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
