Azionamenti elettrici - LAR-DEIS
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Azionamenti elettrici caratteristiche dei motori tipologie di azionamento comportamento generale di un azionamento Prof. Carlo Rossi DEIS - Università di Bologna Tel: 051-2093020 E-mail: [email protected] Tipologie di azionamento elettrico • Con motore a collettore • ad eccitazione separata • a magneti permanenti • Con motore sincrono a magneti permanenti • Brushless a campo trapezoidale • Brushless a campo sinusoidale • Con motore asincrono ad induzione • con controllo tensione/frequenza (Inverter) • con controllo vettoriale • con controllo vettoriale sensorless • Con motore passo-passo • per semplici ed economici posizionatori di piccola taglia • non per camme o assi elettrici disponibili con motori rotativi con motori lineari Parte 1 2 N ia ia Motore a collettore Caratteristiche generali • circuiti elettrici sul rotore • meccanismo collettore/spazzole • aumento di resistenza rotorica ϕe • perdite • calore • limiti alla velocità max • scintillamento S sezione trasversale La coppia è proporzionale al prodotto della corrente di armatura e del flusso (corrente) di eccitazione • problemi con EMC • realizzazione stagna per ambienti infiammabili • calore dissipato sul rotore • ventilazione interna • inerzia rotorica • realizzazioni ironless • dimensionamento termico • piccole taglie Parte 1 3 N ia ia ϕe Motore a collettore Caratteristiche generali • circuito di eccitazione • separato • richiede l’alimentazione • peggiora il rendimento • caratteristiche non lineari • può ruotare oltre la velocità max • deflussaggio S sezione trasversale La coppia è proporzionale alla corrente di armatura • utile per applicazioni speciali • a magneti permanenti • miglior rendimento • caratteristiche lineari • ottime prestazioni dinamiche • ha fatto la storia dell’Automazione non usare per nuovi progetti Parte 1 4 Motore sincrono a Magneti Permanenti (Brushless) Caratteristiche generali F1 F2 N • circuiti elettrici solo sullo statore • non servono spazzole e collettore • non si dissipa calore sul rotore • il calore è generato all’esterno e può essere smaltito dalla carcassa • disponibile non ventilato • non necessita di eccitazione • rendimento elevato S F2 F1 sezione trasversale • • • • • elevato rapporto coppia/peso bassa inerzia con magneti speciali elevata affidabilità elevata capacità di sovraccarico limiti sulla temperatura interna • smagnetizzazione • limitata extravelocità (MP) Parte 1 5 Motore sincrono a Magneti Permanenti (Brushless) F1 N F2 Caratteristiche generali • Brushless a campo trapezio • primi tipi di Brushless • non richiede sensore di posizione assoluto • sensori di posizione Hall • problemi S F2 F1 sezione trasversale La coppia è proporzionale alla corrente (continua) di fase • coppia non costante nel giro • ripple di coppia • coppia decrescente con velocità • rendimento più basso • per applicazioni • di bassa coppia • con precisioni di movimento non elevatissime • non troppo spinte dinamicamente • dove il costo sia una variabile importante Parte 1 6 Motore sincrono a Magneti Permanenti (Brushless) Caratteristiche generali F1 N • Brushless a campo sinusoidale F2 • richiede sensore di posizione assoluto • resolver • encoder sin/cos • coppia costante nel giro • massimo rendimento • problemi S F2 F1 sezione trasversale La coppia è proporzionale alla risultante delle correnti (sinusoidali) delle 3 fasi • costo abbastanza elevato • in calo con nuovi magneti • ripple di coppia a bassa velocità • cogging standard di mercato per l’automazione di macchina Parte 1 7 Motore asincrono a induzione Caratteristiche generali 1’ 3 2 • Pilotaggio sullo statore • Basso costo • Nessun problema alle alte temperature • Elevata capacita' di sovraccarico • Possibilita' di funzionamento a velocita' superiori a quella nominale con coppia ridotta • deflussaggio 2’ 3’ 1 La coppia è proporzionale allo scorrimento tra frequenza meccanica ed elettrica (motore asincrono) • Problemi • calore generato anche sul rotore • ventilazione • la potenza fornita genera coppia e campo • rendimento più basso • inerzia relativamente elevata per la presenza di ferro sul rotore • controllo difficile a causa delle non linearità Parte 1 8 Motore passo-passo Motore a 4 fasi del tipo 6-8 3 2 4 b c a 1 a’ c’ 4’ 1’ b’ 2’ 3’ fase 1-1’ alimentata Parte 1 9 Motore passo-passo Motore a 4 fasi del tipo 6-8 3 2 4 c b a’ 1 1’ a c’ 4’ b’ 2’ 3’ fase 2-2’ alimentata Parte 1 10 Motore passo-passo Motore a 4 fasi del tipo 6-8 3 2 4 c b 1 a’ a 1’ b’ c’ 4’ 2’ 3’ fase 3-3’ alimentata Parte 1 11 Motore a 4 fasi del tipo 6-8 3 2 Motore passo-passo Caratteristiche generali • motore a riluttanza variabile 4 c a’ b 1 1’ b’ a 4’ c’ 2’ 3’ fase 4-4’ alimentata La coppia dipende dal quadrato della corrente di fase e dalla posizione • comportamento non lineare • difficile controllarlo in retroazione • velocità di rotazione limitata • utilizzabile in presa diretta • disponibile per piccole coppie • la posizione raggiunta dipende dalla sequenza di attivazione delle fasi • per semplici ed economici posizionatori di piccola taglia • non per applicazioni ad elevata dinamica Parte 1 12 Motori lineari Disponibili sia in versione sincrona che asincrona • realizzazioni sincrone più comuni Senza ferro (ironless) Con ferro (ironcore) Coil assembly Magnet assembly La coppia è proporzionale alla risultante delle correnti (sinusoidali) delle 3 fasi Motore sincrono Parte 1 13 Motori lineari Caratteristiche positive • non hanno teoricamente limiti di corsa • difficile realizzzarli lunghi • ampia gamma di velocità • da pochi µm/s a oltre 10m/s • elevatissime accelerazioni • elevato rapporto forza/massa (accelerazione) • > 200 N/Kg (m/s2) (continuativa) • > 500 N/Kg (m/s2) (di picco) • elevata linearità del moto • assenza di cogging nei motori ironless • elevatissima precisione e ripetibilità • collegamento in presa diretta • niente isteresi, giochi, zona morta • elevatissima rigidità Parte 1 14 Motori lineari Caratteristiche negative • vengono forniti con le due parti (bobine e magneti) separate • occorre costruire la struttura meccanica • parte molto critica • problemi di rigidità della catena cinematica collegata • attenzione alle risonanze • nei motori con nucleo ferroso vi sono forze di attrazione trasversali molto elevate • attenzione alle guide • generano campi magnetici • occorre coprirli per prevenire depositi tra la parte mobile e quella fissa • polvere, polvere di ferro • spazzole di pulizia, soffietti, montaggio capovolto,.. Parte 1 15 Motori lineari Opzioni di movimento • si può optare per tenere fissa una qualunque delle due parti Magneti mobili pro la parte alimentata ed eventuali tubi di raffreddamento sono fissi Bobine mobili pro minore peso ed ingombro della parte mobile contro maggiore peso ed ingombro della parte mobile ⇒ per spostamenti grandi contro i cavi si muovono ⇒ occorrono cavi speciali ⇒ occorre sostenere i cavi Parte 1 16 Specifiche sul movimento Variazione dell’uscita Out comando Non interessano: • tempo di assestamento • errore a regime uscita t Controllo in catena aperta Esempi • velocità base di macchina automatica • rotazione di mulino ⇒ gestione dei transitori di avviamento ed arresto • movimentazione di pompe Parte 1 17 Specifiche sul movimento Regolazione dell’uscita Out comando Interessano: • tempo di assestamento • errore a regime uscita t Controllo in retroazione Esempi • rotazione di mandrino • nastri trasportatori in macchine automatiche • semplici posizionatori Parte 1 18 Specifiche sul movimento Inseguimento dell’uscita Out comando Varianti: • asse singolo • assi multipli coordinati set point generati in modo coordinato • assi multipli sincronizzati uno dei movimenti è master di tutti gli altri uscita Interessano: • la capacità di inseguire un riferimento ad elevata dinamica • l'errore di inseguimento t Controllo in retroazione con azioni in avanti e uso di generatore di traiettoria di moto Esempi • assi e camme elettrici Parte 1 19 Azionmenti sincroni a campo trapezoidale Problematiche • costruito per funzionare con correnti continue commutate elettronicamente tra le fasi ( posizione del rotore) • la coppia è proporzionale alla corrente • in posizioni predefinite del rotore occorre spegnere la fase attiva e contemporaneamente accenderne un’altra • a causa della induttanza (inerzia elettrica) nei circuiti • la corrente impiega del tempo per scendere a zero e salire al valore previsto • due fasi generano contemporaneamente coppia • la coppia non è più costante • ⇒ ripple di coppia • il valore medio della coppia a corrente costante cala al crescere della velocità • problemi alle alte velocità Parte 1 20 Azionamenti sincroni a campo trapezoidale Problematiche • modello semplificato della variazione della corrente di 1 ≈ (E − e) dt L di dt è la pendenza della curva di salita/discesa della corrente E è la tensione di alimentazione, considerata al massimo valore (la tensione del bus continuo) per minimizzare la durata del transitorio e è la forza controelettromotrice, proporzionale alla velocità L è l’induttanza del circuito a parità di v e di L la pendenza cala al crescere della velocità Parte 1 21 Azionamenti sincroni a campo trapezoidale di 1 ≈ (E − e) dt L di + E ≈+ dt L i bassa velocità ω≈0 e≈0 t i media velocità ω ≈ ωmax/2 e ≈ E/2 t i alta velocità t ω ≈ ωmax e≈E di − E ≈− dt L di + E ≈+ 2L dt di − 3E ≈− dt 2L di + E ⟨⟨ + dt L di − 2E ≈− dt L Parte 1 22 Azionamenti sincroni a campo trapezoidale Effetti dinamici della correnti sulla coppia A bassa velocità Ad alta velocità i i a a i ϑ=120° t b i ϑ=120° b t t c c t t Valor medio t Parte 1 23 Azionamenti asincroni con controllo V/F (Inverter) Problematiche • Caratteristica meccanica a tensione e frequenza costanti • coppia in funzione dello scorrimento • differenza percentuale tra • frequenza elettrica (alimentazione) e frequenza meccanica (movimento) Cmax C Cavv Cnom A basso scorrimento Generatore Cm = k*s 0 1 s Motore Parte 1 24 Azionamenti asincroni con controllo V/F (Inverter) Curve caratteristiche • Caratteristica meccanica a tensione e frequenza costanti Cmax Cavv C Cnom motore standard per avviamenti a carico 0 1 s Motore Parte 1 25 Azionamenti asincroni con controllo V/F (Inverter) Curve caratteristiche • Caratteristica meccanica a tensione e frequenza costanti Cmax C Cnom Cavv 0 1 s motore adatto per funzionamento a frequenza variabile Motore Parte 1 26 Azionamenti asincroni con controllo V/F (Inverter) Curve caratteristiche • Caratteristica meccanica ideale a tensione e frequenza variabili (V/f = costante) C 0 V ed f crescono si sono trascurate le cadute sulle resistenze statoriche ω Parte 1 27 Modello statico Curve caratteristiche • Caratteristica meccanica reale a tensione e frequenza variabili (V/f = costante) C 0 V ed f crescono si sono considerate le cadute sulle resistenze statoriche ω Parte 1 28 Azionamenti asincroni con controllo V/F (Inverter) Controlli basati sulle caratteristiche statiche Controllo di velocità del tipo V/f = K costante V Vnom tarature per compensare le cadute resistive a bassa velocità off-set Vo nonlineare lineare fnom f Parte 1 29 Azionamenti asincroni con controllo V/F (Inverter) Controllo del tipo V/f costante • In terminologia tecnica questo tipo di azionamento è chiamato INVERTER • controllo di velocita' in catena aperta • velocita' dipendente dal carico • si può aggiungere un controllo di velocità • prestazioni dinamiche modeste • problemi alle basse velocità ed in presenza di coppie di carico variabili • costo minimo per Kw Parte 1 30 Azionamenti con motori passo-passo Controlli di posizione sensorless • nelle applicazioni di controllo di posizione dove interessano solo la posizione iniziale e finale del movimento • tipo pick-and-place • soluzioni semplice e poco costosa • controllo semplificato in cui non serve un sensore di posizione • il motore ha un comportamento sincrono con la sequenza di pilotaggio • basta contare gli impulsi di comando • coppia intermittente filtrata di solito dall’inerzia del carico • soluzione di posizionamento per piccoli sistemi • dove il costo dell’azionamento è una componente importante del costo totale • è un motore coppia che può essere collegato senza riduttore in presa diretta sul carico Parte 1 31 Altre tipologie di azionamento Azionamenti assi • azionamenti con motori • a collettore, sincrono sinusoidale, asincrono a controllo vettoriale • sono tutti azionamenti con sistemi di controllo in retroazione anche molto complessi • comportamento esterno • simile agli azionamenti con motore a collettore • taratura standard degli anelli di velocità • ipotesi di inertia matching • inerzia del carico riportata al motore uguale a quella del motore • se l’inertia matching non viene rispettato occorre tarare l’enello di velocità • per elevate prestazioni dinamiche • resolver di buona qualità o encoder con molti impulsi/giro • attualmente negli azionamenti per macchine automatiche • encoder sin/cos Parte 1 32 Controllo del moto Considerazioni conclusive • la definizione di un problema di controllo del moto richiede la specifica delle esigenze di • • • • • • precisione a regime capacità di minimizzare gli effetti dei disturbi di carico qualità del transitorio qualità dell’inseguimento coordinamento con altri assi costi Per ogni problema occorre scegliere il sistema di azionamento più idoneo Parte 1 33 Tabelle riassuntive delle caratteristiche degli azionamenti Azionamenti per motore a collettore a MP • Regolazione • ottima • Inseguimento • ottimo • Risposta dinamica • eccellente • Extra coppia • 6 ÷ 8 con motori speciali • Extra velocità • No • Taglie • fino a qualche MW • Diffusione • ampia, in calo. No per nuovo • Costo • contenuto a bassa potenza Parte 1 34 Tabelle riassuntive delle caratteristiche degli azionamenti Azionamenti per motore sincrono Trapezoidale • Regolazione • ottima, buona ad alta velocità • Inseguimento • buono • Risposta dinamica • buona • Extra coppia • 2÷4 • Extra velocità • No • Taglie • < 10Nm • Diffusione • ampia, in calo • Costo • contenuto Parte 1 35 Tabelle riassuntive delle caratteristiche degli azionamenti Azionamenti per motore sincrono Sinusoidale • Regolazione • ottima, cogging a bassissima veloc. • Inseguimento • eccellente • Risposta dinamica • massima • Extra coppia • 4÷6 • Extra velocità • No • Taglie • < 50Nm • Diffusione • ampia, standard industriale • Costo • elevato, in calo Parte 1 36 Tabelle riassuntive delle caratteristiche degli azionamenti Azionamenti per motore asincrono con Inverter • Regolazione • scadente, catena aperta • Inseguimento • scadente • Risposta dinamica • discreta, dipende dal carico • Extra coppia • 2÷4 • Extra velocità • Si • Taglie • 0.5 kW ÷ 1MW • Diffusione • amplissima, standard industriale • Costo • minimo per kW Parte 1 37 Tabelle riassuntive delle caratteristiche degli azionamenti Azionamenti per motore asincrono con Controllo Vettoriale • Regolazione • eccellente • Inseguimento • eccellente • Risposta dinamica • eccellente, legg. infer. a sincrono • Extra coppia • 4÷6 • Extra velocità • Si • Taglie • < 500 kW • Diffusione • modesta, in grande crescita • Costo • elevato, in calo. ⇒ +15% Inverter Parte 1 38 Tabelle riassuntive delle caratteristiche degli azionamenti Azionamenti per motore Passo-Passo • Regolazione • buona • Inseguimento • buono • Risposta dinamica • discreta • Extra coppia • No • Extra velocità • No, problemi alta velocità • Taglie • < 10Nm • Diffusione • ampia per piccole potenze • Costo • contenuto Parte 1 39 Tabelle riassuntive delle caratteristiche degli azionamenti Azionamenti per motore lineare sincrono • Regolazione • ottima • Inseguimento • eccellente • Risposta dinamica • massima • Extra coppia • 4÷6 • Extra velocità • No • Taglie • < 10 kN • Diffusione • limitata, disponibilità recente • Costo • elevato, in calo Parte 1 40 Schema concettuale di azionamento controllo di un singolo asse traiettoria progettata generatore di traiettorie Tp unità di controllo traiettoria risultante al motore convertitore + motore Tm traiettoria risultante al mezzo operativo specifico catena cinematica Tmos azionamento Le tre traiettorie (Tp, Tm, Tmos) non sono uguali Parte 1 41 Non idealità di comportamento Nell'azionamento in senso stretto situazione ideale ≡ Tp azionamento Tm • Anche l'azionamento è un sistema dinamico (per quanto veloce) e non può trasferire all'uscita senza errore qualunque segnale gli venga applicato all'ingresso • al crescere della frequenza della traiettoria di comando (Tp), il suo trasferimento all'uscita diventa sempre più problematico • la traiettoria generata in uscita (Tm) viene deformata in ampiezza e riprodotta in ritardo • l'analisi armonica è uno strumento utile per comprendere il problema Parte 1 42 Non idealità di comportamento di un azionamento Risposta armonica dB 0 Attenuazione dell'uscita Tm Attenuazione di 10 volte -10 -20 -30 -40 L'effetto di sfasamento si manifesta già a frequenze più basse -50 Banda passante-60 ° 0 Sfasamento dell'uscita Tm Frequenza (rad/sec) -50 -100 -150 -200 Frequenza (rad/sec) Parte 1 43 Non idealità di comportamento di un azionamento Inseguimento di segnale sinusoidale - oscillatore 1 1 0 -1 Traiettoria al motore 0 0 200 400 600 800 1000 -1 1 1 0 0 -1 Traiettoria progettata -1 0 2 4 6 0 8 10 12 14 16 18 20 -1 0 20 1 2 40 3 4 60 5 6 7 80 100 8 9 10 All'aumentare della frequenza è evidente il degrado sia in termini di ampiezza che di ritardo Parte 1 44 Non idealità di comportamento di un azionamento Inseguimento di segnale composto - oscillatore 1 Traiettoria progettata 1 Traiettoria al motore 0 0 25 battute -1 0° 180° 50 battute 360° -1 0° 1 1 0 0 100 battute -1 0° 180° 180° 360° All'aumentare del numero di battute è evidente il degrado. Il tempo di sosta effettivo si riduce sempre di più 200 battute 360° -1 0° 180° 360° Parte 1 45 Schema di controllo in cascata Adottato nella maggior parte dei sistemi assi commerciali Spesso collocati su diverso dispositivo detto scheda assi Generatore di traiettorie ϑref αref Indispensabili per limitare il ritardo Jt/kc ωref 1 Iref K + PI + Dipendono dalla catena cinematica PI A+M Dipende dal motore Parte 1 46 Prestazioni di inseguimento Senza azioni in avanti posizione 1 0.8 traiettoria 0.6 vera 0.4 0.2 0 0 40 80 120 ms 160 200 0.16 0.14 0.12 0.1 0.08 0.06 0.04 0.02 00 Errore di posizione emax 14% 40 80 120 ms 160 200 16 14 12 10 8 6 4 2 0 -2 0 velocità traiettoria vera 40 Effetto della mancata taratura del regolatore di velocità Regolatore di velocità tarato (in fabbrica) per ρ = 1, ma ρ = 10 posizione 1 0.8 traiettoria 0.6 0.4 vera 0.2 0 0 40 80 120 ms 160 200 0.18 0.16 0.14 0.12 0.1 0.08 0.06 0.04 0.02 00 Errore di posizione emax 17% 40 80 120 ms 160 200 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 -2 0 80 120 ms 160 200 ρ = Jl n2 Jm velocità traiettoria vera 40 80 120 ms 160 200 Parte 1 47 Prestazioni di inseguimento Con le azioni in avanti posizione 1 posizione 1 0.8 0.8 0.8 0.6 0.6 0.6 0.4 0.4 0.4 0.2 0.2 0.2 0 0 40 -3 80 120 ms 160 200 errore di posizione 14 x 10 12 10 8 6 4 2 0 -2 -4 -6 0 40 emax 1.4% 80 120 ms 160 solo di velocità 200 0 0 40 80 120 ms posizione 1 160 200 -3 errore di posizione 6 x 10 5 4 emax 0.5% 3 2 1 0 -1 -2 0 40 80 120 160 200 ms velocità + corrente 0 0 40 80 -2 errore 6 x 10 120 ms 160 200 di posizione 4 emax 5% 2 0 -2 -4 0 40 80 120 ms 160 200 senza taratura regolatore Parte 1 48 Prestazioni di inseguimento Implementazione digitale • tutti gli azionamenti sono controllati in modo digitale con microprocessore o DSP • nascono altre non idealità legate al tempo di esecuzione (campionamento) del controllo che dipende • • • • dalla architettura dell'Unità di Governo complessiva dalla potenza dei processori utilizzati dal numero di assi che un singolo processore controlla dalla quantità di altre funzioni utente da eseguire • una architettura di controllo con scheda assi separata che controlla più azionamenti può risultare critica dal punto di vista del tempo di campionamento • le azioni in avanti sono efficaci se generate allo stesso tempo di campionamento del loop relativo Parte 1 49 Collegamento con la struttura meccanica Elasticità nella catena cinematica • la catena cinematica non è infinitamente rigida • consideriamo solo l'elasticità del riduttore • primo modo di risonanza • tra motore e catena cinematica c'è una molla • modello massa/molla/massa M M ϑm ϑc Jm Jc Nel modello va considerato anche un piccolo smorzamento corrispondente alle perdite di deformazione Parte 1 50 Collegamento con la struttura meccanica Elasticità nella catena cinematica • caratteristiche in frequenza dei modi oscillatori Analisi armonica 50 δr = risonanza -50 Del δ ar = ρ 2 Kel Jm 1 + ρ Kel ρ Jm 1 Kel ω ar = ρ Jm -100 101 102 Kel = rigidità del riduttore Del ρ 2 Kel Jm 1 0 ωr = 1+ ρ Jc antirisonanza 103 104 Del = Dissipazione nel riduttore ρ= 2 n Jm Jm = inerzia motore Jc = inerzia cinematismo n = rapporto di riduzione δx = smorzamento Parte 1 51 Collegamento con la struttura meccanica Elasticità nella catena cinematica • dipendenza dal bilanciamento delle inerzie Analisi armonica 50 I modi hanno frequenza e smorzamento che dipendono in modo inverso dal rapporto delle inerzie 0 ρ=1 -50 ρ=1 ρ=7 -100 101 102 103 104 Jc ρ= 2 n Jm bilanciamento delle inerzie gli azionamenti non devono generare coppia alle frequenze dei modi di risonanza Parte 1 52 Azionamenti elettrici caratteristiche dei motori tipologie di azionamento comportamento generale di un azionamento Fine Prof. Carlo Rossi DEIS - Università di Bologna Tel: 051-2093020 E-mail: [email protected]
