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Università degli studi di Roma Tor Vergata
Facoltà di Ingegneria
Corso di Laurea in Ingegneria Gestionale
Tesi di Laurea in Controlli Automatici
Candidato:
Enrico Maria Rossi
Relatore:
Prof. Salvatore Nicosia
Correlatore:
Ing. Luca Zaccarian
PROGETTAZIONE E REALIZZAZIONE DI UNA UNITÀ DI POTENZA MULTIUSO
PER IL CONTROLLO DI MOTORI A RILUTTANZA VARIABILE
TOR VERGATA
INDICE DELLA PRESENTAZIONE
1. PRELIMINARI
2. PROGETTAZIONE
3. REALIZZAZIONE DEL PROTOTIPO
4. SISTEMA DI INTERFACCIAMENTO
5. APPLICAZIONI SPERIMENTALI
PRELIMINARI
• Ottimizzare il transitorio di corrente tarando i guadagni di un controllore hardware.
PROGETTARE E REALIZZARE UNA UNITÀ DI POTENZA VERSATILE :DISPOSITIVO HARDWARE CHE, IN BASE A TENSIONI DI RIFERIMENTO,È IN GRADO DI
SCOPO DELLA TESI
• Imporre (regolare) la corrente che fluisce in un motore elettrico.
– TRIFASE / MONOFASE
– MONOPOLARE / BIPOLARE
• Restituire una misura accurata della corrente che transita nell’avvolgimento.
RIFERIMENTIDI
TENSIONE
UNITÀDI
POTENZA
PRELIMINARI
Topologia del convertitore : SEMIPONTE ASIMMETRICO TRIFASE
Tecnica di VOLTAGE CHOPPING
Controllando il duty-cycle di questa commutazione ad alta frequenzaè possibile imporre l’andamento della corrente.
F AS E A F AS E B F AS E CE A
C
TRIFASE MONOPOLAREMONOFASE BIPOLARE
F A S EV D C C
TA H
TA L
TB H
TB L
SB A
SA B
F AS E AV D C
TA H
TB L
TB H
TA L
• PWM : è un segnale di impulsi ad alta frequenza con ampiezza e frequenza costanti in cui la durata dell’impulso (duty-cycle) è modulabile.
P W M s ign a l
Vc c
Vc c
T
C O N T R O L
T T T
d uty - c yc le
IL MODELLO MATEMATICO
; 0 - e e V 1 - eV
1 - eR
1 Max I τ
pd
τ
p
τ
pd
τ
p S* )()(
)(
)1()( ))((
)( )(
00
),(
)(
k p t dkse p R
Ve
R
V,kdkp I
dk p t se pk
R
Ve
R
Vp,k I
se t
ktI
kS
dkptS
k
k
pkt
k
),()( ktItI )1(,...,0 Nkp
mN
onealimentazi di tempo m
PWM segnale del ciclo esimo-k al relativo cycle-duty kd
) μs 40 ( PWM segnale del periodo p
PROGETTAZIONE
PROGETTAZIONE
1. AMPLIFICATORE DIFFERENZIALE
2. CONTROLLORE PID
3. FEEDBACK DI CORRENTE
V c c +
V c c -
V R E F
V S E N S O R
V u
R
R
R f
R f
CIRCUITO DELLAMPLIFICATORE DIFFERENZIALE
8 7 6 5
4321
LF 3 5 3
Vc c +
Vc c -
V c c
M AS S A VIR T UALE 5 Vo lt
S EG NALE R IS ULT ANT EDALLA DIF F ER ENZA T R AR IF ER IM ENT O E S ENS O R EDI C O R R ENT E
8 7 6 5
4321
LF 3 5 3
Vc c +
Vc c -
R S
R S
R S
R S
S P
S IS D
R F
C F
R I
R DC I
C D
R P 1R P 2
C A C B C A C B
C B C C
P W MS tage
CIRCUITO DEL CONTROLLORE PID
Control Stage
++PIDPID
CONTROLCONTROL
CURRENTCURRENTFEEDBACKFEEDBACK
__
CIRCUITO DEL BUFFER
8
7
6
54
3
2
1LF 3 5 1
Vc c +
B A L 1
B A L 2
N C
Vc c -
Vc cSEN SO R E D IC O R R EN TE
FILTR O
SENSORE DI CORRENTE
PROGETTAZIONE
1. TRIGGER GENERATOR
2. PWM GENERATOR
3. DELAY GENERATOR
PWM Stage
PWMPWMGENERATORGENERATOR
DELAYDELAYGENERATORGENERATOR
TRIGGERTRIGGERGENERATORGENERATOR
CIRCUITO DEL TRIGGER GEN.
O utputStage F /F
8
7
6
5
1
2
3
4
C o m p1
C o m p2
T r
R
V ref
G N D
TR G
O U TP U T
R ESET
Vc c
TH R ES
C O N TR
D ISC H
N E 5 5 5
Vc c
T R IG G ER d ei 3P W M generato rs
R R
R A
R B
C
P 1 P 2
AB
CIRCUITO DEL PWM GENERATOR
O utputStage F /F
8
7
6
5
1
2
3
4
C o m p1
C o m p2
T r
R
V ref
G N D
TR G
O U TP U T
R ESET
Vc c
TH R ES
C O N TR
D ISC H
N E 5 5 5
Vc c
P O W ERC O NVER T ER
T R IG G ER
P IDC O NT R O LLER
R R
R E
R A
R B
C
E
B
C
IC
T
P 1 P 2
AB
CIRCUITO DEL DELAY GEN.
R A
R B
C A
C B
INP UT
o u tp u t A
D
1 2 3 4 5 6
1 3 1 2 11 1 0 9 8
7
1 4
H E F 4 0 1 0 6
V cc
o u tp u t B
V D D
V S S
PROGETTAZIONE
1. HALF BRIDGEPower Stage
HALFHALFBRIDGEBRIDGE
CIRCUITO DEL SEMIPONTE
R G
P IL O TA G G IO
D I T H E T LD B
1
2
3
4
5
6
1 3
1 2
11
1 0
9
8 7
1 4
IR 2 1 1 3
H O
V C C
V S S C O M
L O
V D D
H IN
L IN
S D
V B
V S
F A S E
E A
V c c
R G
R
D H
D L
T H
T L
T A
D
T B
C B
D G
D G
C H
C
REALIZZAZIONE DEL PROTOTIPO
• Generatore di trigger
• Generatore di PWM
• Generatore di ritardo
Scheda di Controllo1. CONTROL STAGE
2. PWM STAGE
• Amplificatore differenziale
• Controllore PID- azione proporzionale
- azione integrativa
- azione derivativa
• Saturatore
Scheda di Potenza
REALIZZAZIONE DEL PROTOTIPO
• Circuito integrato IR2113
• Circuito di Bootstrap
• Circuiti di protez. second.
1. CONTROL STAGE
3. POWER STAGE
• Circuito second. per la configurazione bipolare
• Feedback di corrente- sensore Hall-effect
- buffer del sensore
• MOSFET IRF450P
• Diodi HFA08TB60
REALIZZAZIONE DEL PROTOTIPO
Prototipo completo
IL SISTEMA DI INTERFACCIAMENTO
Interazione in real - time Interazione in real - time
SimulinkSimulink
( Matlab )( Matlab )
ADC #1
ADC #2
ADC #3
ADC #4
DS1102ADC
DAC #1
DAC #2
DAC #3
DAC #4
DS1102DAC
ComputerComputer
Unità di potenzaUnità di potenza
Macchina elettricaMacchina elettrica
Scheda di Scheda di
Conn. 62 pins
dSpacedSpaceDS 1102DS 1102
interfacciamento interfacciamento
APPLICAZIONI SPERIMENTALI
ESP. SUL MOTORE SR
1. SR quad
2. SR sin6
3. SR sega
1. DC quad
2. DC sin
3. DC sega
ESP. SUL MOTORE DC
A. DC controllore P
B. DC controllore PID
MOTORE ARILUTTANZA
YS3040GN501NSK
VARIABILE ( SR )
MOTORE INCORRENTE
ESA – 3SMotor Power Company
CONTINUA ( DC )
APPLICAZIONI SPERIMENTALI
1. ESPERIMENTO
SR quad
APPLICAZIONI SPERIMENTALI
2. ESPERIMENTO
SR sin6
APPLICAZIONI SPERIMENTALI
3. ESPERIMENTO
SR sega
APPLICAZIONI SPERIMENTALI
1b. ESPERIMENTO
DC quad
APPLICAZIONI SPERIMENTALI
1b. ESPERIMENTO
DC quadCON CARICO INERZIALE
APPLICAZIONI SPERIMENTALI
2. ESPERIMENTO
DC sin
APPLICAZIONI SPERIMENTALI
3. ESPERIMENTO
DC sega
APPLICAZIONI SPERIMENTALI
A. ESPERIMENTO
DC controllore P
• STATISMO a regime
riduzione dell’errore a regime
aumento della sensibilità al rumore
AUMENTO DEL GUADAGNO k P
EFFETTI DOVUTI AD UN
APPLICAZIONI SPERIMENTALI
B. ESPERIMENTO
DC controllore PID
• ASTATISMO a regime
Maggiore rapidità nella risposta
AUMENTO DEL GUADAGNO k I
EFFETTI DOVUTI AD UN
Elevata reiezione al rumore
CONCLUSIONI
• PROGETTAZIONE E REALIZZAZIONE DELL’ UNITÀ DI POTENZA
• SPERIMENTAZIONE DI CONTROLLORI HARDWARE A BASSO LIVELLO
• VALIDAZIONE SPERIMENTALE DEI RISULTATI
• STRUMENTO UTILIZZABILE PER LA SPERIMENTAZIONE DI TECNICHE DI CONTROLLO AD ALTO LIVELLO
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