Appunti di Tecnologie per l'automazione e la robotica - Seconda parte, Appunti di Automazione Industriale

Scarica Appunti di Tecnologie per l'automazione e la robotica - Seconda parte e più Appunti in PDF di Automazione Industriale solo su Docsity! ds TECNOLOGIE PER L'AUTOMAZIONE E LA ROBOTICA APPUNTI x 11/11/2020 CONVERTITORI C.C.-C.C. ELEVATORI DI TENSIONE (BOOST CONVERTERS) . Lo schema di un convertitore boost è riportato in figura . I componenti impiegati sono gli stessi che per un convertitore buck, ma cambia la posizione dell'interruttore S, del diodo D e dell'induttore L . Anche in questo caso il funzionamento del circuito è governato dalle aperture e chiusure dell'interruttore S. o Quando S è chiuso (Ton), l'induttore L è direttamente sottoposto alla tensione di alimentazione Ul e quindi la sua corrente cresce: si ha dunque un accumulo di energia magnetica in L. Quando S viene aperto (Tfr), la corrente dell'induttore si chiude attraverso il diodo D e i l cappio costituito dal condensatore di filtro C e il carico R, che anche qui è stato considerato (per semplicità) resistivo. Si ha dunque trasferimento di energia dalla sorgente di alimentazione e dall'induttore L verso il carico. . Le varie fasi relative all'avviamento del circuito sono del tutto simili al caso precedente. Interessa invece studiare la situazione di regime che viene a costituirsi, per determinare le caratteristiche di regolazione del convertitore . A tal fine si supponga innanzitutto che il circuito funzioni a frequenza costante, cioè che valga anche in questo caso la relazione Ton+ Toff= T conTon= conduzione interruttore Tof;= interdizione interruttore * Una possibile situazione di funzionamento di regime è allora mostrata in figura: () * La variazione subita da i, durante Ton deve essere uguale e contraria a quella riscontrabile durante Toff * Supponendo, come nel caso precedente, che i 1 filtraggio operato dal condensatore C sia adeguato, la tensione di uscita del convertitore può ritenersi costante e pari a U2 * Si osservi ora che durante la fase di chiusura dell'interruttore (Ton) la tensione applicata all'induttore risulta: u,=U1 positiva A 7 ll gate ha la funzione di elettrodo O de di controllo [Pea È Circuito equivalente: due © transistor in retroazione positiva * Sel’anodo è portato ad un potenziale positivo rispetto al catodo senza che alcuna corrente venga iniettata nel gate, i transitor restano entrambi interdetti *. Nonappena una corrente viene iniettata nel gate, essa viene amplificata dai due transistor in retroazione positiva e viene rinforzata, provocando l’innesco del dispositivo * Intempobrevissimoi due transistor passano dallo stato di interdizione a quello di saturazione automantenuta, dal quale il dispositivo esce quando la corrente anodica scende al di sotto di un valore /n, relativamente basso, detto corrente di mantenimento (holding) * UnS.C.R. può essere considerato come un interruttore che può condurre in un’unica direzione e di cui è possibile comandare, mediante un opportuno segnale applicato all’elettrodo di controllo (gate), solamente l’innesco e non lo spegnimento. Quando il dispositivo è in conduzione il suo comportamento è del tutto analogo a quello di un diodo e non è più influenzato dalla tensione o dalla corrente applicata all’elettrodo di controllo, ma solo da l circuito di alimentazione al quale esso è connesso * Sitrovanoin commercio S.C.R. da 4 MW (2400 A, 1600 V); alcuni componenti speciali per sistemi di trasmissione dell’energia elettrica arrivano a 10000 V (e 400 A) Caratteristiche statiche S.C.R.: Per descrivere dettagliatamente il funzionamento di un S.C.R. si utilizzano le seguenti caratteristiche: — Caratteristica anodica (o caratteristica esterna) — Caratteristica dell’elettrodo di controllo (o caratteristica di gate) Caratteristica anodica (o caratteristica esterna) Rappresenta l’andamento della corrente anodica /a in funzione della tensione Vac applicata fra anodo e catodo 4 | |3 Zona di interdizione diretta o conduzione corrente di innesco sone d . rente di mantenimento interdizione » V, = tensione di breakover inversa * V,= tensione di breakdown Tratto 1 della caratteristica Supponiamo di mantenere nulla la corrente di gate e di polarizzare inversamente il dispositivo > portare l’anodo negativo rispetto al catodo (in ta 1 modo le due giunzioni esterne risultano polarizzate inversamente). Così alimentato 1’S.C.R. è in stato di interdizione e si comporta come un diodo al silicio con polarizzazione inversa: fra anodo e catodo viene a circolare una corrente molto piccola dell’ordine, appunto, della corrente inversa dei diodi. Se la tensione di polarizzazione inversa raggiunge (in valore assoluto) un certo valore V1 (detto di rottura — tensione di breakdown), che è caratteristico del particolare S.C.R. in esame, la corrente comincia a crescere rapidamente (in valore assoluto) mentre la caduta tra anodo e catodo si mantiene praticamente costante (corrente elevata — tensione elevata + forte dissipazione di potenza). Il dispositivo si comporta come un diodo Zener, anche se è bene tener presente che, in generale, questi componenti non sono progettati per funzionare in questo modo e, quindi, la scarica può anche essere tale da distruggere 1’S.C.R. per perforazione di una delle due giunzioni. Tratti 2-3 della caratteristica Se, invece si polarizza 1°S.C.R. direttamente (con l’anodo positivo rispetto al catodo - nulla la corrente di gate) e se la tensione anodica viene incrementata lentamente la corrente Ia rimane inizialmente dell’ordine della corrente inversa di un diodo (tratto 2 della caratteristica). Anche in questo caso, esiste una tensione di rottura V7 oltre la quale la corrente cresce rapidamente fino ad un valore I», detto corrente di innesco (o di accensione), dopo di che si ha, appunto, l’innesco. Innesco: la caduta di tensione tra anodo e catodo si riduce fortemente (diventa dell’ordine d i quella che si ha ai capi di un normale diodo al silicio in conduzione diretta) e, successivamente, cresce con un andamento analogo a quello di un diodo in conduzione (tratto 3 della caratteristica, corrispondente alla zona di alta conduzione) Supponiamo ora di applicare all’elettrodo di controllo una tensione positiva in modo da iniettare una corrente /y nel componente: la caratteristica inversa non si modifica, ma la tensione diretta con la quale si passa in conduzione si abbassa in misura tanto più forte quanto più grande è la corrente iniettata. Per un opportuno valore di /g, che dipende dal tipo di S.C.R. utilizzato, l’innesco avviene appena la tensione anodica diventa positiva e l’intera caratteristica dell’S.C.R. diventa simile a quella di un diodo. Avvenuto l’innesco e se il carico è tale da permettere alla corrente anodica di mantenersi superiore ad un certo valore In , detto corrente di mantenimento, 1° S.C.R. si mantiene in zona di alta conduzione anche se la corrente di controllo viene annullata; ciò significa che, una volta avvenuto l’innesco, la corrente di controllo non ha più alcuna influenza sul passaggio della corrente anodica. Conclusione: 1°S.C.R. viene utilizzato in un intervallo di tensioni compreso fra —V1 e V2 e, quando la tensione anodica è positiva, può essere posto in conduzione per mezzo di un impulso di corrente iniettato nel gate. L’iniezione di corrente positiva o negativa nel gate quando la tensione anodica è negativa non produce alcun effetto. Affinché 1°S.C.R. inneschi la corrente anodica deve superare un dato valore /» (corrente di innesco — latching). La derivata della tensione anodica dVac/ dt non deve superare un certo valore critico, dato che per effetto delle capacità parassite nel dispositivo, si potrebbe avere iniezione di corrente nel gate e quindi autoinnesco. A Con questa semplice soluzione si hl ; ; f possono evitare autoinneschi da c [Come dispositivo di regolazione di potenza può essere impiegato in due diversi modi: | o con alimentazione in alternata (rettificatori e amplificatori di potenza) / be S.C.R. lenti (usati in genere con 7 spegnimento naturale) presentano un È l'impiego tempo di spegnimento compreso tra fipico DLE « alcune decine di us (S.C.R. piccole o le potenza) e diverse centinaia di us La potenza fornita al carico si può Si ha lo spegnimento automatico ad ogni semiperiodo - I'SCR si trova variare agendo sull'angolo di innesco Periodicamente soggetto ad una tensione inversa che ne provoca o con spegnimento forzato automaticamente lo spegnimento de con mento sto S.C.R. veloci (usati in genere con spegnimento Condensatore PF forzato - controtensione fra anodo e catodo) che De T_ f- presentano tempi di spegnimento che possono opportuna # c variare da 1 us a 40-50 us Per il dimensionamento degli elementi di raffreddamento ammissibile: vengono di regola forniti un grafico del tipo di fig. 2, che fornisce la potenza dissipata in funzione dell'angolo di conduzione e della corrente media e un grafico del tipo di fig. 1, che fornisce la massima temperatura consentita per il contenitore metallico dell'SCR sempre in funzione dell'angolo di conduzione e della corrente media. Fig. 1: massima È temperatura del contenitore in funzione dell'angolo di conduzione Grafici per la temperatura del contenitore Fig. 2: potenza dissipata in funzione dell'angolo di & SE Tali grafici consentono il progetto | - Tr: — AS2 Grafici per la s 7, potenza dissipata Supponendo che la temp max è 60 e l'angolo di conduzione 30°; T=60° -> 1=8A teta=30 deg — Valore di picco della tensione compreso tra 1000 V e 1500 V — Valore efficace della corrente inferiore a 100 A * Iltriac, inoltre, presenta il vantaggio, rispetto alla realizzazione con S.C.R., di essere integrato in un unico elemento e di possedere un unico elettrodo di controllo. K G.T.0. * Gli S.C.R. sono componenti di cui è possibile comandare, mediante l’elettrodo di controllo, solo, l’innesco * Per quanto riguarda lo spegnimento, invece, ad eccezione del caso in cui si lavori in c.a., l’unico modo per portare 1° S.C.R. dallo stato di conduzione a quello di interdizione è quello di agire sulla corrente anodica, cioè sulla parte di potenza del dispositivo — questo è uno svantaggio notevole soprattutto quando si deve lavorare a potenze molte elevate * Perrisolvere tale problema sono stati realizzati i G.T.O. + particolari S.C.R. ne i quali è possibile interrompere la condizione agendo sull’elettrodo di gate * Possonoessere completamente controllati con comandi di piccola potenza senza che si debba intervenire sulla parte del dispositivo a potenza elevata Voltage rating sw | Voltage, current and frequency ratings of power semiconductor devices / sel tropo Current rating MOSFET: Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor IGBT: Insulated Gate Bipolar Transistor SCR (or Thyristor): Silicon Controlled Rectifier GTO: Gate Tum Off thyristor RADDRIZZATORI (RETTIFICATORI) * Iraddrizzatori sono circuiti mediante i quali è possibile ottenere in uscita potenza in c.c. utilizzando un’alimentazione c.a. * Il valore medio della tensione continua d’uscita viene controllato parzializzando opportunamente la tensione d’ingresso, ovvero variando l’istante (cioè la fase) in corrispondenza del quale inizia la conduzione * Iraddrizzatori sono usati ad esempio per l’alimentazione di inverter, per il controllo di motor iinc.c.,... Rettificatori a semplice semionda e =Ea sanwk e = e x ela Te Zo «Re orco peromente Î I rescstico or Ve e i Per quanto riguarda i tipi di tiristori utilizzati Va ili o x nei raddrizzatori, attualmente essi sono quasi wi i 1 A «oe esclusivamente degli SCR e ciò perché, i _ essendo l'alimentazione in alternata, gli SCR + possono venir spenti in modo naturale dalla stessa tensione di alimentazione NOTA: È sostanzialmente un circuito nel quale la potenza in uscita viene ottenuta utilizzando (in tutto o in parte) solo una delle due semionde dell'alimentazione Valor medio della tensione applicata al carico: , ar © = £ | Ea sot dust » E2 teca) de ° K rebzune non (mese pò essere res (these _medonde opportune cre A. arte ) 7 - In genere non è necessario ricorrere a questo tipo di soluzioni nei casi in cui l’amplificatore di potenza è inserito in un controllo a retroazione, dato che, la retroazione attenua le non linearità dei componenti. L Ve2 P:= rR conP:=potenzaalcarico eV.= valore efficace 1 .T E 2a. V_| E2sen2wt dut = 0V - a sen 20; a V.= 2 4; 2vn 2 La dipendenza dei valori medi della tensione e, quindi, della corrente di uscita dal valore della fase di innesco spiega perché i raddrizzatori controllati realizzati con tiristori siano chiamati amplificatori a controllo di fase. 10 ZI Ki; w ipod - Le - -_i Ea cssot| 7 At cn) = i LA Ù La 2 2 (44 08 = za“ + Ss is) Abbiamo ottenuto la prima equazione. 2É Valore efficace Ve (come si trova l’equazione): 11 di VM aL VI = Ri + Vo V V dt IV Va Ls L Va _ Ls = _°_ E=5 Vit») R+bs t+ie 14 Carico resistivo e induttivo <A as:= angolo di spegnimento risulta> 7 «È questo untipico caso in cui lo spegnimento dell’SCR dipende non solo dall’alimentazione, ma anche dal carico In queste condizioni, infatti, 1’SCR non può più spegnersi, come nel caso di carico solo Iesistivo, al successivo passaggio della tensione di alimentazione per lo zero in quanto nel circuito continua a circolare corrente a causa della controtensione dovuta all’induttanza (mantiene il catodo ad un potenziale più basso dell’anodo e 1’ SCR non si spegne) L’angolo as in corrispondenza al quale si ha lo spegnimento (detto, appunto, angolo di spegnimento) risulta, quindi, maggiore di 7 Perm <wt < asla tensione vc ai capi del carico assume valori negativi e circa uguali a quelli della tensione di alimentazione in quanto, in questo intervallo, la corrente continua a scorrere dall’anodo al catodo dell’ SCR con caduta praticamente nulla Dr « N 27 Vil med Assume valori negativi 7 fas — — Vo e A { Casnwt dut = SE I; ca cesstz R nubore nrpeto aloso puromerde resetivo Ns Ks _ ( a ccà = r\L Es |- - 1 Ea set laut - x uv Ki Ea ( _ 003% + 650) Ca Il valore medio risulta inferiore a quello che si ha nel caso di carico puramente resistivo a causa del fatto che l’angolo di spegnimento, in questo caso, risulta maggiore di x e, quindi, la funzione Easen wt che compare sotto l’integrale che fornisce il valor medio assume anche valori negativi Per determinare il valore medio di V; è necessario conoscere as Per ricavare tale valore si può, per esempio, determinare l’andamento della corrente ic(t) e, quindi, noti &; ed i parametri del circuito (+, L, R) ricavare as come l’angolo per il quale ic(t) risulta nulla (complesso da risolvere) — la determinazione di &s in genere è effettuata per via numerica Vengono forniti dei grafici, costruiti numericamente, che forniscono il valore di as in funzione di oi per alcuni valori del parametro wL/R del carico Z= R + jwL Valore di a, in funzione di a; per alcuni valori del parametro wL/R NOTA: anche nel caso più sfavorevole non accade mai che l'angolo Andamenti nel gs di spegnimento risulti superiore a 2x, la cosa è rilevante in quanto, dj tempo della corrente diversamente, l'SRC rimarrebbe costantemente acceso e, quindi, ; ; i di non sarebbe più possibile continuare a controllare il valore medio i, per vari valori di a, > ; È î i si della tensione di uscita variando l'angolo d'innesco >il circuito, cioè, si comporterebbe come se fosse costituito da semplici diodi a;=0 «— Per un dato valore del carico Per aumentare tale valor medio (e diminuire la potenza media dissipata nell’S.C.R.) ma soprattutto per avere una tensione al carico con un contenuto di distorsione minore, si introduce un diodo di libera circolazione: d libera uruolatione : i Il diodo di libera circolazione presenta il vantaggio di diminuire l'ondulazione di corrente e tensione al carico e la potenza media dissipata nell'SCR Pe d Par il diodo entra in conduzione quando la tensione di alimentazione cambia segno, mentre 1’ SCR si spegne. 16 Lp) pr 19 L& la festa a) Un in yptsso Siama3o Van: A se (04) > = A a > AG 2 Tio WigNa= A EI St ST+% L £ 05 S4 î (s- <5)(<+36) Cc. ci Ca 2 + TT, 7 5 S+- 4 £L - 4 Z A 7 A Ei: 359+7 254 30+7 20 2 A t_ BS 7 agat 54 SOT \_ -\ A = _w(-33) x & _ Ca 5 20 (s+ o & 7 LAÒ ni \ta R 2 Ka St S=-T _ L _ = Gua AL è -î 2° TT" 21 Rettificatore a doppia semionda con trasformatore a presa intermedia: aci je Costituito da due SCR funzionanti alternativamente A nf e durante un semiperiodo delle tensione di alimentazione uu Fa 7 e; n il . i ve ca - Ea senust = | E led 4 x Ed ls 1 +- SE 7 Be-Re _ JI no L'SCR-A viene portato in conduzione L'SCR-B viene portato in conduzione rescstio in corrispondenza di un angolo a, in corrispondenza di un angolo a, + x e, e. ue! si EE voler media» (varia con a, ) < delatencame. si coppe — ut respetto Ad cos di rehfizotore ò semplice serbo ————t —26a Dovuta alla controtensione indotta nella parte 1 del secondario per la brusca variazione di corrente che scorre nella parte 2 del secondario quando inizia la conduzione dell’SCR-B Il comportamento del raddrizzatore a semionda coincide con quello del raddrizzatore a doppia semionda a meno del fatto che, per quest'ultimo, si riesce a sfruttare entrambe le semionde della tensione di alimentazione anche per nua esiste un rent smmetrao _ sr si Si -4 |) Tastinust dust > 2 (+00) mi. = x Valore medio doppio rispetto a quello relativo al circuito a semplice semionda = 1 ( E? sen? = e fra + nu Vv ViS Eîsen ot dot =<Vm d4+T Valor efficace della tensione v: superiore al caso di circuito a semplice semionda di un fattore V2 Ve valor efficace; 24 Pc = «Potenza al carico doppia Carico resistivo e induttivo: in questo caso si ha un angolo di spegnimento as E [1,27) Si hanno due comportamenti diversi per: xs< ot 1 xs> + caso Xs< Ot TT di È Eb e n È L A € valor medio doppio rispetto al caso del circuito a semplice semionda con lo stesso tipo di carico caso Xs> Ot TT Si È 2 VW > ZE3 oso ) Ta dt fe a © € valor medio Ter £E2 cosa de < n = indipendente da_% e ca quindi dal rapporto wL/R «si ha continuità nella circolazione di corrente Quando in x;+ 7 si accende 1’ SCR B, l’altro ( SCR A ) è ancora in conduzione, ma viene spento per controtensione indotta nell’avvolgimento del trasformatore. L'inserimento di un diodo di libera circolazione permette di ottenere valori medi della tensione Vc uguali a quelli relativi al caso di carico solo resistivo e cioè indipendenti dal valore di ©L/R; inoltre la distorsione della tensione ai capi del carico risulta consistentemente diminuita Diodo di libera circolazione, si riduce la distorsione di v, 18/11/2020 Rettificatore a ponte semicontrollato Si evita l’uso del trasformatore di alimentazione 25 @a=Easenwt In presenza di carico induttivo: Per eq > 0 possono condurre, se 1’ SCR A è eccitato, i rami A e C come ea diventa negativa il diodo C si interdice e si ha circolazione di corrente nei rami D ed A (svolgono funzioni di diodi di libera circolazione) finché non si innesca B, dopo di che conducono i rami B e D. ca Si nc % sia nel casoz, = R, chez, = R; +jwL (AL 7 = per irami D ed A di libera circolazione in quésto ve ni tervallo — Ulteriore rappresentazione (struttura a ponte con diodi, PONTE DI GROETZ): Con la semionda positiva(linea rossa): 26 MSA Ea Tel i Ta x ha da Scopo: generare una tensione PER ++ altemata (sinusoidale) sulle fasi Tr Trd (carico) con una certa ampiezza e frequenza x di FP Hai * Ogni fase è alternativamente collegata ai due poli della tensione di ingresso: tensione di alimentazione o massa I convertitori di questo tipo sono solitamente inseriti in un sistema caratterizzato da due convertitori in cascata: il primo, lato rete, ; » Raddrizzatore Inverter funziona come raddrizzatore controllato ii i (convertitore ca-cc), il secondo, lato carico rete i T ) CAPI funziona da inverter trifase —| v Î v aliment. _] |: 4 | o d Classificazione inverter Valvole: * Possono essere classificate in base alla: — Modalità di commutazione, forzata o non forzata — Frequenza di commutazione L’accensione e lo spegnimento delle valvole a commutazione forzata possono essere comandati da un segnale esterno: IGBT, GTO, BIT, MOSFET (soluzione per applicazioni robotiche e macchine utensili) Per realizzare lo spegnimento delle valvole a commutazione non forzata, SCR e tiristori, è invece necessario attendere che la corrente si annulli Confronto tra valvole: z " i Campo di Componente | Campo di potenza frequenza Note Da pochi MVA ad alcune | Fino a 400 Ù RES gn Diodo A e Non comandabile mediante segnale csteme Tiristore A ri plrume | Fino 9400 | Comandabile slo i cessione : Da pochi MVA ad alcune GTO Porsiazla di LV Lene | 0,3+10kHz | Comandabile in accensione e spegnimento Da 1 MVA ad alcune decine RIT || P®1MVA adalcamedocita | Finsia I0H2 MOSFET Pochi VA 50+150 kHz IGBI Da alcune decine di MVA a | Fino a 20 | Coniugni pregi delle tecnologie RIT e 1 pochi KVA KHz MOSFET Inverter a ponte monofase: funzionamento ad onda quadra * Tutti gli inverter impiegano interruttori (elettronici allo stato solido: diodi, transistori, tiristori >nessun organo in movimento) che opportunamente controllati, consentono di 29 u applicare al carico la tensione continua di alimentazione (bus) con polarità alternata positiva e negativa, ottenendo così una tensione alternata in uscita Per illustrare il principio di funzionamento si considera per semplicità un inverter monofase a ponte (full-bridge inverter) — Per inverter trifase si utilizzano 3 convertitori monofase alimentati dalla stessa sorgente continua e comandati con opportuno sfasamento —-— n | Scopo: generare una tensione alternata (sinusoidale) sulle fasi (carico) con una certa ampiezza + a 0 ai Y° [efrequenza I Schema di principio | | Realizzazione a transistor con carico ohmico-induttivo | In antiparallelo ai transistor sono disposti dei diodi di libera circolazione che hanno la funzione di fornire una via di richiusura alla corrente di carico quando gli interruttori sono aperti Infatti quando gli interruttori sono aperti la corrente su L (io), che non può variare bruscamente, essendo associata ad una certa quantità di energia magnetica accumulata nell’induttore, fluisce attraverso i diodi che costituiscono vie di libera circolazione per la corrente medesima che quindi diminuisce Forme d’onda di tensione e corrente erogate al carico 1° armo fl dmsone di soia Lu - Ti? * Tl2 “ Quando sono chiusi gli interruttori S1 e S4 (52 e S3 aperti), la tensione uo del carico coincide con la tensione continua d’ingresso applicata con polarità positiva (+U;) Quando invece sono chiusi S2 e S3 (S1 e S4 aperti) la tensione uo del carico è negativa (-U;) Gli interruttori S1 e S3 non possono essere chiusi simultaneamente, dato che ciò provocherebbe un cortocircuito del generatore di alimentazione. Lo stesso vale per S2 e S4 Per evitare che ciò avvenga è necessario far intercorrere un opportuno intervallo di tempo tra il comando di spegnimento di uno dei due interruttori e quello di conduzione dell’altro dello stesso ramo Tenendo chiusi per mezzo periodo (to — t2) gli interruttori S1 e S4 e per l’altro mezzo periodo (t2 — ta) S2 e Sa si ottiene una tensione di carico uo alternata, con forma d’onda rettangolare Nell’ipotesi, sempre verificata con buona approssimazione, che il carico sia ohmico- induttivo, la corrente di carico io assume il tipico andamento mostrato nella figura, costituito 30 da tratti di andamento esponenziale crescente (to — t2) e tratti di andamento esponenziale decrescente (t2— t4) * Sela costante di tempo t= L\R è sufficientemente minore del periodo di funzionamento T dell’inverter, il valore massimo /o raggiunto dalla corrente alternata che fluisce a regime nel carico è data da /o= U;/R Vediamo com'è fatto il carico: R L : > V.- Qi «DE Sy (Rs vi Aa + VIA) aRTrs) + SL To => \ 4, >ig=— lo s Vus) FA SL+R \ s+t al fd Pd (32 d | zo)® Li, / Ae > 31 Conclusioni per U;=1 - 0 F(0)m a+ DI a, cos(10) + b,sen(n0) = a,=0 a n 4 1 1 DS a i ap +1 .5en(30) 4-1 sen(50) +. i i be n dispari -—_y__ nt ll contributo dei singoli termini della serie di Fourier b, diventa via via più piccolo all'aumentare di n O La componente fondamentale ha ampiezza pari a 4\x = 1,27 volte l'ampiezza dell'onda quadra -09 se ._ Le componenti armoniche (solo di ordine dispari) 2 hanno ampiezza in proporzione inversa all'ordine di armonicità 4 b 2 i # 3 1 e Spettro delle armoniche SVILUPPO IN SERIE DI FOURIER DELL'ONDA QUADRA: 1 ju osd-at sf posts ni ha): ‘n 4 1 pù <deeit £ >Iet Calcoliamo i coefficienti: 34 1 g(9), - i se («9)7 mir era bei stat) so - si 290 fi hi d 4) _1 sr (9) AT = _L | (4) su (+9) alc ) n © et z- Di css(v9) + I cs(m?) 2 ti ° MT -t\ csf) lot 1 |a x cs(o0)|- Mm= por’ L slo a) + SM |ego) e cos Leo o 35 x A | it ene - i» 0 | \ ! 4 4 -1) dt - 1 Xco) AD "5% ()39 4 2 |C ° qT cul | - D |a n ao cx 20 4 e ? \ ‘ol _i9 seno gresent: solo cermoncche dispari , & Aiet | Torntut dust - as Ls i e 36 — Perinvertertrifase si utilizzano 3 convertitori monofase alimentati dalla stessa sorgente continua e comandati con opportuno sfasamento [ Î 4, Lal Schema di principio Realizzazione a transistor con carico ohmico-induttivo La simultanea chiusura degli interruttori S1 e S2, oppure S3 e S4, provoca l’annullamento della tensione di carico; con riferimento a questa proprietà gli invertitori a ponte vengono anche chiamati convertitori a 3 livelli (capaci di applicare al carico tensione +, -, 0) 0 Questa capacità dell’inverter a ponte migliora il contenuto armonico della tensione di uscita Tecnica di modulazione ad onda quadra parzializzata (singolo impulso) Questa tecnica di controllo delle aperture e chiusure degli interruttori rispetto a quella ad onda quadra, consiste nell’introdurre in ogni semiperiodo dell’onda rettangolare, una commutazione aggiuntiva, al fine di disporre di un parametro di regolazione della tensione erogata al carico — Ovverola regolazione della tensione di uscita si ottiene con la tecnica del controllo a singolo impulso, modificando opportunamente gli intervalli di chiusura e apertura degli interruttori rispetto al funzionamento ad onda quadra — A tal fine all’inizio edalla fine di ogni semiperiodo viene applicata al carico, per un tempo opportuno, tensione nulla Questa tecnica prende anche il nome di: controllo a singolo impulso (Single-Pulse Width Modulation) È una tecnica valida anche nel caso di invertitori trifasi dove le fondamentali delle tensioni di uscita sono sfasate di 120° e 240° Modulazione ad impulso singolo: Me, Co Controllo le ampiezze delle armonica tramite è Gli andamenti delle ampiezze A; sono riportati nella seguente figura (sono normalizzati rispetto al valore massimo dell’ampiezza di A;) 39 Carrie signi 4 _ Modulante e portante della Î î 7 T «. |tecnica ad impulso singolo Ì ' y i DI Î ! 0} l—8—{osesgruionenio, = I gf i PIT ca TA 2] . Tecnica di modulazione ad onda quadra parzializzata (singolo impulso) Sviluppo in serie di Fourier della tensione di uscita Andamento normalizzato, rispetto al valore massimo dell’ampiezza dell’armonica fondamentale, delle armoniche di tensione in funzione di é = Town »— is1| Le armoniche di ordine superiore decrescono come 1\i Q La fondamentale può essere aumentata in ampiezza ‘aumentando è; I 4E, | ò — sen| I 2 | Onda quadra (nessuna modulazione) + Sd =180 se | ampiezza massima = de ua O Questa tecnica può essere utilizzata per la regolazione della tensione d'uscita | dell’inverter; variando è si varia l'ampiezza di A, (prima armonica) Q Problema: legame non lineare (sen) con cui varia l'ampiezza della tensione Tecnica di modulazione ad onda quadra frazionaria (più impulsi) «Si tratta di un miglioramento della tecnica per parzializzazione che consiste nel frazionare l’onda parzializzata in più impulsi di conduzione, tra loro equidistanti (Uniform Pulse-Width Modulation) — Ovvero si utilizza un numero “p” di impulsi in ogni mezzo ciclo (T\2) della tensione di uscita «Questa tecnica riduce il contenuto armonico «Problema: a causa dell’elevato numero di commutazioni on e off de i transistor di potenza, aumentano le perdite dovute alle commutazioni (inoltre transistor capaci di elevate frequenze operative) — Con elevati valori di p (vedi lucido successivo), l'ampiezza delle armoniche di ordine basso si riduce, ma l’ampiezza di alcune armoniche di ordine elevato potrebbe aumentare à queste armoniche possono però essere eliminate facilmente tramite un filtro 40 in o Sf £ >» ° LT p impulsi ILA LIA Lo, 7 UUUUÙ —___»———— p impulsi | Modulante e portante della tecnica a più impulsi Andamento normalizzato, rispetto al valore massimo dell’ampiezza dell’armonica fondamentale, La L + lose ATE L F delle armoniche di tensione in funzione di 6\(7\p) p= numero di impulsi per semiperiodo $ = durata di ogni impulso ($=7\p à onda quadra à nessuna modulazione) Variando p ottengo una maggiore linearità nelle ampiezze delle armoniche Scelto p, variando è controllo le ampiezze delle armoniche 24/11/2020 Sinusoidal Pulse-Width Modulation (Controllo PWM) Generazione del segnale di “gating” e tensione di J uscita nn ERO 2. eut = *Si tratta di un controllo realizzato mediante 5 [I UU] U i] È frazionamento dell’onda di tensione in cui però, a tm differenza della tecnica di modulazione ad onda di 100 quadra frazionaria, la larghezza degli impulsi di conduzione viene modulata mediante un AA È \ A Mo Fa | confronto fra un’onda portante triangolare ed 1\l \ \f n | : un’onda modulante (riferimento) sinusoidale Lit “SIT X T i X rd «La distorsione e le armoniche di ordine inferiore \} N [ \ Y LA \ Î sono ridotte in modo significativo V V \I V V V V 4l * Amplificatore segnale di uscita normalizzato. Alcuni esempi sono la termoresistenza (R = f(t)) + Ponte di Wheatstone e la termocoppia (sensore e trasduttore coincidono). Nota: La terminologia sensore, trasduttore, trasmettitore, viene spesso confusa. | Proprietà generali dei sensori * Accuratezza: indica quanto una misura si avvicina al valore “vero” del misurando — Valore vero: non conoscibile + valore di riferimento ottenuto mediante una misurazione esemplare; -— La misura è influenzata da varie grandezze oltre al misurando (temperature, umidità, pressione LA) - Definizione ingegneristica: massimo scostamento tra le misure (letture) fornite dal sensore e la curva di taratura sull’intero campo di misura; -— La mancanza di accuratezza deriva da errori sistematici (errori di calibrazione del sensore). * Precisione (o ripetibilità): è riferita alla ripetitività (o riproducibilità) della misura. — Dispersione di misure successive dello stesso misurando nelle stesse condizioni (stesso valore reale); — Definizione ingegneristica: massimo scostamento tra una generica lettura e la migliore stima della misura; — Deriva da errori casuali (può essere migliorata con medie di letture successive); *Rangeability: l’accuratezza e la precisione si applicano solo ad una parte del campo di misura — Nella parte rimanente non sono specificati (scadenti). * Caratteristica statica: la misura y fornita da un sensore è in generale una funzione (non lineare) del misurando u, y = y(u), detta caratteristica statica — Sensori lineari: caratteristica statica lineare nell’ambito dell’accuratezza/precisione (campi di misura ristretti). * Sensibilità: rapporto tra la variazione dell’uscita del sensore e la corrispondente variazione della misura S(y) = & du — Sensori lineari — sensibilità=costante=guadagno statico * Risoluzione: minima variazione della variabile misurata che da luogo ad una variazione rilevabile dell’uscita Nota:Nel Controllo dei processi la precisione è spesso più importante dell’accuratezza (più costb$8Y fronto, risulta: precisa e inaccurata misurando PI valore reale N imprecisa e accurata tempo I dispositivi di misura trasformano una grandezza di una data natura fisica in una di natura diversa. Il legame di trasformazione deve essere univoco, possibilmente proporzionale o lineare. Sono utilizzati 44 nei sistemi di controllo per ottenere la misura della variabile controllata sotto forma di un segnale di natura fisica omogenea a quella del riferimento (in genere di tipo elettrico). Trasduttore di posizione: potenziometro Î a;= generico spostamento R r sa SÈ V,m—-E E A “ s 5 | r DR r 50) Funzione generica dello I È I spostamento a del cursore Nel caso lineare r= R Arr Trasformato una grandezza meccanica Da 4 (spostamento) in una grandezza elettrica perciò V, nn . i *—— Funzione di trasferimento (costante) o sensibilità del sensore Esistono trasduttori potenziometri di tipo angolare o rettilineo in questo caso si hanno potenziometri ad: un giro quando @mar = 360° e potenziometri a n giri quando @mar = n + 360° ( di solito n = 10). Tipi di potenziometri: * afilo avvolto: leghe di nichel-cromo, nichelrame, cromo-ferro. * astrato; to — a carbone, migliori valori di linearità; ù — a film metallico, indicati per temperature UR Re elevate; — a plastiche conduttrici, durata di vita eccezionale; — a cermet (dispersione di particelle di metallo su base vetrosa), elemento resistivo molto resi- stente meccanicamente. Servomeccanismo di posizione . 2 potenziometri identici alimentati con la stessa tensione di riferimento E . L’equilibrio si ottiene quando i segnali di uscita dei 2 potenziometri sono uguali 45 accoppiamento meccanico riduttore carico \ eccitazione indipendente motore in c.c. Amplificatore differenziale . , Potenziometro Parametri caratteristici dei potenziometri: * linearità e conformità: v ————4 o Mk errore cli lineardà (%) = E 100 (bri bp 57901 % ) € Nel caso di potenziometri non lineari si parlerà di conformità al comportamento ideale ipotizzato. * risoluzione (nei pot. a filo avvolto) e granulosità (nei pot. a strato): È il minimo angolo di rotazione (0 spostamento rettilineo) che deve d “a 4 Er essere percorso dal cursore perché si abbia una variazione nella E | A i tensione di 7 uscita i I | Nei potenziometri a filo dipende dal diametro del filo; valori tipici | a 1% (espressa come frazione della corsa). ___> Ms < Contemporaneo contatto della 2° e 3° spira 487 [Potenza dissipabile] tale parametro insieme con la resistenza del potenziometro (decina di Q + centinaio di KQ per quelli a filo, fino a qualche MQ per quelli a strato) condiziona il valore massimo della tensione applicabile. Oltre tale limite il potenziometro perde di linearità. La potenza dissipabile è legata alla temperatura ambiente. 46 49 Va -Vao &= —___ a) BER E (FOR) _ PR-FOMAPE F-MR+R - E G-A POM 4+7 “ Può essere di due tipi: * assoluto; * incrementale Maschera binaria gray con 13 cifre cm 219 = 8192 configurazioni 0 = zona dielettrico 1 = zona conduttrice Spazzole di contatto A Zone conduttrici 1/4 0001 PI? f: Trasduttore di posizione: encoder Encoder assoluto N binario Gray o 0000 0000 \ 1 0001 0001 2 0010 0011 3 0011 0010 4 0100 010 5 0101 0111 6 0110 0101 7 0111 0100 8 1000 1100 9 1001 1101 10 1010 1111 u 1011 1110 12 1100 1010 13 1101 1011 4 1110 1001 15 111 1000 Nel codice Gray configurazioni a dia- centi differiscono solamente di una cifra "N Zone opache Errore di quantizzazione minore se si tivi di aumenta ll numero di bit > con 4 bi: VIVI di lettura). 360\24 = 20° Codice binario: by bw-1 ... bi+1 bi ... bi bo Codice di Gray: gw gn-1... Git1 gii «.g190 dove gi bi® bia gni=bw i=0,1,..,.N-1 (elimina gli errori di lettura prodotti dal non allineamento perfetto dei disposi- 50 PASSARE DA UNA CONFIGURAZIONE BINARIA A UNA CONF. GRAY: b, Lib ba ’3DE 7: QA144 (bimanio) Vi Vi g - I 0900 (bimanio) Cao 3,35. DL + g,=b. DL = ID 1 =o© 4,3 bob: ‘0! =0 DI 100 3,3 ig: 100 1! da d. di do g,= bi =o PASSARE DA UNA CONFIGURAZIONE GRAY A UNA CONF. BINARIA: 333° di do 7. cl i ti (Lian) 0109 (404) \3 = 65,30 bi: ),0b:- 100 =1 Sv 444 L, - Ob: = 004 =| L= 7,0 L00131! S1 rispetto agli estensimetri metallici e quindi forniscono un segnale molto più forte a parità di superficie utile. Per questo motivo gli estensimetri a semiconduttore sono estremamente piccoli (valori tipici sono dell’ordine di 0.5 mm quadrati). Di contro sono molto sensibili alla variazione di temperatura ambientale e sono di difficile manipolazione a causa della loro piccola dimensione. Resistenza di un estensimetro: R = pi con S: sezione costante , l: lunghezza , p: resistività Differenziale della resistenza: È = L + î — dS/S (eq.1) Oltre all’allungamento il materiale subisce una diminuzione di sezione pari a: (eq.2) È = 205 con p < 1: modulo di Poisson, vale circa 0,3 per quasi tutti i metalli Trascurando il primo termine della eq.1, che indica variazioni di resistività indipendenti dalle variazioni della geometria, e sostituendo la eq.2 si ottiene: dR_d Ul dl dl 7 +247=(1+24)7 = K RUI 1 SI T T_T 7 con K: fattore di deformazione o sensibilità (costante di taratura o gauge factor) — vale circa 2 per quasi tutti i metalli Resistenza nominale: 120 — 3502 Asse attivo . . Materiale conduttivo: costantana (lega 45% Nichel 55% Rame) > - - K è costante - piccolo coefficiente di tempera- tura. 0.25 mm — 50 mm Asse passivo Per eliminare l’effetto della tempe- ratura si ricorre quasi sempre ad ‘una soluzione a ponte. Molta cura deve essere posta nella fase di incollaggio alla struttura meccanica mal Typical strain gauges and terminology. Insert 375BG is shown full size. (Courtesy of Welwyn Strain Measurement Ltd, UK representative ol Measurement Group, Vishay, USA.) Anche impiegando un materiale a basso coefficiente di temperatura, le variazioni di resistenza dovute alla deformazione e quelle dovute a variazioni di temperatura sono dello stesso ordine di grandezza, per cui è necessario ricorrere a soluzioni circuitali in cui l’effetto 54 della temperatura venga compensato. Identica disposizione nel lato opposto Va RiR3 — RaRa4 Ri e R3 soggetti a trazione aT “(Ri + Ra)(R2 + R3) R2 e Ra soggetti a compressione Ad esempio: Vu= SE =k î E< funzione lineare della variazione di lunghezza La variazione di resistenza AR prodotta per effetto termico (identica su tutti gli estensimetri) non sbilancia il Vu: Va-Ve Va:Ra i = Vas Ta V Rao Li é = no R2+4R3 Rata e Il ponte è bilanciato quando R1=R2=R3=R4=R. DI RA e 20 zrR2R - 7 55 Applicando la formula del Ponte ottengo: (Rn) - (RO E Sii I Cosplae 39) (0 versrSli Aa ARR = gi - N, RAR e e T__ Vas 4& = SEP Pesio ” R Vi = Rara R_- Ru = RR Ar V (renga) _ (dra) x AT (pati ) Rare ate (mer adi +2 de (RAR) GI 20. ul ah (RA) Sr Randa 2 + RR + 2hR7 m 56 | (as) KR E vi PO € - u (RARA) 2% _ Ri ar E = (ar 4 R)2R _ z 4R Poiché i valori di resistenza degli estensimetri sono relativamente piccoli (dell’ordine del centinaio di ohm), la tensione di alimentazione del ponte è modesta (dell’ordine del volt) per evitare il riscaldamento per effetto Joule ed il segnale d’uscita, essendo dell’ordine del millivolt, deve essere amplificato. Estensimetri ad effetto piezoresistivo L’elemento resistivo è un materiale semiconduttore la cui variazione di resistività è dovuta all’effetto piezoresistivo. (variazione della resistività elettrica quando il materiale è sottoposto a sforzi). de mE n I Ato dhe R P3 sf m i È f Î FF - +) dt + de = Ciezia «ee ) dl -& dé Sensibile alle variazioni di temperatura n — sensebet ke supenine LT a 400 e 59 ica) toed rate uckde pini & pressure piste. (b) S | | I tare button 2a rada Lote | Pi “vate [agi ont © î dosired weight v output a 02/12/2020 Trasduttore di velocità: dinamo tachimetrica È una piccola dinamo con eccitazione a magneti permanenti, realizzata con “molta cura” con materiali di caratteristiche elevate, per avere una buona linearità e ridurre al minimo gli effetti dell’isteresi magnetica e della temperatura (con circuiti magnetici compensati in temperatura). Va= K:0 K::= costante tachimetrica Il principale inconveniente è l’ondulazione della tensione di uscita (non è di facile filtraggio dato che dipende dalla velocità 0) dovuta al collettore. Per evitare fenomeni di smagnetizzazione la corrente assorbita all’uscita deve essere bassa. Le principali caratteristiche sono: * tensione d’uscita nulla per velocità nulla; * costanti tachimetriche elevate; * uscita in continua, non sono necessarie alimentazioni; * ripple d’uscita; 60 * momenti d’inerzia e attrito alti. Encoder N NP f=p>9=7 =fP T = gradodi osservazione N = numeroimpulsi P = passo f = frequenzamisurata Q = velociùà di rotazione li Tachimetro digitale realizzato con un encoder sa t Segnale encoder — Il contatore viene periodicamente azzerato, mentre il suo contenuto in un istante immediatamente precedente ogni azzeramento viene memorizzato e visualizzato Tachimetro analogico realizzato con un encoder A IK ee a eta e precisione Ampiezza e durata 7 sono costanti v,e Tensione proporzionale alla velocità filtro passa basso ; Uscita analogica: tensione elettrica di valore proporzionale 7 alla velocità da misurare. Gli impulsi provenienti LI a omai 3 dall’encoder vengono inviati. ad un multivibratore E monostabile di precisione, che genera impulsi in pari numero, | H [] L ma di ampiezza e durata costanti e calibrate con precisione: il + valore medio del segnale così ottenuto, che da esso si può TTT llivalori medi ricavare mediante un filtro passa basso, è proporzionale al Ì PIT A sono diversi numero d’impulsi per unità di tempo, quindi alla velocità î dell’encoder. I ttt, Trasduttore di Termocoppie temperatura: Termoresistenze Termistori Termocoppie: giunzioni alla stessa temperatur: dida. e ig = TTD è ir e B___ (giunzione fredda) (giunzione calda) f.e.m. per effetto termoelettrico 61 Tipo Coppie metalli/leghe Range normale [°C] Range esteso [°C] *J ferro/costantana* —100 + 750 «K chromel**/alumel*** 0-- 1100 E chromel/costantana —150 + 500 *T rame/costantana —200 + 300 B Pt80/Rh20/Pt94-Rh6 + S Pt90-Rh10/Pt R Pt90-Rh13/Pt N Nicrasil-nichel *lega rame-nichel **lega nichel-cromo #**lega nichel-alluminio-silicio Le termocoppie più usate, sono: - Termocoppie K (0 + 1100°C) : Basso costo, sensibilità moderata, bassa accuratezza, alta resistenza all’ossidazione; - Termocoppie J (-100 + 750°C) : Basso costo, alta sensibilità, accuratezza moderata; - Termocoppie T (-200 + 300°C) : Costo contenuto, sensibilità moderata, alta accuratezza, adatte per basse temperature. Termoresistenza Resistenza della funzione alla temperatura - Temperature d’impiego più basse di quelle delle termocoppie; - Sono inserite entro un ponte di Wheatstone. Da 150° (nichel) a 600° (platino) ma consentono misure più stabili e precise delle termocoppie Come elementi sensibili fili di rame, nichel o platino avvolti su supporti = al #% ceramici e protetti da bulbi di quarzo, == ceramica o pyrex N Soluzione a 3 fili per compensare le variazioni di resistenza con la temperatura dei fili di collegamento Termoresistenze o RTD (Resistance Temperature Detector): Sfruttano la dipendenza della resistenza elettrica dei metalli (es. platino) dalla temperatura. Hanno: - Bassa sensibilità; - Elevatalinearità R(T) = Ro(1+aT) € si può risalire alla temperatura da una misurazione della resistenza; - Perintervalli di misura estesi ed elevata accuratezza per la caratteristica statica si utilizzano approssimazioni polinomiali del terzo ordine: R(T) = Ro(1+@1T + a2T2+ a3T3) con Ro= R(0) Ro:= resistenza del materiale alla temperatura di riferimento Le termoresistenze più diffuse: 64 RTD Range normale Pt: 100 2 DIN (4376) —180 + 800 °C Pt: 100 2 JIS (C-1604) —180 + 650 °C Ni: 120 2 Edt7 —45 +315°C Cu: 2 —20+250°C Termoresistenze: trasduzione La trasduzione avviene mediante ponte di Wheatstone Nella figura b) ho un collegamento a 3 fili per ripartire la resistenza dei cavi di collegamento (lunghi) tra il ramo della RTD e quello di Rs Nota: I cavi di collegamento possono essere lunghi anche centinaia di metri: con il collegamento a 3 fili resistenze uguali sul filo di andata e ritorno non sbilanciano il ponte — Tensione di uscita dal ponte di Wheatstone E)= Va( Fb di R+Rr(T) R+Rs Trascurando la resistenza dei cavi di collegamento — Considerata una temperatura di riferimento 7,, scelta Ry per bilanciare il ponte a tale temperatura, risulta Rs=Rr(I) e Rr(1)=Rs+AR(1) quindi se R+ Rs >» AR(T) risulta Resistenza della RTD Tensione di uscita del £(7) ponte dipendente dalla _” jone della RTD temperatura Var=tensione di alimentazione del ponte (E) 65 -R3 V, cm-( cun Ri n) Da E) Na do _ &y Ra (9) RR VENGO) T,=9C Ri (3) = Ra (1) HAR) = Rs 4 DR (9) E vu | BERO. 2.) Rat 4 RM R5R: Ri DDR 2 ra 2\ (An. 2_\ _ TAQRAT RR, R+® 7° + il BET, ARM Vi B4R RI Ri 66 Collegamento processo-calcolatore: Nella figura sono evidenziati i principali de : 5 tipi di segnali disponibili sui sensori. Per principali tipidi > || i i . na io: il: segnali dai | paci quanto riguarda quelli impulsivi e digitali, FOERE: bg 1 il collegamento avviene attraverso una aumentare il rapporto interfaccia di isolamento galvanico segnale/rumore . . . . NE (ottenuta di solito tramite dispositivi puniti di acqua optoelettronici) e di adattamento dei arananza | des) livelli logici (ad esempio TTL Lear compatibili). I segnali impulsivi (generati, ad esempio, da un encoder suun asse in rotazione), possono poi essere trasformati in segnali numerici o a hardware (per mezzo di un contatore) o direttamente a software dal calcolatore. I segnali digitali (ad esempio microinteruttori, finecorsa, ecc.) * | memoria optoisolati ed adattati sono invece pronti per essere letti. Più complicata è la situazione relativa all’acquisizione dei segnali analogici. I blocchi riportati in figura hanno un carattere esclusivamente concettuale e non corrispondono necessariamente a blocchi funzionali diversi. Il condizionamento dei segnali provenienti dai sensori risponde all’esigenza di renderli uniformi tra loro; operazioni tipiche sono la trasformazione di correnti in tensioni, la preamplificazione dei segnali di basso livello per migliorare il rapporto segnale rumore complessivo, il filtraggio, ecc... Il multiplexaggio dei segnali è reso indispensabile dal fatto che il calcolatore comunica con l’esterno attraverso un numero limitato di collegamenti (8-16), per cui può acquisire un solo dato analogico convertito alla volta. L'accesso a più variabili avviene quindi in sequenza. La funzione di campionamento e tenuta (sample and hold) è consigliata anche per le variabili da controllare in quanto alcuni tipi di convertitori analogico-digitali richiedono che il segnale da convertire si mantenga rigorosamente costante durante il periodo di conversione. L’amplificatore a guadagno programmabile serve per portare i livelli di tutti i segnali entro il range previsto dal convertitore A/D, il quale infine effettua la conversione e fornisce in uscita una grandezza digitale proporzionale a quella analogica in ingresso. 69 Collegamento calcolatore-processo I segnali evidenziati nella figura precedente esempio: segnali iomalati pure sono ancora essenzialmente di tre tipi. Per quelli indirizzati a dispositivi digitali vale quanto detto per il collegamento processo- calcolatore. Altri segnali possono servire per ro ! realizzazioni | velocisi + ne a — Tette ee segnali di comandare gli alimentatori dei motori passo- zzare più [ =_= tre tipi . , ; D/A in rev | paro passo, che si configurano così come attuatori a parallelo comando digitale. Infine, le variabili manipolabili continue del processo vengono generate attraverso il convertitore D/A, parallelate dal demultiplexer, campionate e mantenute dai dispositivi di S/H ed infine opportunamente amplificate per consentire il pilotaggio degli attuatori. Una alternativa a questa soluzione è quella di predisporre più convertitori D/A in parallelo rimandando così l’operazione di tenuta (hold) dei segnali ai dispositivi (latch) in ingresso al DAC. Convertitore Digitale- Analogico (DAC Possono essere di 2 tipi: * aresistenze pesate; * areteascala(R—2R) Convertitore D/A a rete di resistenze pesate (resistenze di precisione i cui valori resistivi sono pesati in modo binario): e Tu Esempio: per 12 bit, con R = 10K0 perl’MSB si deve avere una resistenza di 212- 10KQ = 4,096 MQ per l’LSB. Soluzione semplice ed economica: > presenta qualche inconveniente all’aumentare del numero di bit; > resistenze diverse per i vari rami, di conseguenza costanti di tempo molto diverse tra il ramo di MSB e quello di LSB. 70 fallo 2A =>00 BV) => Vi.v, z x Vi zo (a Lo) >V “o (esse rato He) Applicare quest’ultima configurazione al convertitore digitale-analogico: vr % X Tru d gR c\ivso etul I L °° tale d9 LE Ja li ped T Vea 3, È > T.=5-1 :° 8% [4 y 6 71 La tensione di riferimento Er può essere fissa o variabile: > fissa: può essere generata internamente, o si può utilizzare un generatore esterno stabile (più accurati); > variabile: in questo caso (DAC moltiplicativi) si ottiene un’uscita proporzionale al prodotto dell’ingresso digitale con un riferimento analogico variabile: Vou:(t) = Er(6) ‘ K(6). Se Er(t) è derivato da un altro DAC: Er(t) = Er'- K'(t) si ottiene Vou(t) = Er -K'(6) KM) tensione proporzionale al prodotto dei due numeri (digitali) d’ingresso. Per generare segnali analogici a doppia polarità si può adoperare la seguente soluzione: - e 8 - fini 2 Me PI i = 3] DAL De * mocl==x Cr © 9/12/2020 Convertitore Analogico-Digitale (ADC Possono essere di 2 tipi: * misura di un tempo; a doppia rampa trasformazione tensione frequenza; * confronto conun riferimento variabile; successiva approssimazione, a contatore, a conversione parallela Convertitore A/D a doppia rampa: Segnale costante da convertire Vin 2 Iitagraloe] t: costante di tempo dell'integratore È I comparsi) — ; = Vin —o! Edi polarità Vo —*t1 opposta al uc è “ T segnale Il comparatore serve a Vo=t» 12 determinare l'istante in cui Vy T va a zero > ovvero l'istante t, Er fondata Vent (integratore) 3DVin= a* t2 funzione di V,, ko» 7 x i costante e t2 è misurato attraverso si il contatore 74 late peli ge VE ie Mm N RK > Vi î 5È i Vo O) z = + W L ; e a v( 7 ‘0 ra VA Vert f it = 4 1 h 2 1 "vi de = -Lut = <|] a lo ° È Viu =_Y MT È E è ta V(t)=0 = L | i.) dé 4 VM) = t_—__i;i; _—-— h PEA dt. = sf tele +Vi (4) = o ra Er E + Vi (44) Re 75 Vl) = ro. e Vi NT _ ER Mex ro È » misura il valor medio diV;n sull’intervallo t1 (va bene per segnali lentamente variabili rispetto a t1) > esegue un filtraggio sul rumore sovrapposto > se t1= 20 msec, il valore misurato non è influenzato da disturbi introdotti dalla rete di alimentazione a 50 Hz Lai Cu 2-1 e - = e + > nonè indispensabile una grande precisione nella frequenza di clock o nella costante di tempo dell’integratore (è richiesto che si mantengano costanti durante la conversione, infatti anche attraverso il clock si genera l’intervallo t1) > eccellente stabilità termica ed alta immunità ai rumori > il maggior inconveniente è la lentezza Esempio: convertitore a 12 bit con un clock a 1 MHz tempo di conversione t: ® 2 + 212- 1usec = 8,192 msec (Nota: Il tempo di conversione non è costante ma dipende dall’ampiezza del segnale Viy > più è ampio Vin e più è ripida la prima rampa di integrazione à più è grande Vo — più è lungo il tempo di scarica t2 Convertitore A/D a trasformazione tensione-frequenza [Res eq ae] i I PA Va slug mjet {ble ] = TEL Se pendenza | VV7IZIA] sesta Vale tG at Vinft VMNIM >i PI IE, Va SIETE 1: costante di tempo dell’integratore impulsi all’uscita del comparatore di frequenza diversa. Sono inviati al contatore che viene azzerato ad intervalli di tempo costanti 76 20 sriRoalae z » 2 VI = Ér . Ginsia) a vrA 4 ere “i z 46 -Ze Convertitore A/D parallelo È il più veloce ediil più semplice. Sono necessari 2" — 1 comparatori (n= numero di bit) e = Vi eds 2a a => | Seba _ o oc wo 5 Ss > © A 5 A > SED A AO id 14 4 sia + coli \> Sr .3R - BEY , 4 Erd Koi 4 = a In effe lo 1° rescstanzo im olo) E perc S SR mentre Vulbima (beso, € peri -4R , m questo caso Ia + 4a a Vin Questo convertitore fa uso di un comparatore per ogni bit. La tensione da convertire è confrontata con delle tensioni di riferimento proporzionali ai pesi dei singoli bit. Quello che resta da fare è di codificare opportunamente le uscite dei comparatori. I segnali di uscita degli “n” comparatori vengono poi immessi in una rete logica combinatoria (decodificatore) che ha lo scopo di fornire una codifica della situazione rilevata dai comparatori. Questa rete deve fornire in uscita un numero “m” di bit da rendere 2" > n. Il principale difetto di questo convertitore è l’elevata complessità del circuito. In particolare la logica combinatoria, ma anche la parte analogica con gli “n°” comparatori e le “n° resistenze, fanno sì che il numero di bit realizzabili con questi convertitori sia drasticamente 79 limitato. Esempio: Vin< V1 e Vin>V2> 011 Vi <Vi V>v DOLL DIL | 30 sout+tae - 2 2 vi = ER eni) = Za car Za wr _ "Li 2 241 _3 _ vi =£ (to BT)? n Per la conversione di segnali a doppia polarità si può adoperare la seguente soluzione: > bet del segno \ Comparatore « Il problema della conversione di segnali a doppia polarità lo si può risolvere assegnando un bit in più al segno. Il comparatore confronta il segnale con il riferimento di potenziale e decide la polarità. Se V,<0 il multiplexer selezionerà Vn>0 > in questo modo si converte sempre una quantità positiva 4 _ SS n Pei * Ho raddoppiato il range di conversione. E' È CS + * come se realizzassi questa caratteristica in x \__—_—_——_ » leviev 10/12/2020 Specifiche per i dispositivi DAC e ADC Caratteristiche di un DAC 4 «J Comerio DIA (dote 1 $ Ta il ds Sg gi iL 38 il / no n iso to6 0 e 335 De pusso Dig Il modo più semplice per indicare le relazioni tra le grandezze analogiche e digitali coinvolte in un processo di conversione è di tracciare un diagramma. La figura a destra mostra il grafico relativo ad un convertitore D/A ideale a 3 bit. L’ingresso di un DAC a 3 bit può assumere 8 diverse 81 Multiplexer analogico Per convertire più segnali analogici si può adoperare un solo ADC ed un multiplexer analogico (i segnali sono convertiti uno dopo l’altro). Questa risulta essere una soluzione alquanto economica anche se presenta lo svantaggio di essere relativamente lenta. “ © + ci . . . SE = | _] [ Gli interruttori possono essere realizzati a JFET o MOSFET (presentano un’alta impedenza nello stato “dff Resistenza in conduzione 10 + 100002 connessione serie-parallelo La comente all’ingresso dell’operazionale == MEA = 7 Pali per ogni interruttore off può variare da | qualche 100 pA a qualche nA. La pre- = see ] Le Lr _. mo) —» senza di queste correnti limita la possibi- lità di aumentare il parallelismo. Per ovviare a questo inconveniente si può ricorrere allo schema ‘hema serie-parallelo. È necessario avere una qualche protezione nella logica di comando per evitare (in alcuni casi si può avere un cortocircuito tra due canali) di collegare un canale prima di avere interrotto il collegamento precedente. Amplificatore a guadagno programmabile MSB zl _ a dae <—— convertitore D/A + ef 5f, | Amplificatore operazionale Uta Amplificatore operazionale in configurazione invertente dove tutto il blocco tratteggiato fornisce la resistenza di retroazione. Cambiando la configurazione degli interruttori cambio la resistenza di retroazione e quindi il guadagno dell’amplificatore. 84 PROGRAMMABLE LOGIC CONTROLLER @LO) CLASSIFICAZIONE DEI SISTEMI Sistema guidato dal tempo: L'evoluzione dello stato è legata al trascorrere del tempo. L’evoluzione dello stato è descritta da equazioni differenziali o alle differenze; Sistema guidato dagli eventi: L'evoluzione dello stato è legata al verificarsi di qualche evento (eventdriven). L’evoluzione dello stato è asincrona, ossia basata sui tempi di occorrenza degli eventi e non su una temporizzazione regolare. Controllo di Processo Due tipi di approccio al controllo: Controllo continuo: Il controllore è un sistema dinamico in cui le variabili di stato possono assumere un’infinità di valori. Le azioni di controllo vengono determinate in base al comportamento desiderato e alla dinamica del processo. Controllo logico o discreto: Il controllore è un automa, quindi le variabili di stato possono assumere soltanto un numero finito di valori (sistema a stati finiti). La dinamica del processo viene trascurata ed il controllo risultante è di tipo discontinuo. Anche se considerare ad eventi discreti l'evoluzione di un sistema è solo una approssimazione della realtà, tale semplificazione risulta spesso efficace ed è tale da snellire notevolmente il problema di automazione. Husso d'ingreso. L_cortrelo elelè Controllo continuo Controllo discreto PC (commerciali o industriali) Vantaggi principali * Flessibilità * Riutilizzabilità e Costo Limiti principali «Hard real-time con tempi di campionamento piccoli. «Non adatti all’ambiente industriale (particolarmente ostile). (*) ® Flusso informativo I/O: sono richi di tensione particolari, corrente di u: *. Calcolo non orientato al bit. segnali A/D, alto numero di I/O, livelli ita 4-20 mA. ®_Inizializzazione lenta con problemi di sistema operativo e variabili. «Linguaggi di programmazione lontani da quelli basati su relè. (*) > Limiti superati dai PC industriali. Moduli di I/O * Valori di ON/OFF Digitali: 0-24 V * Ampio corredo di schede per I/O digitali Isolamento galvanico Visualizzazione dello stato Interfacciamento coni sensori DC(5-12-24- 48V) * Schede di I/O analogiche PLC La filosofia del PLC ha avuto origine alla fine degli anni ‘60 da una specifica della General Motors relativa ai sistemi di controllo da utilizzarsi nei suoi impianti per produzione delle vetture: ® Facilità di sostituzione dei sistemi di automazione a relè Facilità di programmazione e riprogrammazione sul campo ® Funzionamento in ambiente industriale ® Capacità di comunicazione Vantaggi principali nell’impiego di PLC ® Supera tutti i limiti precedentemente visti per i Personal Computer. Svantaggi principali * Costo più elevato * Minor possibilità di riutilizzo AC(110-280 V) Range dei segnali: +5V , +10 V, 0-5V, 4-20 mA in continua Interfacciamento diretto con sensori particolari (termocoppie, termoresistenze, estensimetri, ecc.) Indirizzamento dell’ I/O Nella configurazione del PLC le variabili d’ingresso e uscita sono identificate tramite un riferimento posizionale: 86 Programmazione di PLC I maggiori problemi nell’utilizzo dei PLC, almeno all’origine, sono stati: mancanza di metodi efficaci per la progettazione ed il controllo differenziazione di prodotti (prima della comparsa di nuovi standard, la maggior parte dei PLC era assolutamente incompatibile da modello a modello). Ciò ha reso molto critica la manutenzione dei processi di automazione. + Necessità di nuovi metodi di programmazione. Attualmente esistono diversi approcci alla programmazione di un PLC: —- Flowcharts; — Descrizione con variabili di stato binarie (linguaggio booleano); - Ladder Diagram (diagramma a contatti o a scala); — Grafcet, — Lista di istruzioni; — Pseudo Pascal; — State Function Chart (evoluzione del Grafcet). Linguaggi di programmazione Diagramma funzionale sequenziale (SFC) Permette di formulare le applicazioni di controllo di processi fisici utilizzando i concetti di fase e transizione: — Le fasi rappresentano le azioni da compiere — Le transizioni rappresentano le condizioni da soddisfare perché si possa passare da una fase all’altra. Linguaggio a contatti (Ladder Diagram) Prevede l’utilizzo degli elementi contatto aperto, contatto chiuso e bobina, tipici degli schemi di controllo a relè elettromeccanici. Sono previste funzioni di temporizzazione e conteggio. Lista di istruzioni (AWL) È un linguaggio di programmazione testuale simile ai linguaggi assemblativi dei calcolatori tradizionali. Linguaggio a contatti Ladder Diagram=Diagramma a scala Il linguaggio a contatti è il più diffuso linguaggio di programmazione per i controllori a logica programmabile (PLC). Le prime applicazioni di automazione industriale venivano realizzate utilizzando dispositivi elettromeccanici (relè, temporizzatori, contatori...). Quando cominciarono ad essere disponibili i primi controllori a programma memorizzato fu naturale sviluppare un linguaggio per la loro programmazione che fosse il più vicino possibile a quel tipo di tecnologia e che potesse essere compreso e utilizzato anche dai tecnici dell’epoca (scarsa o nulla conoscenza informatica). In questo modo l’utente conserva la sensazione di operare con strutture hardware tradizionali con la differenza che, anziché vedere i relè, ne può osservare una rappresentazione grafica su video, realizzando i collegamenti necessari mediante le funzioni di una tastiera piuttosto che saldature. 89 Le prime istruzioni disponibili nel linguaggio a contatti furono quindi proprio quelle che rappresentavano: xyz * CONTATTO NORMALMENTE APERTO di un relè H l * CONTATTO NORMALMENTE CHIUSO di un relè xyz Y < va * BOBINA DI ECCITAZIONE di un relè Indirizzo T * TEMPORIZZATORE eENnf Tx yyyyy <— intervallo di conteggio Indirizzo io . LS E CONTATORE ven E: yywyy| <— valore da raggiungere nel conteggio * Anche la forma che assume il programma deriva dalla logica a relè: — Due linee verticali laterali (montanti della scala) rappresentanti l’alimentazione. — Le linee orizzontali (pioli della scala=rung) che alimentano una bobina se una certa combinazione di contatti abilita il flusso di energia. * I contatti possono essere associati: — Agli ingressi digitali provenienti dal processo (o meglio al loro stato rappresentato in particolari bit della memoria) — A condizioni interne al dispositivo (rappresentate da bit di memoria) * La bobina può essere associata a un bit della memoria e, col suo tramite, comandare un’uscita digitale o segnalare una condizione interna. * Inun programma in linguaggio a contatti, il flusso di energia può andare sempre e solo da sinistra verso destra, senza possibilità di inversione: Fase Neutro nono n ui Ib HH 1 16 JT n A * La bobina contrassegnata con Ul potrebbe essere alimentata attraverso le sequenze: > Il- 12-13-14 > IS-I6-13-I4 > 1I7-16-13-I14 * Manonattraverso la sequenza: > 17-15-I1-12-13-I4 (che potrebbe rappresentare una continuità elettrica) 90 Con l’aumento delle potenzialità dei PLC, il loro insieme di istruzioni è stato quindi ampliato con una serie di funzioni che possono essere utilizzate all’interno di un programma in linguaggio a contatti, rispettandone la costruzione logica. Una possibile divisione in categorie delle istruzioni potrebbe essere la seguente: > Istruzioni di base (contatti e uscite di tipo relè). Istruzioni di temporizzazione e conteggio. Istruzioni per il controllo del programma. Istruzioni per la manipolazione di dati. Istruzioni per la realizzazione di funzioni speciali. VWVWMWNWY 91