brushless

Gli azionamenti dei motori
• Per azionamento si intende, in generale,
un insieme di apparecchiature, gruppi
convertitori, attuatori, organi di
trasmissione, macchine operatrici,
dispositivi di controllo.
azionamento
• la sua funzione è lo svolgimento di un
certo numero di operazioni, quali cicli di
lavorazione o movimenti di organi
meccanici, con prestabilite leggi di moto
(posizione e velocità).
I quadranti di un azionamento
motore cc
Velocità
Freno meccanico/generatore elett.
elett
Q2
w>0
C<0
P<0
motore
Q3
w<0
C<0
P>0
motore
Q1
w>0
C>0
P>0
Q4
w<0
C>0
P<0
Coppia
Freno meccanico/generatore elett.
elett
1
Unità N°1:
I dispositivi a semiconduttore sono utilizzati come
interruttori
Generalità sui dispositivi elettronici di
potenza
I
OFF
V
• I moderni sistemi di controllo e comando delle
macchine
elettriche
impiegano
diffusamente
dispositivi elettronici di potenza, grazie ai quali è
possibile, ad esempio automatizzare e ottimizzare la
regolazione della velocità
I
ON
• È un diodo controllato
G
A
I
ILcorrente di
aggancio
K
Gate
- BJT
- MOSFET
- IGBT
- GTO* (Gate Turn-Off)
I>0
scr
Dispositivi elettronici di potenza
• DIODI
• SCR (Raddrizzatori Controllati al Si)*
• SWITCH CONTROLLATI:
I=0
V
BD
IL
Ih
0,6 V
anodo
P
N
P
N
catodo
V
BO
IH corrente di
mantenimento
* SCR e GTO = TIRISTORI
2
IGBT
IGBT
• Transistor IGBT (Insulated Gate Bipolar
Transistor) sono transistor BJT con
in-tegrato uno stadio di comando a MOS.
Sono pilotabili, quindi, in tensione. Hanno
perdite di comando e frequenze operative
intermedie tra MOSFET e BJT.
C
G
E
Gli inverter
Prestazioni limite dei vari componenti
tiristori
[kV]
•
•
•
•
•
•
5
GTO
4
MCT
IGBT
BJT
1
00
sviluppo
previsto
per l’MCT
MOSFET
0.5
1
1 kHz
10 kHz
100 kHz
1.5
[kA]
2
2.5
3
3.51 MHz
qu
en
za
2
fre
3
Gli inverter
Negli inverter si riconoscono tre parti fondamentali:
il raddrizzatore detto anche convertitore CA-CC
il filtro
il convertitore CC-CA
Scopo del raddrizzatore è di trasformare la corrente
alternata monofase e trifase in c.c..
• Spesso ha anche il compito di recuperare l’energia
elettrica durante la fase di frenatura.
3
Schema generale di un azionamento con
motore elettrico
INVERTER
Filtro
Convertitore
dc-ac
Rete di alimentazione
AC
Convertitore AC/DC
INVERTER
Inverter
MOTORE
M
M
3~
CONTROLLO
COMANDO
DUE CASI
INVERTER
• Rete di alimentazione in corrente continua
(es. linee ferroviarie): solo INVERTERS (fig.2)
• Rete di alimentazione in alternata:doppia
conversione per avere a monte del motore
l’alternata a frequenza variabile (caso della
pagina precedente - fig. 3)
AC/DC
DC/AC
M
M
Fig. 2
DC/AC
Fig. 3
4
Per capire il funzionamento, si farà il caso semplice di
un convertitore a ponte di SCR, con carico resistivo
Vs = Vmax sin ωt
id
T1
T2
FUNZIONAMENTO
Vs > 0: T1 e T4 sono polarizzati direttamente; si possono
accendere con l’impulso di gate, mentre T3 e T4 sono
polarizzati in inversa
Vs < 0: è il contrario del caso sopra!
vd
ωt = θ
R
vs
vd
Ig1
Ig2
Variando l’angolo di innesco,
la Vd si modifica e varia, di
conseguenza, la tensione
media sul carico (<Vd>).
α = angolo di innesco
<Vd> = valor medio della Vd
<Vd> = Vmax (1+cos α)/π
Ig3
T3
T4
Ig4
<Vd> = Vmax (1+cos α)/π
• I valori medi dipendono da α;
• La conduzione è discontinua per α
compreso fra 0 e π;
• Conduzione discontinua = una coppia di
SCR si spegne prima che si accende
l’altra coppia di SCR.
Variando l’angolo di conduzione
varia la componente continua
5
Dimostrazione del valor medio
1 t
1 α
Vmax sinθ dθ = ∫ Vmax sinθ dθ =
∫
T 0
π 0
V
V
= max [− cosθ ]α0 = max (1 − cosα ).
Vmedio =
π
π
• La presenza dello stesso collettore e delle
spazzole, richiedendo una costante
manutenzione, ha reso svantaggioso l’uso
dei motori in corrente continua a vantaggio
degli asincroni e dei brushless.
• Nel brushless è il sensore che rileva la
posizione del rotore e consente di avere
l’ortogonalità tra il flusso rotorico Φr e
quello statorico Φs.
Confronto con il motore in cc
Nel brushless la commutazione riguarda lo statore
In effetti, nel brushless il collettore a lamelle e le spazzole
sono state sostituite da un sistema di commutazione
elettronico retroazionato in cui l’istante per la corretta
commutazione è segnalata da dei sensori.
• manutenzione di gran lunga inferiore per l’assenza
delle spazzole;
• maggiore efficienza dovuta all’assenza di un collettore
e delle spazzole;
• lunga durata;
• possono operare a velocità che raggiungono anche i
16000-20000 giri al minuto ed oltre;
• coppia elevata;
• bassa inerzia e di conseguenza brevi tempi di
avviamento dovuti alla leggerezza del suo rotore che è
costituito da una struttura a magneti permanenti
(ceramici, a terre rare ecc.) che gli permette di ottenere
un basso momento di inerzia, molto utile nelle
applicazioni quale servoposizionatore
6
Brushles trapezio o dc brushless
tipi
• Una distinzione tra i motori brushless è
fatta in base il tipo di segnale che alimenta
gli avvolgimenti di statore:
• se è di tipo trapezoidale il motore viene
classificato come un DC brushless, se di
tipo sinusoidale come AC brushless.
Flusso
concatenato
Ψmax Ψ(θ),e(θ)
Ψ1
0°
0°
+
a1
90°
180° 270°
360°
θ
360°
θ
+
e2
90°
180° 270°
Poiché la forma d’onda dell’induzione
non è perfettamente triangolare ma è
smussata, l’andamento effettivo della
fem risultante è quello tratteggiato
(trapezoidale)
e1+e2 e
150°
0°
A1
a2
30°
e 30°
e1
A2
Ψ2
150°
90°
180° 270°
150°
360°
θ
Fcem
trapezoidale
FORMA TRAPEZOIDALE DELLA fcem
Andamento del
flusso: realizzato
lineare per ampi
tratti
Le Correnti nelle tre fasi sono
continue da cui il nome dc
brushless
NB. Per RADDOPPIARE la potenza si può pensare di
ALIMENTARE con corrente negativa quando la fcem
diventa negativa
Andamento della f.c.e.m.
f.c.e.m
che è di tipo trapeziodale:
è la derivata del flusso
conc.
Le Correnti nelle tre fasi
sono continue
7
Effetto Hall
Andamento correnti in un dc brushless
B
•Ogni switch conduce per 180° ed ha una commutazione per periodo
•Ogni fase conduce per 2/3 del periodo; vi è sempre quindi conduzione
simultanea di due fasi, per alimentare opportunamente è necessario
rilevare la posizione con sensori effetto Hall
Andamento
IUV
della corrente
60°
120°
180°
240°
300°
360°
-
--
--
--
-
v
IVW
- - - - -
h
0°
60°
120°
180°
240°
300°
360°
60°
120°
180°
240°
300°
la tensione di Hall risulta
I
IWU
0°
VH
v∆
t
0°
L
Edwin Hall, studente di 24
anni scoprì che la
tensione, da ora chiamata
tensione di Hall, VH, è
direttamente proporzionale
al flusso magnetico che
attraversa la lamina
d’oro, l’angolo con cui lo
attraversa, e l’intensità di
corrente usata
VH=BLv
360°
Sensori Hall
Principio di funzionamento :
dc brushless
• I sensori effetto Hall
rilevano la posizione del
rotore
• Come sensori i generatori ad effetto Hall
trovano impiego per rilevare le correnti, i
campi magnetici o come interruttori controllati
da un campo magnetico si possono rilevare
per esempio la velocità di rotazione di alberi
meccanici
• La logica di controllo
commuta I transistor in
modo da alimentare
opportunamente gli
avolgimenti
Images courtesy of Servo Magnetics
(http://www.servomag.com/flash/2-pole/2pole-bldc-motor.html)
8
DC BRUSHLESS
Dc brushless
• La forma d’onda trapezoidale richiede un
sistema di controllo più semplice rispetto a
quello sinusoidale essendo la forma
d’onda a trapezio più facile da ricreare.
• La coppia risulta costante
C=kt(IaEa+IbEb+IcEc)
C=kt(IaEa+IbEb+IcEc)
• E’ possibile adoperare, encoder a bassa
risoluzione ottenendo sistemi brushless
più economici anche se la precisione della
coppia è inferiore ai sistemi sinusoidali.
L’ondulazione di coppia va dal 4 al 15 %
mentre è solo del 3% in quelli sinusoidali
ciò produce una variazione della velocità
particolarmente visibile alle basse velocità.
Schema a blocchi dc brushless
Ac brushless
• Il motore brushless AC è in sostanza una evoluzione di quello
DC.
• Nel motore a controllo sinusoidale ( AC brushless) il motore è
pilotato applicando una corrente sinusoidale agli avvolgimenti senza
alcuna manipolazione.
• Queste correnti hanno un opportuno sfasamento, 120°nel caso di
motori trifase. In questo caso è necessario un encoder ad alte
risoluzione se si vuole mantenere una rotazione regolare anche alle
basse velocità con bassissimi ripple di coppia.
• Il prezzo da pagare è una maggiore complessità del driver per
generare le corrente sinusoidale opportune per mantenere uno
sfasamento di 90°tra corrente magnetizzante e la co mponente che
produce la coppia.
9
La corrente totale (Is) è scomponibile
in una componente (Id) magnetizzante
o reattiva che produce il flusso e una
componente (Iq) attiva che produce la
coppia.
La componente magnetizzante
deve mantenersi costante nelle
diverse condizioni di carico
meccanico (con flusso costante).
Espressione coppia ac bushless
• Vediamo ora di capire perchè
un motore controllato in onda
sinusoidale fornisca coppia
costante. Per semplificare
ipotizziamo un motore bifase
• Se un conduttore è portato in un
campo magnetico una forza F è
esercitata sullo stesso
F = I* I * B * sen(
sen(δ).
• l è la lunghezza del filo, ed I e B
formano un prodotto vettoriale
δ angolo tra B e I
Espressione coppia ac bushless
• Ora il motore per una fissata corrente I di
una delle due fasi in un assegnato istante t0
fornisce una coppia
• C’=IKt sinϑ
dove Kt è la costante di coppia
• in realtà la i è sinusoidale ed è
imposta dall’inverter pari a
i=I
i=Isinϑ e quindi la coppia
• C’=(I
=(I sinϑ) Kt sinϑ=I Kt sin2ϑ
Espressione coppia ac bushless
• L’altra delle due fasi, essendo
sfasata di 90°, fornirà una coppia
C’’=I Kt cos2ϑ e la coppia totale:
• Ctot=C’+ C’’=
I Kt cos2ϑ+ I Kt sin2ϑ = IKt
• La costanza della coppia vi è se il
driver è in grado di ricostruire una
perfetta relazione seno-coseno nelle
correnti dei due avvolgimenti. Un
microprocessore dedicato consente
di calcolare la corretta corrente in
base alla posizione e alla coppia
10
• Un encoder in cui sia presente solo una serie di feritoie non
consente di individuare il verso in cui il disco ruota. Viene
ricavata una seconda serie di feritoie, sfalsata rispetto alla
prima di un quarto di passo, essendo il passo la distanza
tra due zone trasparenti successive. E' ovviamente
necessaria la presenza di una seconda sorgente luminosa
e di un secondo sensore.
ENCODER INCREMENTALI
• L'elemento fotosensibile ( un
fotodiodo o un fototransistor)
genera un treno di impulsi ed il
loro numero è pari al numero
delle zone trasparenti, alternate
alle scure, intercettate dal blocco
emettitore-ricevitore .
• Il conteggio di questi impulsi
consente di individuare la
rotazione compiuta dal disco
Encoder assoluti
0
In questi encoder non si ha una
semplice successione di zone chiare
e di zone scure, ma le zone chiare e
quelle scure, rappresentano, lette su
una linea perpendicolare alle piste o
su un raggio una parola in un certo
codice binario.
7
1
6
2
5
4
• Un codice binario puro non è tuttavia
adatto ad essere utilizzato in un
encoder. Si ha che in alcune
posizioni, passando da un numero
binario al successivo, varia più di una
cifra. Ad esempio passando dal n. 3
(011) al n. 4 (100) si ha una
variazione contemporanea di tutte e
tre le cifre.
Codice Gray
3
11
ENCODER INCREMENTALI ED ASSOLUTI
ENCODER
INCREMENTALE:
ENCODER ASSOLUTO:
contando gli impulsi permette
di valutare lo spostamento
rispetto ad una posizione
iniziale
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)
I resolver
•
•
•
•
•
Negli avvolgimenti di statore si generano quindi f.e.m. sinusoidali di
ampiezza proporzionale
rispettivamente a sen(q) e cos(q).
Le tensioni prodotte negli avvolgimenti di statore vengono elaborate da
un circuito elettronico (spesso
contenuto in un ASIC) che ne rivela le ampiezze relative, ricavandone
la posizione angolare q. Lo stesso
circuito calcola anche la velocità angolare ω
I RESOLVER
• Il resolver è un trasduttore per la
misura di spostamenti angolari
molto utilizzato sia nel campo delle
macchine utensili che della
robotica I due solenoidi, di cui uno
fisso e l’altro rotante, sono disposti
intorno ad uno stesso nucleo di
ferro, fatto di lamierini isolati: in
base alle loro posizioni reciproche
tutto il flusso dovuto al primo
avvolgimento risulta concatenato
totalmente o solo parzialmente con
il secondo. Si avrà perciò una
tensione indotta avente
caratteristiche che dipendono dalla
loro posizione reciproca.
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
12
La dinamo tachimetrica
• La dinamo tachimetrica è un piccolo
generatore di corrente continua. Nello
statore è presente un magnete
permanente. Il rotore racchiude
l’avvolgimento indotto. Rispetto le
tradizionali dinamo si pone molta cura
nella costruzione per evitare attriti e
eccentricità che falserebbero la lettura.
• La tensione continua in uscita è legata alla
velocità di rotazione dalla relazione
• dove KD è la costante della dinamo mentre
ω è la velocità angolare in giri /min.
• Per le dinamo tachimetriche commerciali la
KD vale 60÷90 V per 1000 giri/min
• Si ricorda che una spira conduttrice
interessata da un flusso variabile nel tempo
produce ai suoi capi una f.e.m. l’andamento
di tale forza elettromotrice è sinusoidale.
• Ora ciascun avvolgimento contribuisce alla
tensione complessivo con una propria
tensione ed ogni f.e.m. sarà sfasata rispetto
la precedente
• La somma di queste sinusoidi sfasate
fornisce una tensione pressoché continua ma
che presenta una certa ondulazione, la
tensione, pertanto, deve essere filtrata per
evitare problemi nei sistemi di controllo
• La tensione di uscita è sostanzialmente
continua ed il suo valor medio Vo è
espresso dalla relazione:
• Vo = E - IaRa = Kd*N - Ia*Ra
N
dove E = Kd*N è la tensione a vuoto,
Kd la costante tachimetrica, N la velocità
+
+
angolare (giri/min), Ra la resistenza degli
+
+
avvolgimenti e Ia la corrente negli avvolgimenti. + + +
+
+
E’ importante nell’utilizzo di far
lavorare la dinamo tachimetrica
a vuoto per evitare che la misura sia falsata
dalle cadute di tensione sulla resistenza
degli avvolgimenti del rotore
S
13