile – Grandezza misurata (ingresso) • rotazione o spostamento rettilineo – Grandezza di uscita • segnale logico o numero digitale – Tipo di sensore • modulante = campo luminoso • sensore = effetto fotoelettrico segnale spurio 81 Encoder Encoder rotativo assoluto ּסPrincipio di funzionamento Lampada ּסGrandezza di uscita – valore digitale ad n bit – misura di posizione assoluta in un giro Interferente Disco interferente codificato Campo Collimatore 82 4 bit Fotosensore 4 bit 83 84 21 27/11/2008 Encoder rotativo assoluto Encoder rotativo incrementale ּסPregi ּסGrandezza di uscita – uscita direttamente utilizzabile dalla unità di elaborazione – non necessita di azzeramento (sensore assoluto) – mantiene l’informazione di posizione anche in assenza di alimentazione – sequenza di impulsi – misura di rotazione incrementale 3 codificatore a 1 bit + zero ּסDifetti – costo elevato – costo crescente con la risoluzione • il numero di bit utilizzati per la codifica (<12/14) – sensore assoluto nel giro • elettronica esterna se utilizzato su più giri 86 85 Encoder rotativo incrementale Riga ottica lineare ּסPregi – Sensore per spostamenti lineari realizzato come l’Encoder incrementale ma con geometria lineare • barra rettilinea ⇔ disco A • stesse caratteristiche B – Caratteristiche standard 0 • lunghezza – costo contenuto – incremento di costo limitato con la risoluzione • standard fino 5000 impulsi/giro ּסDifetti – sensore incrementale • elettronica esterna di conteggio e discriminazione del verso di rotazione – necessita di azzeramento (sensore incrementale) – perde l’informazione di posizione in assenza di alimentazione fotoelementi – anche maggiore di 1 metro • precisione – dell’ordine di qualche µm 0 ּסSensore di posiz./velocità standard industriale 87 88 22 27/11/2008 Encoder incrementali Encoder incrementali ּסSegnali di uscita ּסDiscriminazione del verso di rotazione – 2 segnali in quadratura + 1 segnale di zero – A+B servono per discriminare il verso di rotazione – rotazione oraria: A precede B A A A B B B 0 0 0 1/4P passo P fotoelementi 89 Encoder incrementali 90 Encoder incrementali ּסDiscriminazione del verso di rotazione ּסDiscriminazione del verso di rotazione – rotazione oraria: A precede B – rotazione oraria: A precede B A A A B A B B 0 B 0 0 0 fotoelementi fotoelementi 91 92 23 27/11/2008 Encoder incrementali Encoder incrementali ּסDiscriminazione del verso di rotazione ּסDiscriminazione del verso di rotazione – rotazione oraria: A precede B – rotazione oraria: A precede B A A A B A B B 0 B 0 0 0 fotoelementi fotoelementi 93 Encoder incrementali 94 Encoder incrementali ּסDiscriminazione del verso di rotazione ּסDiscriminazione del verso di rotazione – sul fronte di salita di A il segnale B è sempre 0 – rotazione antiorariaoraria: A segue B A A A B A B B 0 B 0 0 0 fotoelementi fotoelementi passo P 95 96 24 27/11/2008 Encoder incrementali Encoder incrementali ּסDiscriminazione del verso di rotazione ּסDiscriminazione del verso di rotazione – rotazione antioraria: A segue B – rotazione antioraria: A segue B A A A B A B B 0 B 0 0 0 fotoelementi fotoelementi 97 Encoder incrementali 98 Encoder incrementali ּסDiscriminazione del verso di rotazione ּסDiscriminazione del verso di rotazione – rotazione antioraria: A segue B – rotazione antioraria: A segue B A A A B A B B 0 B 0 0 0 fotoelementi fotoelementi 99 100 25 27/11/2008 Encoder incrementali Encoder incrementali ּסDiscriminazione del verso di rotazione ּסMoltiplicazione degli impulsi – sul fronte di salita di A il segnale B è sempre 1 A A B A B B Attenzione aumenta la risoluzione (x2 o x4) non aumenta altrettanto la precisione x2 0 0 x4 fotoelementi 101 102 Encoder incrementali Encoder incrementali Interfaccia di acquisizione – Funzioni svolte • discriminazione verso 0 B • moltiplicazione impulsi X2 o • accumulo Clkposizione assoluta ּסCircuiti per la moltiplicazione degli impulsi x2 A B XOR Mono stabile X4 OR x2 x2 M1 NOT x2 Mono stabile M2 A M1 U/D circuito moltiplicatore per 4 M2 O A x4 103 104 26 27/11/2008 Sensori per grandezze meccaniche Dinamo tachimetrica – Posizione • Encoder • Resolver • LVDT – Velocità • Dinamo tachimetrica – Deformazione • Estensimetro – Forza e Pressione • Estensimetri su strutture meccaniche ּסSensore di velocità – Motore a collettore usato a rovescio • se fatto ruotare genera una tensione – Grandezza misurata (ingresso) • velocità angolare – Grandezza di uscita • tensione – Tipo di sensore • autoeccitante 105 106 Dinamo tachimetrica Dinamo tachimetrica ּסPrincipio di funzionamento N ּסPregi – sensore assoluto – costo contenuto – idoneo al funzionamento in ambienti ostili • all’interno di motori S ϑ V=KdΦc dt ּסDifetti – contatti striscianti – ripple strutturale sull’ uscita – misura solo la velocità 107 108 27 27/11/2008 Sensori per grandezze meccaniche Dinamo tachimetrica – Posizione • Encoder • Resolver – Velocità • Dinamo tachimetrica – Deformazione • Estensimetro – Forza e Pressione • Estensimetri su strutture meccaniche ּסCaratteristiche tecniche essenziali – linearità: 0.5 ÷1% – sensibilità: 5 ÷ 10V/1000 rpm – ampiezza del ripple: 1 ÷ 2% ּסSensore di velocità standard negli azionamenti per motori a collettore 109 Estensimetro 110 Estensimetro o Strain gage ּסStrain ⇒ ε = ∆L/L = deformazione relativa • ε adimensionale – Grandezza misurata • deformazione – Grandezza in uscita • resistenza – Tipo di sensore • autoeccitante 10mm a film metallico – piezoresisitivo più comune – Per la misura 0.5mm – circuito per la trasformazione in una tensione a semiconduttore per applicazioni integrate 111 piezoresistenza 112 28 27/11/2008 Estensimetro – Estensimetro Trasformazione della variazione di resistenza in tensione • 1 estensimetro deformato R 1 4 R Vref 2 3 R+∆ ∆R R Vout R R + ∆R Vout = Vref − 2R + ∆R 2R ∆R 1 ∆R R ≅ Vref = Vref 4 R ∆R 41 + 2R ponte intero di Wheatstone se ∆R << 1 R – Trasformazione della variazione di resistenza in tensione • 4 estensimetri deformati R+∆ ∆R 1 4 R−∆ −∆R −∆ Vref 2 3 R+∆ ∆R R-∆ ∆R R + ∆R R − ∆R Vout = Vref − 2R 2R ∆R = Vref R Vout ponte intero di Wheatstone relazione lineare 113 Estensimetro – Caratteristiche tecniche essenziali Estensimetro Caratteristiche tecniche essenziali ּסGage factor parametro – fattore caratteristico di ogni estensimetro ∆R ∆R Rnom( V out V ref strain 1 GF = KV out Ω) ∆R/ ∆T(p.p.m /°C) ref L ε = film metallico GF V 1 R R = = out ∆L V ε ε GF = 114 linearità semiconduttore ≈ 2 ± 1% ≈ 100 ±3% 120, 350 molti valori 5 ÷50 100÷500 dipende dall’allestimento meccanico se ho 4 estensimetri identici deformati E’ possibile adattare ∆R/ ∆T al tipo di materiale di supporto per compensare le deformazioni apparenti dovute agli effetti termici combinati misura raziometrica 115 116 29 27/11/2008 Sensori per grandezze meccaniche Forza Estensimetri incollati su una struttura metallica che si deforma con l’applicazione della forza – Posizione • Encoder • Resolver – Velocità • Dinamo tachimetrica – Deformazione • Estensimetro – Forza e Pressione • Estensimetri su strutture meccaniche F 3 4 deformazione assiale 1 2 1 F deformazione flessionale 3 2 4 117 118 Forza Pressione – Caratteristiche tecniche essenziali sull’uscita del ponte estensimetrico • sensitività: 2mV/V a 1000µε • uscita: 20µV/µε • nonlinearità: < 0.5% – I valori in forza e la linearità dipendono dal materiale di supporto ּסSensore integrato a semiconduttore silicio piezoresistivo membrana acciaio ∆P 119 Ref Amp circuiti elettronici di condizionamento sul sensore 120 30 27/11/2008 Pressione – Caratteristiche tecniche essenziali all’uscita del circuito elettronico di compensazione • sensitività: <1% • off-set: <1% • nonlinearità: < 0.5% • derive termiche: <0.5% • errore totale: <1.5% SENSORI LOGICI 121 Sensori di prossimità Sensori di prossimità ּסSensori ad uscita logica ּסMagnetici – per la misura della presenza di persone o cose – sensori modulanti • campo magnetico • campo luminoso • campo acustico Generatore di campo Sensore Amplificatore – Contatto Reed • materiale paramagnetico a bassa riluttanza – lega Ferro/Nickel ampolla sotto vuoto Rivelatore di soglia 123 124 31 27/11/2008 Sensori di prossimità Sensori di prossimità ּסMagnetici ּסMagnetici – Contatto Reed • materiale paramagnetico a bassa riluttanza – Effetto Hall • azione combinata di magnete (campo) e sensore Hall – lega Ferro/Nickel ּסDiverse configurazioni indotti ampolla sotto vuoto G S S out N N N S Dist. N Dist. S 125 126 Sensori di prossimità Sensori di prossimità ּסMagnetici ּסMagnetici – Effetto Hall • azione combinata di magnete (campo) e sensore Hall ּסDiverse configurazioni – Effetto Hall • azione combinata di magnete (campo) e sensore Hall ּסDiverse configurazioni G G out Dist. out Dist. Dist. N N Dist. S S 127 128 32 27/11/2008 Sensori di prossimità Sensori di prossimità ּסMagnetici ּסMagnetici – Effetto Hall • azione combinata di magnete (campo) e sensore Hall ּסDiverse configurazioni – Effetto Hall • azione combinata di magnete (campo) e sensore Hall ּסDiverse configurazioni G G out out Dist. N Dist. Dist. Dist. S N S 129 130 Sensori di prossimità Sensori di prossimità ּסMagnetici ּסMagnetici – Effetto Hall • azione combinata di magnete (campo) e sensore Hall ּסUscitaGlineare ּסElevata G precisione G Dist. Dist. Dist. S N S N – Effetto Hall • azione combinata di magnete (campo) e sensore Hall S N N 131 132 33 27/11/2008 Sensori di prossimità Sensori di prossimità ּסMagnetici ּסMagnetici – Effetto Hall • azione combinata di magnete (campo) e sensore Hall ּסContagiri G G Dist. Dist. – induttivi • interazione di un oggetto metallico con un campo magnetico alternato • la presenza dell’oggetto metallico altera la frequenza dell’oscillazione • un filtro passa-basso opportunamente tarato trasforma la variazione di frequenza in una variazione di ampiezza N S N S N N oscill. S solenoide 133 134 Sensori di prossimità Sensori di prossimità ּסUltrasuoni ּסOptoelettronici – ritardo di riflessione di un treno di impulsi acustici ad alta frquenza • rileva oggetti di qualunque materiale, purchè rifletta il suono – interferenza dell’oggetto con un campo luminoso • rileva oggetti di qualunque materiale, purchè rifletta/interrompa il fascio luminoso ּסad interferenza Trasmettitore Tx Rx CPU Ricevitore 135 136 34 27/11/2008 Sensori di prossimità Sensori di prossimità ּסOptoelettronici ּסOptoelettronici – interferenza dell’oggetto con un campo luminoso • rileva oggetti di qualunque materiale, purchè rifletta/interrompa il fascio luminoso – interferenza dell’oggetto con un campo luminoso • rileva oggetti di qualunque materiale, purchè rifletta/interrompa il fascio luminoso ּסad interferenza ּסa riflessione Tx Tx Rx Rx 137 138 Sensori di prossimità ּסOptoelettronici – interferenza dell’oggetto con un campo luminoso • rileva oggetti di qualunque materiale, purchè rifletta/interrompa il fascio luminoso ּסa riflessione Tx SENSORI DI TEMPERATURA E CORRENTE Rx 139 35 27/11/2008 Sensori di Temperatura Termocoppie V RTD R T Pro Con tro Termistori • autoeccitante • semplice • robusto • poco costoso • non lineare • bassa Vout • temp. di riferim. • bassa sensitività Termocoppia Sensori a c.i. R V I T T T • molto stabile • molto sensibile • molto lineare • molto accurato • veloce • output elevato • molto lineare • misura a 2 fili • poco costoso – Grandezza misurata • differenza di temperatura – Grandezza in uscita • tensione – Tipo di sensore • autoeccitante – termoelettrico • non linearità sistematica • costoso • rifer. di corrente • bassa resist. • autoriscald. • non lineare • range limitato • rifer. di corrente • autoriscald. – compensazione con tabelle o polinomi interpolanti • T<200°C • serve aliment. • lento • autoriscald. 142 141 Termocoppia Termocoppia ּסEffetto Seebeck ּסCoppie metalliche standard J ferro/costantana K NiNi-Cr/Ni Cr/Ni--Al (cromel/alumel) E cromel/costantana T rame/costantana R platino/Pt platino/Pt--rodio ּסCaratteristiche tecniche principali J giunz. calda giunzione fredda T2 V = f(T2-T1) T1 E T R -200 0 Tmin °C Tmax °C 750 1250 900 350 1450 mV 42.25 50.63 68.78 17.81 16.74 Vmax non lineare K Errore °C 0 2.2 -200 -200 2.2 1.7 0.8 1.4 le Vmax sono riportate ipotizzando la giunzione di riferimento a 0 °C 143 144 36 27/11/2008 Termocoppia Termocoppia Principali forme costruttive – Pregi • autoeccitante • costo contenuto • idoneo al funzionamento in ambienti ostili • idoneo a misurare temperature molto elevate – Difetti • uscita non lineare con Temperatura – tabella o polinomio interpolante Giunzione esposta Giunzione protetta isolata Giunzione protetta a massa 145 • richiede la compensazione del giunto freddo • segnali molto bassi – Sensore di temperatura standard • nelle applicazioni ad altissima temperatura • basso costo, anche domestiche Termocoppia Termocoppia ּסProblemi di interfacciamento Cu Fe – giunzioni parassite dovute ai collegamenti – compensazione della temperat. del giunto “freddo” Cu Fe Fe V Vm 2 Tamb collegamento 146 V1 C Cu C T T Cu Forno V3 Regola empirica Fe Fe V Vm T1 2 Tamb collegamento V3 Forno V T 1 1 Cu Costantana Cu Vm = V1 − V2 + V3 147 Costantana Vm = V1 − V2 + V3 148 37 27/11/2008 Termocoppia Cu Regola empirica Fe C Termocoppia Cu T T Cu Vm Cu Fe Tref 2 V3 tensione generata da una termocoppia del tipo di quella di misura a temperatura Tref V4 Fe V Vm = V1 − V2 + V3 − V4 = V1 − V4 C C Vm T1 V4 Fe Fe V V1 collegamento Cu Forno Costantana Tref 2 V3 Forno V1 collegamento V4 Fe Cu Vm = V1 − V2 + V3 − V4 Fe C se barriera isoterma T1 Costantana V2 = V3 149 150 Termocoppia Termocoppia Vm = V1 − Vref V1 = Vm + Vref Vref Cavo speciale di collegamento Scheda di acquisizione tensione generata da una termocoppia del tipo di quella di misura a temperatura Tref Fe Tref Cu Vm Cu Fe Fe Tref collegamento V1 Vref Fe se barriera isoterma C V1 Forno sensore di Tref T1 Costantana Terminazione isoterma V2 = V3 151 T1 Costantana materiali a basso effetto Seebek con quelli della Termocoppia di misura Forno 152 38 27/11/2008 Termocoppia Termoresistenza – Algoritmo di compensazione giunto “freddo” • si misura Tref con un sensore a semiconduttore • si converte la Tref in una tensione equivalente Vref mediante la tabella (o polinomio) della termocoppia di misura • alla tensione misurata Vm si somma Vref ricavata dalla tabella per trovare la tensione equivalente V1 della termocoppia di misura con giunzione fredda a 0°C • si converte la tensione V1 nella corrispondente temperatura mediante la tabella (o il polinomio) – misura di temperatura (alta) ottenuta mediante un’altra misura di temperatura (bassa) • più semplice perchè a valori prossimi a Tamb – Grandezza misurata • temperatura – Grandezza in uscita • variazione di resistenza – Tipo di sensore • modulante – termoresistivo – Richiede un circuito per la trasformazione della resistenza in tensione 154 153 Termoresistenza Termoresistenza ּסCaratteristiche tecniche principali ּסDenominazione tecnica filo – RTD ⇒ Resistance Temperature Detector Rnom @ 0 ºC ּסRealizzazione tecnologica – materiale di supporto • ceramica -200 < T < 750 °C • vetro -200 < T < 500 °C – materiale termoresisitivo • platino α = 0.0038Ω/Ω/ °C film spe. film sot. 100 ÷ 300 100 ÷ 1000 % 0.1 0.1 0.1 nonlin % 0.6 0.6 0.6 s 5 ÷ 15 10 ÷ 20 3 ÷ 10 mm 25x5 25x1.5 10x1 τ (aria) 155 100 ÷ 1000 Off-set size lxΦ – a filo avvolto ⇒ realizzazione standard – film spesso ⇒ sostituzione più veloce – film sottile ⇒ piccolo, rapidissimo Ω 156 39 27/11/2008 Termoresistenza Termoresistenza – Pregi • idoneo al funzionamento in ambienti ostili • molto lineare • dimensioni anche molto ridotte • elevata velocità di risposta • costo contenuto – Difetti • richiede circuito di alimentazione • temperature max più bassa di termocoppia – Sensore di temperatura standard • nelle applicazioni a temperatura intermedia • elevata accuratezza ּסDispositivo standard Pt 100 – Termoresistenza al Platino • valore nominale 100 Ω a 0°C • coefficiente di Temperatura: +0.00392 (Ω/Ω/°C) – variazione di 0.392Ω per ogni °C • campo di applicazione: -200 ÷ +850 °C • ottima linearità 157 158 Termoresistenza Termoresistenza ּסCircuito di eccitazione ּסCircuito di eccitazione – ponte di Wheatstone • 3 fili per una migliore accuratezza • solo per piccole variazioni di temperatura – metodo volt/ampermetrico • 4 fili per una migliore accuratezza • soluzione generale I≠0 I=0 R Iref Vm R parassite 4 R+∆R dei collegamenti I≠0 1 Vref Pt100 I=0 2 Nel forno 3 R R I=0 Nel forno Vm 159 160 40 27/11/2008 Sensore di corrente isolato ad Effetto-Hall Sensore di corrente isolato ad Effetto-Hall ּסCaratteristiche essenziali – Grandezza misurata • corrente – Grandezza in uscita • 2 realizzazioni – Campo di misura • 10 ÷ 100A – Linearità • migliore dell’1% – Isolamento • >1500V – Risposta in frequenza • >100Khz – Costo • contenuto – tensione isolata – corrente di minore intensità ed isolata – Tipo di sensore • modulante – effetto Hall 161 Sensore di corrente isolato ad Effetto-Hall 162 Sensore di corrente isolato ad Effetto-Hall – Pregi • idoneo alla misura su Inverter di potenza • molto lineare • dimensioni anche molto ridotte • elevata velocità di risposta • costo contenuto – Difetti • richiede circuito di alimentazione – Sensore di corrente standard • nella misura di correnti > 5A • elevata accuratezza ּסRealizzazione in catena aperta Iref Vout = (K*Iref)*Im Im 163 Vout 164 41 27/11/2008 Sensore di corrente isolato ad Effetto-Hall ּסRealizzazione in retroazione I2 n2 Iref + n1 V I1 R G - Iout = n1/n2 I1 Vout= RIout Vout n1 = numero di avvolgimenti del cavo di misura. Di solito 1 n2 = numero di spire del secondario. Di solito 1000/2000 165 42
