Cuprins

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Extras din document

Introduzione
Capitolo 1
Il motore riluttanza
1.1 Introduzione
1.2 Aspetti costruttivi e principio di funzionamento della macchina a riluttanza
1.3 Caratterizzazione magnetica del motore
Capitolo 2
Il sistema hardware e software utilizzato
2.1 Introduzione
2.2 Il motore utilizzato
2.3 Stadio di potenza
2.4 Il resolver
2.5 Hardware di controllo
2.6 Controllo digitale del motore
Capitolo 3
Il controllo sensorless
3.1 Introduzione
3.2 Determinazione della posizione angolare dalle grandezze elettriche
3.3 Metodo di stima per lalta velociti
3.4 Metodo di stima per la bassa velociti
3.5 Combinazione dei due metodi
3.6 Azionamento sensorless
3.7 Azionamento sensorless ottimizzato
Capitolo 4
Simulazione dello schema sensorless
4.1 Introduzione
4.2 Parti principali dello schema di simulazione
4.3.Risultati ottenuti dalla simulazione
4.4 Conclusione
Capitolo 5
Risultati sperimentali
5.1 Introduzione
5.2 Metodo di stima basato esclusivamente sullintegrale di tensione
5.3 Controllo sensorless completo
5.4 Controllo sensorless completo ottimizzato
5.5 Confronto tra azionamento sensorless e con resolver
Capitolo 6
Aspetti energetici e ripple di coppia
6.1 Introduzione
6.2 Sistema di misura
6.3 Sistema di acquisizione dati
6.4 Elaborazione delle misure
6.5 Efficienza
6.6 Ripple di coppia

Alte date

?Capitolo 1 Il motore a riluttanza?Introduzione

I moderni motori sincroni a riluttanza a laminazione trasversale possono offrire in un azionamento diversi vantaggi rispetto ad altri motori a.c.. I principali punti a favore di questa scelta sono il basso costo, la predisposizione al deflussaggio e la larga sovraccaricabilità di questa macchina. Inoltre si è dimostrato che la struttura del rotore del tipo a laminazione trasversale con molteplici barriere di flusso si rivela vantaggiosa rispetto al rotore di tipo a laminazione assiale. In aggiunta l’evidente facilità costruttiva facilita lo skewing del rotore. Ora nelle applicazioni industriali l’impiego dei motori a riluttanza è limitato agli azionamenti ad alte prestazioni e di conseguenza il trasduttore sull’albero è tacitamente accettato. Tuttavia la disponibilità di una tecnica di controllo sensorless attendibile ed affidabile può estendere l’applicazione di questo tipo di motore ad un largo mercato per applicazioni generali a basso costo, introducendo così sul mercato un efficiente e versatile concorrente.

Con il presente lavoro di tesi ci si propone di realizzare una nuova tecnica di controllo sensorless basata su un osservatore di flusso .

Nel primo capitolo viene descritto il motore a riluttanza, in particolar modo la macchina con rotore a segmenti, che è quella da noi utilizzata, evidenziandone le caratteristiche utili alla decodifica dell’informazione di posizione e quelle che possono creare difficoltà durante tale operazione. Inizialmente viene descritto un modello di prima approssimazione della macchina e successivamente un modello magnetico più rigoroso che tiene conto sia della saturazione magnetica sia dell’interagenza magnetica tra l’asse di magnetizzazione e l’asse di quadratura. Infine è proposto il metodo di misura impiegato per ricavare tale modello.

Nel secondo capitolo è descritto il controllo, in particolare la parte hardware, costituita da motore, inverter, resolver PC e schede di acquisizione ed elaborazione dati; la parte software consta di un programma in C standard scritto per il controllo con resolver. Tale programma è stato quindi elaborato e modificato per adattarlo agli scopi del nostro lavoro.

Nel terzo capitolo viene descritto nel dettaglio la nuova tecnica di controllo sensorless mettendo in evidenza i due metodi utilizzati, quello per la bassa velocità che prevede l’iniezione di un segnale di disturbo ad alta frequenza sul flusso di macchina e quello per l’alta velocità che si basa sull’integrale di tensione, e la strategia impiegata per combinare i due metodi. Inoltre si riporta una strategia di controllo basata sulla massimizzazio della coppia come funzione della corrente utilizzata (massimo kt).

Il capitolo quarto riporta una simulazione del sistema completo motore più controllo ed i risultati ottenuti.

Nel capitolo quinto si sono riportati i risultati ottenuti nelle prove sperimentali, mettendo in evidenza le prestazioni in dinamiche , la presa di carico, la procedura di start-up e la realizzazione dell’anello di posizione.

Nel sesto ed ultimo capitolo ci si preoccupa di valutare le perdite nel ferro e il ripple di coppia sia implementando un controllo sensorless sia implementando un controllo con resolver.

Capitolo 1

Il motore riluttanza

1.1 Introduzione

In questo primo capitolo verrà fornita una descrizione qualitativa del motore a riluttanza, che nell'ultimo decennio ha subito importanti modificazioni, fino a proporsi come valida alternativa a motori ben conosciuti e sperimentati come il motore ad induzione ed il motore brushless a magneti permanenti.

Questo sviluppo è dovuto ad un miglioramento delle tecniche di progettazione, che ha portato all'individuazione di nuove strutture – diverse da quella classica simile alla struttura usata negli alternatori, che non poteva fornire caratteristiche di coppia e rendimento accettabili – adatte ad un impiego in azionamenti ad alte prestazioni. Un ruolo altrettanto importante lo ha giocato la sofisticazione delle tecniche di controllo e di modulazione.

Il motore viene presentato mostrando i diversi tipi di macchine a riluttanza, con particolare attenzione per quelli più adatti a fornire alte prestazioni. Viene, quindi descritta la struttura generale dello statore e del rotore di questi ultimi, indicandone le caratteristiche peculiari. Infine è riportata la caratterizzazione magnetica del motore e le modalità impiegate per ottenerla.

1.2 Aspetti costruttivi e principio di funzionamento della macchina a riluttanza

I motori a riluttanza possono essere suddivisi in due famiglie: macchine a Riluttanza Variabile (switched-reluctance o VR motor) e macchine Sincrone a Riluttanza (SyncR).

Il primo tipo di motore è caratterizzato da una notevole semplicità costruttiva e da un costo molto basso, ma possiede problemi quali un’alta pulsazione di coppia, rumore acustico, esigenze di traferri particolarmente ridotti e, in determinate situazioni, perdite elevate. Queste caratteristiche negative ne hanno limitato la diffusione solo a certe applicazioni particolari e non lo rendono adatto all’uso come servomotore, per cui verrà omessa una descrizione dettagliata.

1.2.1 Il motore Sincrono a Riluttanza

Questo tipo di macchina è quello che abbiamo utilizzato per il nostro lavoro. Avendo una configurazione fisica sostanzialmente diversa dal motore VR, presenta problemi minori e può essere sfruttata per applicazioni ad alte prestazioni.

E’ un motore relativamente nuovo nell’ambito dell’automazione, poiché solo sviluppi abbastanza recenti, che lo hanno modificato anche profondamente nella morfologia, sono stati in grado di renderlo competitivo, portandolo oggi a superare il motore ad induzione come prestazioni generali.

Come per la macchina a riluttanza variabile, il principio di funzionamento è basato sul concetto di coppia di riluttanza, cioè coppia generata dall’anisotropia magnetica del rotrore. Nel motore SyncR, però, esiste una sola direzione di minima riluttanza ed una di massima per ogni paia-polo. Vediamo ora le caratteristiche fisiche che possiede questo motore per generare tale coppia.

1.2.1.1 Lo statore

Lo statore del motore a riluttanza è simile a quelli del motore ad induzione e del motore brushless. Sulla sua superficie interna si osservano le cave in cui vengono alloggiate le matasse degli avvolgimenti delle tre fasi, in modo da generare una forza magnetomotrice distribuita, idealmente, in maniera sinusoidale. Dal momento che, a differenza del motore ad induzione, il rotore del SyncR non reagisce, attenuandole, alle armoniche superiori di f.m.m., la disposizione dei conduttori è particolarmente curata, per evitare l’ondulazione di coppia. Gli avvolgimenti sono, infatti, realizzati col cosiddetto passo raccorciato, il quale consiste nel distribuire la matassa di ogni fase in più cave adiacenti, al fine di creare al traferro un campo magnetico rotante contenente, in modo più preciso possibile, solo la prima armonica e le sue multiple di tre (distribuzione ad ‘elmo’), come si può osservare in Fig. 1.1.

Fig. 1.1 Distribuzione dei conduttori delle tre fasi e densità relativa alla fase tratteggiata.

Queste armoniche superiori consentono di aumentare il valore di picco della componente fondamentale della f.m.m. ma non influiscono sulla coppia, poiché, essendo gli avvolgimenti collegati a stella senza neutro, la terza armonica di corrente e le sue multiple non possono circolare.

La distribuzione ideale di conduttori di una fase è riportata in Fig. 1.2 Qualunque sia la sua forma, la sua ampiezza è sempre N/2p, dove N è il numero di avvolgimenti per fase e p il numero di paia-poli.

Fig. 1.2 Distribuzione ideale dei conduttori di una fase e prima armonica della distribuzione.

Con questa forma particolare, però, si ha una prima armonica, che è l’unica che interviene nella generazione della coppia, ampia (2/)N/2p, quindi un valore di coppia maggiore del 15% rispetto a quello ottenibile con una distribuzione di conduttori ideale perfettamente sinusoidale.

1.2.1.2 Il rotore

Osservando la struttura del rotore della macchina a riluttanza riportato in Fig. 1.3, si può notare che esso è costituito da segmenti metallici separati da un traferro.

Fig. 1.3 Struttura generica di macchina sincrona a riluttanza a due poli.

Esistono, quindi, due direzioni fondamentali per il flusso: una di minima riluttanza lungo la direzione longitudinale del ferro, l’altra di massima riluttanza che attraversa i tratti in aria.

L’asse di minima riluttanza, cioè quello che permette il massimo passaggio di flusso, è detto Asse Diretto o Asse D, mentre l’asse di massima riluttanza, essendo ruotato di novanta gradi rispetto al primo, è detto Asse di Quadratura o Asse Q.

La particolare struttura a segmenti è necessaria per ottenere due fondamentali requisiti:

? Il flusso in asse diretto deve poter transitare attraverso l’intera superficie polare, per ottenere una grossa induttanza di magnetizzazione;