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Sintesi motore in continua
Attuatore: Motore in corrente continua (DC) • • • • • Sistema: Movimentazione monoasse Modello per motore DC Accoppiatore ottico Circuito integrato pilota per motore DC Sistema di pilotaggio reazionato 1 Encoder incrementale (360 impulsi/giro) Motore in DC Vite senza fine con passo 3mm/giro L=180mm ÍÎ 60 giri 0.05€ -X +X Giunto Bandierine Foto accoppiatori HOA2001 2 Giunto -X +X Bandierine Foto accoppiatori 3 RS V10749 PREMOTEC 9904 120: 24V DC 360 counts/revolution 4 PREMOTEC: 24V DC 5 Numerologia: • L=180 mm ∆x=3 mm/giro 1600 giri/minuto 360 impulsi/giro (corsa massima meccanica) • (passo vite senza fine) • & 12 N*cm @24V • (encoder incrementale) ⇓ ♦ (3000µm/giro)/(360*4 conteggi/giro) ≅ 2.08µm/conteggio ♦ ((1600giri/(60s))*3mm/giro) = 80mm/s ♦ (180mm/(3mm/giro)) = 60giri asse motore Per ♦ (1440 conteggi/giro)*(60 giri) = 86400 conteggi L=180mm ♦ (180mm/(80mm/s)) = 2.25s 6 Struttura di un motore a corrente continua (c.c.) Î ROTORE: spire avvolte su di un cilindro (ferromagnetico) rotante (circuito di armatura); Î STATORE: magneti permanenti fissi che circondano il rotore (o circuito di eccitazione); ÎTRAFERRO: zona compresa tra statore e rotore, sede di campo magnetico; ÎCOLLETTORE o COMMUTATORE: parte iniziale dell’avvolgimento sul rotore, collegato all’alimentazione mediante spazzole; 7 STATORE ROTORE COLLETTORE SPAZZOLE CON MOLLA 8 La parte sinistra del rotore è respinta dal magnete di sinistra ed attirata da quello di destra. Analogamente fa la parte in basso a destra. La coppia meccanica genera la rotazione. Quando il rotore sarà allineato orizzontalmente, il commutatore invertirà la direzione della corrente che scorre negli avvolgimenti, invertendo il campo magnetico 9 Motore senza spazzole o motore brushless Î Scompare il collettore a spazzole: gli avvolgimenti sono messi sulla parte fissa (STATORE), mentre i magneti sono montati sulla parte ruotante (ROTORE). Î Migliori condizioni di scambio termico: Gli avvolgimenti elettrici possono smaltire più facilmente il calore generato. Î Migliori prestazioni meccaniche: usando materiali magnetici più efficienti come leghe di samario-cobalto, si possono ridurre ulteriormente le dimensioni del rotore, conseguentemente si riducono le inerzie del rotore. Î Circuito di alimentazione piu’ sofisticato rispetto a quello utilizzato per un motore con spazzole: bisogna sostituire le funzioni del collettore meccanico con un controllo elettronico di potenza. 10 Circuito di Armatura (rotore) Va In generale, generale la coppia motrice (Nm) dipende sia dalla corrente circolante nel circuito di armatura (Ia) che da quella circolante nel circuito di eccitazione (Ie) Ra Î La Re Ia Le Ve Nm ∼ Φ * Ia ~ Ie* Ia In questo caso il modello non e’ lineare, per avere un comportamento lineare e’ necessario che una delle due correnti sia mantenuta costante (per esempio Ie) mentre l’altra (Ia) viene usata quale variabile di controllo. ω, θ Ie Circuito di Eccitazione (statore) 11 Modello di un motore a c.c. (statore con magneti permanenti) Parte elettrica del modello Î V(t) = tensione applicata all’armatura (rotore) quale variabile di controllo; E(t) = f.e.m. generata dalla variazione del flusso di B per via della rotazione del rotore I(t) = corrente circolante nell’armatura L = induttanza dell’armatura R = resistenza dell’armatura ω(t) = velocita’ angolare di rotazione del rotore Ke = costante di f.e.m. Accoppiamento elettromeccanico ÍÎ E(t) = Ke*ω(t) Î [Ke]=[E]/[ω]=V*s L V(t) R I(t) E(t) ÍÎ V(t) = R*I(t) + L*[dI(t)/dt] + [Ke*ω(t)] “Equazione elettrica” 12 Modello di un motore a c.c. Î Parte meccanica del modello Nm(t) = coppia motrice generata (coppia elettromeccanica) Nl(t) = coppia applica all’albero del rotore dal carico posto in rotazione Na(t) = coppia di attrito N(t) = bilancio delle coppie ÍÎ N(t) = Nm(t) - [Nl(t) + Na(t)] J = momento di inerzia I(t) = corrente circolante nell’armatura (rotore) ω(t) = velocita’ angolare di rotazione del rotore Kt = costante di coppia η = coefficiente di attrito viscoso Accoppiamento elettromeccanico ÍÎ Nm(t) = Kt*I(t) Coppia d’attrito ÍÎ Na(t) = η*ω(t) Î [Kt]=[N]/[I]=(N*m)/A 2-nda equazione cardinale per corpi rigidi rotanti (asse fisso) ÍÎ N(t) = J*[dω(t)/dt] [Kt *I(t) – Nl(t) – η*ω(t)] = J*[dω(t)/dt] “Equazione meccanica” 13 Funzionamento a regime del motore a corrente continua: ⇓ • alimento il circuito di armatura (rotore) con grandezze costanti nel tempo; • attendo che si sia esaurita la fase transitoria; V(t) = R*I(t) + L*[dI(t)/dt] + Ke*ω(t) “Equazione elettrica” [Nm(t) – Nl(t) – Na(t)] = J*[dω(t)/dt] “Equazione meccanica” V = R*I + Ke*ω [Nm – Nl – Na] = 0 & Nm = Kt *I & Na = η*ω ω Î Retta di carico: ω(Νm) = (V/ Ke) − (R/ (Ke*Kt ))∗Νm Caratteristica meccanica V = R*(Nm/Kt) + Ke*ω Î ω(Νm) Velocita’ angolare a vuoto ωmax = V/Ke Punto di lavoro Coppia di spunto (Nm)max = Kt*V/R Νm 14 Funzionamento dinamico del motore a corrente continua: ⇓ • alimento il circuito di armatura (rotore) con un gradino di tensione; • sono interessato alla fase transitoria; V(t) = R*I(t) + L*[dI(t)/dt] + Ke*ω(t) “Equazione elettrica” [Nm(t) – Nl(t) – Na(t)] = J*[dω(t)/dt] “Equazione meccanica” …in quale modalita’ verra’ raggiunta la velocita’ angolare ω di rotazione di regime del motore? Î V(t) ω = ω(t) ω(t) V ? ω t 0 0 t 15 [1/3] Equazione differenziale lineare del 2-ndo ordine a coefficienti costanti ed inomogenea d 2 y (t ) dy (t ) Î + P + Qy (t ) = R(t ) 2 dt dt yinom (t ) = yom (t ) + y par (t ) y (t ) = exp(αt ) ⇒ α 2 + Pα + Q = 0 Radici reali e distinte Î α1 ≠ α 2 ∈ R ⇒ yom (t ) = c1 exp(α1t ) + c2 exp(α 2t ) Radici reali coincidenti Î α1 = α 2 ∈ R ⇒ yom (t ) = c1 exp(α1t ) + c2t exp(α 2t ) Radici complesse e coniugate Î α1 , α 2 ∈ C ⇒ a ± ib ⇒ yom (t ) = A exp(at ) sin(bt + φ ) exp[(a + ib)t ] = exp(at )[(cos bt ) + i (sin bt )] exp[(a − ib)t ] = exp(at )[(cos bt ) − i (sin bt )] 16 [2/3] Eq. elettrica Î {se: L=0} Eq. meccanica Î {se: Nl=0&Na=0} dI (t ) V (t ) = RI (t ) + L + K eω (t ) ⇒ V (t ) = RI (t ) + K eω (t ) dt dω (t ) dω (t ) K t I (t ) − N l (t ) − ηω (t ) = J ⇒ K t I (t ) = J dt dt V (t ) = gradino ⇓ J dω (t ) V = R[ ( )] + K eω (t ) Kt dt Equazione differenziale lineare del 1-mo ordine a coefficienti costanti ed inomogenea Ke Kt V ω (t ) = A[1 − exp(−t / τ )] ⇒ = ;A= RJ Ke τ 1 Risposta al gradino di un motore in c.c. In approssimazione del 1-mo ordine {Nl=0&Na=0&L=0} Î ⇓ 40 35 30 25 Ke Kt V ω (t ) = ( )[1 − exp(−( )t )] Ke RJ ω = ω(t) Y = 37.037*(1-exp(-x*58.14)) 20 15 10 5 0 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 17 t [3/3] Eq. ElettricaÎ Eq. MeccanicaÎ {se: Nl=0 & Na=0} dI ( t ) dI ( t ) + K e ω ( t ) ⇒ V ( t ) = RI ( t ) + L + K eω (t ) dt dt d ω (t ) d ω (t ) ⇒ K t I (t ) = J K t I ( t ) − N l ( t ) − ηω ( t ) = J dt dt V ( t ) = gradino V ( t ) = RI ( t ) + L ⇓ LJ d 2 ω ( t ) RJ d ω (t ) V = + ( ) + K eω (t ) 2 K t K t dt dt ⇓ ( VK t d 2ω (t ) d ω (t ) + ( RJ ) + ( K e K t )ω ( t ) ) = ( LJ ) 2 dt dt ⇓ d 2ω (t ) d ω (t ) + b + c ω (t ) = 0 a 2 dt dt ω = A exp( α t ) Condizione per soluzione oscillante smorzata Î Risposta al gradino di un motore in c.c. In approssimazione del 2-ndo ordine {Nl=0 & Na=0} Î ⇓ A exp( α t )[ a α ∆ = b 2 2 Equazione differenziale lineare del 2-ndo ordine a coefficienti costanti ed inomogenea + bα + c] = 0 − 4 ac = ( RJ ) 2 − 4 ( LJ )( K e K t ) < 0 ⇓ α 1,2 = − b ± (∆ ) − b ± i (− ∆ ) − b = = ( ) ± i( 2a 2a 2a (− ∆ ) ) 2a 8 ( − b RJ ) = − 2a 2 LJ ( (− ∆ ) ) = 2a = − 1 R ≡ ; τ 2L 4 ( LJ )( K e K t ) − ( RJ ) 2 = ( 2 LJ ) 2 ( K eK LJ t ) − ( 18 R 2 ) ≡ Ω; 2L Numerologia: {se: Nl=0 & Na=0} Î ∆ = b2 - 4ac = (RJ)2 - 4KeKtLJ Numericamente: Ke=0.0274V*s Kt=0.0274N*m/A L=0.1475H L=2.75*10-6H R=4Ω J=3.23*10-6kg*m2 ∆ = -52 x 10-9 < 0 2 radici complesse coniugate ∆ = 1.7 x 10-10 > 0 2 radici reali distinte 19 Modello di un motore a c.c. V(t) = R*I(t) + L*[dI(t)/dt] + Ke*ω(t) “Equazione elettrica” [Kt *I(t) – Nl(t) – η*ω(t)] = J*[dω(t)/dt] “Equazione meccanica” L[eq. el.] Î V(s) = R*I(s) + L*s*I(s) + K *ω(s) L[eq. mec. ] Î K *I(s) - N (s) -η*ω(s) = J*s*ω(s) e t V(s) + l 1/(R+Ls) - I(s) Kt Ke*ω(s) Î V(s) - Ke*ω(s) = (R + L*s)*I(s) Î Kt*I(s) - Nl(s) = (η + J*s)*ω(s) ω(s) Kt*I(s) + 1/(η+Js) Nl(s) Ke PS: PS La f.c.e.m. [Ke*ω] realizza una reazione negativa che ha un effetto stabilizzante sulla risposta in velocita’ angolare di rotazione del servomotore. 20 Modello di un motore a c.c. nell’ipotesi che Nl(t) = 0, ovvero che non ci sia alcuna coppia esterna applicata sull’asse del rotore V(t) = R*I(t) + L*[dI(t)/dt] + Ke*ω(t) “Equazione elettrica” [Kt *I(t) – Nl(t) – η*ω(t)] = J*[dω(t)/dt] “Equazione meccanica” L[eq. el.] Î V(s) = R*I(s) + L*s*I(s) + K *ω(s) L[eq. mec. ] Î K *I(s) -η*ω(s) = J*s*ω(s) e t V(s) + 1/(R+Ls) - Î V(s) - Ke*ω(s) = (R + L*s)*I(s) Î Kt*I(s) = (η + J*s)*ω(s) Kt*I(s) I(s) Kt ω(s) 1/(η+Js) Ke*ω(s) Ke 21 Modello di un motore a c.c. Î Funzione di trasferimento G(s) V [eq. el.] G(ω) ω = G•V Î V(s) - Ke*ω(s) = (R + L*s)*I(s) [eq. mec.] Î Kt*I(s) = (η + J*s)*ω(s) ♦ V(s) - Ke*ω(s) = (R + L*s)*[(η + J*s)*ω(s)/Kt ] ♦ V(s) = [Ke + ((R + L*s)*(η + J*s)/Kt)]*ω(s) ω Kt Kt G= = ≈ V K e • K t + ( R + L • s ) • (η + J • s ) K t • K e + R • J • s “FdT del 1-mo ordine” L≈0 & η≈0 22 Modello di un motore a c.c. ÎFunzione si trasferimento in approssimazione del 1° ordine ω (s) Kt G (s) = ≈ V (s) Ke • Kt + R • J • s Î Polo elettromeccanico: elettromeccanico spolo = - (Ke*Kt) / (R*J) Î Costante di tempo elettromeccanica: elettromeccanica τ = - (1 / spolo) = (R*J) / (Ke*Kt) ( Kt 1 ) Kt • Ke G( s) = ( Kt • K e + R • J • s) [ Kt • Ke Ke ⇒ G( s) = (1 + τ • s) ] 23 Modello di un motore a c.c. ÎFunzione di trasferimento in approssimazione del 1° ordine ( 1 L-1 ) Ke = ⇒ G (s) = V (s) (1 + τ • s ) ω( s ) ω 1 •[1 − exp( −t / τ )] Ke 40 35 Numericamente: Î τ=(R*J/Ke*Kt) ≅17.2ms Ke=0.0274V*s Kt=0.0274N*m/A L=2.75*10-6H R=4Ω J=3.23*10-6kg*m2 30 25 Y = 37.037*(1-exp(-x*58.14)) 20 15 10 5 0 0 0,02 0,04 0,06 0,08 t 0,1 24 Modello di un motore a c.c. Î Funzione si trasferimento G(s) ω Kt G= = V Ke •Kt +(R+L•s)•(η+J •s) Í...nell’ipotesi Nl=0 ⇒ K e • K t + R •η + R • J • s + L •η • s + L • J • s 2 = ( K e • K t + R •η ) + ( R • J + L •η ) • s + L • J • s 2 ω Kt ⇒G = = V (Ke • Kt + R •η) + (R • J + L •η) • s + L • J • s2 J • R 2 ⇓ Î Se η = 0 & L piccolo ( L << ) Î 4 • K t • K e ....cioe’ Na=0 Î poli in s: 1− x ≈ 1− − RJ ± (RJ) − 4LJKe Kt = 2LJ 2 s1,2 = Kt ω G= = V Ke • Kt + R• J • s + L• J • s2 x 2 4LJKe Kt R2 J 2 = R (−1± 1− 4LKe Kt ) ≈ R (−1± (1− 2LKe Kt )) R2 J R2 J 2LJ 2L 2L − RJ ± RJ 1− 25 Modello di un motore a c.c. Î Funzione di trasferimento G(s) Î poli in s: 1− x ≈ 1− − RJ ± (RJ) − 4LJKe Kt = 2LJ 2 s1,2 = x 2 4LJKe Kt R2 J 2 = R (−1± 1− 4LKe Kt ) ≈ R (−1± (1− 2LKe Kt )) R2 J R2 J 2LJ 2L 2L − RJ ± RJ 1− Î Polo elettromeccanico: elettromeccanico s1 = R K eK t 2 LK e K t ( − 1 + (1 − )) = − R2J RJ 2L Î Polo elettrico: elettrico R R R LK K R 2LK K 2LK K s = (−1− (1− )) = (−2 + ) = − (1− )≈− 2L 2L RJ RJ RJ L L e 2 2 t e 2 t e t 2 26 Numerologia: FdT se Nl=0 & Na=0 Î ω(s) Kt G(s) = = V(s) Ke • Kt + R • J • s + L • J • s2 c b a ∆ = b2 - 4ac = (RJ)2 - 4KeKtLJ Numericamente: Ke=0.0274V*s Kt=0.0274N*m/A L=0.1475H L=2.75*10-6H R=4Ω J=3.23*10-6kg*m2 ∆ = -52 x 10-9 < 0 2radici complesse coniugate ∆ = 1.7 x 10-10 > 0 2 radici reali distinte 27 Modello di un motore a c.c. Î Funzione di trasferimento G(s) ÎNella dinamica del motore, il polo elettromeccanico e’ dominante rispetto al polo elettrico [τem>>τel] Î Polo elettromeccanico: elettromeccanico Î Polo elettrico: elettrico s2 = K eK t RJ 1 ⇒ τ1 = − = RJ s1 K eK t 1 L = − = s2 R s1 = − R ⇒ τ2 L ω ω Numericamente: Ke=0.0274V*s Kt=0.0274N*m/A L=0.1475H R=4Ω J=3.23*10-6kg*m2 Numericamente: Ke=0.0274V*s Kt=0.0274N*m/A L=2.75*10-6H R=4Ω J=3.23*10-6kg*m2 t s1,2=-14.70 ± j 37.70 t s1=-58 s2=-1.45*106 (τ1=17ms τ2=0.7µs) 28 τ1 Î Ke ⇒ τ1 = Ke = RJ K eKt RJ = τ 1K t ( 7 . 8 Ω )( 0 . 214 Kgcm 2 )( 10 − 4 m 2 / cm 2 ) = ( 20 x10 − 3 s )( 9 Ncm / A )( 10 − 2 m / cm ) = 0 . 0927 ≈ 0 . 1Vs Numerologia: Kt τ J R L ωmax Î Ke ⇒ ω max = Ke V Ke V = = ω max 24 V ( 2300 giri / min) ( 2 π rad / giro ) ( 60 s / min) = 0 . 0996 ≈ 0 . 1Vs ωmax Nmax = 29 Numerologia: Kt τ J R L Νmax Î Kt K tV R N max R Kt = = V ( 27 x10 − 2 Nm )( 7 . 8 Ω ) = 24 V = 0 . 08775 Nm / A ≈ 9 Ncm / A ⇒ N max = ωmax Nmax 30 Logica di controllo per 2 fine corsa in una movimentazione monoasse [1/3] X0 X1 X2 x3 Y Y=1 se X0=1 Y=1 se X0=0 & X1=0 & x2=1 & x3=1 Y=1 se X0=0 & X1=1 & x2=0 & x3=0 0 31 Logica di controllo per 2 fine corsa in una movimentazione monoasse [2/3] Y=1 se X0=1 Y=1 se X0=0 & X1=0 & x2=1 & x3=1 X0 X1 Y X2 X3 Y=1 se X0=0 & X1=1 & x2=0 & x3=0 32 Logica di controllo per 2 fine corsa in una movimentazione monoasse [3/3] X0 X1 X2 x3 Y X2 X3 X0 X1 00 01 11 10 00 0 0 1 0 01 1 0 0 0 11 1 1 1 1 10 1 1 1 1 0 Y = X0 + X1*X2*X3 + X1*X2*X3 33 Circuito integrato pilota per motore DC PONTE-H ÍÎ LMD18200 34 Principio del “ponte H” [1/2] 35 Principio del “ponte H” [2/2] 36 PONTE-H ÍÎ LMD18200 11 10 OUTPUT 2 9 8 7 6 GROUND MOTOR POWER SUPPLY 3 PWM BRAKE DIRECTION 2 OUTPUT 1 5 4 1 PACKAGE: TO220 37 Diagramma a blocchi del ponte H: LMD18200T 38 PONTE-H ÍÎ LMD18200 39 PONTE-H ÍÎ LMD18200 40 0.01µF OUTPUT2 PWM BRAKE DIR 0.01µF µP OUTPUT1 41 I/O P3 I/O P5 42 PWM ADC µP DIR LMD 18200 OUT1 OUT2 43 44 provina_230204.bs2 '{$STAMP BS2} '{$PBASIC 2.5} a VAR Byte loop: DEBUGIN a DEBUG a GOTO loop END prova0_230204.bs2 '{$STAMP BS2} DIR3=1 DIR5=1 OUT3=1 treno: OUT5=1 PAUSE 5 OUT5=0 PAUSE 5 GOTO treno END prova1_230204.bs2 '{$STAMP BS2} '{$PBASIC 2.5} verso VAR Bit n VAR Word ' verso I/O P3 DIR3=1 ' impulso I/O P5 DIR5=1 ' tastiera: DEBUG " inserire verso 1 ==> orario 0 ==> antiorario ",CR,LF DEBUGIN verso ' n=1000 OUT3=verso treno1: n=n-1 OUT5=1 PAUSE 1 OUT5=0 PAUSE 1 IF n<>0 THEN treno1 ' GOTO tastiera 45 END prova2_180304.bs2 '{$STAMP BS2} '{$PBASIC 2.5} verso VAR Bit n VAR Word DIR3=1 DIR5=1 ' verso P3 ' impulso P5 ripeti: verso=1 n=500 OUT3=verso treno1: n=n-1 OUT5=1 PAUSE 1 OUT5=0 PAUSE 1 IF n<>0 THEN treno1 ' Versione “lenta” ' verso=0 n=500 OUT3=verso treno2: n=n-1 OUT5=1 PAUSE 1 OUT5=0 PAUSE 1 IF n<>0 THEN treno2 ' GOTO ripeti PAUSE 10 46