Università degli studi di Roma Tor Vergata
Facoltà di Ingegneria
Corso di Laurea in Ingegneria Gestionale
Tesi di Laurea in Controlli Automatici
TOR VERGATA
PROGETTAZIONE E REALIZZAZIONE DI UNA
UNITÀ DI POTENZA MULTIUSO
PER IL CONTROLLO DI MOTORI A RILUTTANZA
VARIABILE
Relatore:
Candidato:
Prof. Salvatore Nicosia
Enrico Maria Rossi
Correlatore:
Ing. Luca Zaccarian
INDICE DELLA PRESENTAZIONE
1. PRELIMINARI
2. PROGETTAZIONE
3. REALIZZAZIONE DEL PROTOTIPO
4. SISTEMA DI INTERFACCIAMENTO
5. APPLICAZIONI SPERIMENTALI
PRELIMINARI
SCOPO DELLA TESI
PROGETTARE E REALIZZARE UNA UNITÀ DI POTENZA VERSATILE :
DISPOSITIVO HARDWARE CHE, IN BASE A TENSIONI DI RIFERIMENTO,
È IN GRADO DI
RIFERIMENTI
DI
TENSIONE
UNITÀ
DI
POTENZA
• Imporre (regolare) la corrente che fluisce in un motore elettrico.
– TRIFASE / MONOFASE
– MONOPOLARE / BIPOLARE
• Ottimizzare il transitorio di corrente tarando i guadagni di un controllore
hardware.
• Restituire una misura accurata della corrente che transita nell’avvolgimento.
PRELIMINARI
Topologia del convertitore :
SEMIPONTE ASIMMETRICO TRIFASE
Vcc
CONTROL
TAH
VDC
EA
TBH
FASE
FASE
SBA
A
FASE
B
FASE
CC
C
duty - cycle
Vcc
SAB
TAL
TBL
PWM signal
T
T
T
T
TRIFASE
MONOPOLARE
MONOFASE
BIPOLARE
• PWM : è un segnale diEAimpulsi ad alta frequenza con ampiezza e frequenza
costanti in cui la durata dell’impulso
(duty-cycle)
è modulabile.
T
T
AH
VDC
BH
FASE
A
Controllando il duty-cycle di questa commutazione ad alta frequenza
T
T
è possibile imporre l’andamento
della corrente.
Tecnica di VOLTAGE CHOPPING
BL
AL
IL MODELLO MATEMATICO
I (t)  I (t, k)





I (t , k )  





 k  0,...,(N 1)
N
se t  0
0
V   t pk V


 I ( p,k )  R  e
R


VS  

I
(
p
(
k

d
)
,k
)

e
k

R 

m
p
se pk  t  p(k  d k )
t  p ( k  dk )


VS
R
se p (k  d k )  t  p(k  1)
p  periodo del segnale PWM ( 40 μs )
m  tempo di alimentazione
dk  duty- cycle relativo al k - esimo ciclo del segnale PWM


pd
p
pd
1


τ
τ
τ
I  Max 
V ( 1 - e )  VS ( e - e ) ; 0 
p


τ
 R ( 1 - e )

*
PROGETTAZIONE
PROGETTAZIONE
Control Stage
1. AMPLIFICATORE DIFFERENZIALE
+
2. CONTROLLORE PID
_
PID
CONTROL
3. FEEDBACK DI CORRENTE
CURRENT
FEEDBACK
CIRCUITO DEL CONTROLLORE
RS
PWM
RP2
RS
SP
8
7
6
5
CIRCUITOSEGNALE
DELRISULTANTE
BUFFER
SD
8
Vcc +
+
RVcc
S
R
VSENSOR
LF353
1
2
3
4
Vcc -
Rf
CI
CA
RI
6
DALLA DIFFERENZA TRA
RIFERIMENTO E SENSORE
DI CORRENTE
5
Vcc +
VREF
R
7
RS
RF
Vcc -
SENSORE
V u DI
CORRENTE
1
CF
2
3
LF353
1
Vcc -
2
CB
BAL 1
RD
CC
LF351
NC
8
Vcc +
7
Vcc
6
FILTRO
3
4
4
CB
Vcc
RP1
Stage
SENSORE
DI CORRENTE S
RIf
PID
Vcc -
BAL 2
5
C
C
VIRTUALE
CIRCUITO
DELL MASSA5 Volt
CDAMPLIFICATORE DIFFERENZIALE
A
B
PROGETTAZIONE
PWM Stage
1. TRIGGER GENERATOR
2. PWM GENERATOR
TRIGGER
GENERATOR
3. DELAY GENERATOR
PWM
GENERATOR
DELAY
GENERATOR
CIRCUITO
TRIGGER
GEN.
CIRCUITO
DELDEL
PWM
GENERATOR
CIRCUITO
DEL
DELAY
GEN.
RA
R
P1
1
14
GND
PR
2
13
12GND
R
P1
11
8
9
Comp1
VDD TRG
8 R
E
Vcc
3
Output
Stage
TRIGGER dei 3
OUTPUT
PWM generators
A
RESET
2
F/F
Output
Stage
RB
4
Vref
F/F
4
5
NE555
C
THRES
Vref
RESET
CA
6
V
Comp2SS
RB
R
B
THRES
PID
5
6
DISCH
B
6B
A
Comp2
T
IC
CB
D
E
Tr
B
HEF 40106
3
3
RA
7
DISCH
Tr
4
1
output A
RA
7
2
OUTPUT
INPUT
8 P2
Comp1
2
Vcc
R
Vcc
10
TRG
POWER
CONVERTER
R
1
Vcc
TRIGGER
Vcc
R
CONTR
7
NE555
5
C
CONTROLLER
C
CONTR
output B
PROGETTAZIONE
Power Stage
1. HALF BRIDGE
HALF
BRIDGE
CIRCUITO DEL SEMIPONTE
EA
DG
HO
8
TH
7
DH
RG
Vcc
9
VDD
VB
CH
6
CB
PILOTAGGIO
DI T H E T L
10
HIN
11
SD
VS
FASE
5
4
DB
D
R
12
LIN
VCC
3
TA
C
13
14
VSS
COM
2
TB
LO
IR 2113
DL
DG
TL
1
RG
REALIZZAZIONE DEL PROTOTIPO
1. CONTROL STAGE
• Amplificatore differenziale
• Controllore PID
- azione proporzionale
- azione integrativa
- azione derivativa
• Saturatore
2. PWM STAGE
• Generatore di trigger
• Generatore di PWM
• Generatore di ritardo
Scheda di Controllo
REALIZZAZIONE DEL PROTOTIPO
1. CONTROL STAGE
• Feedback di corrente
- sensore Hall-effect
- buffer del sensore
3. POWER STAGE
• Circuito integrato IR2113
• MOSFET IRF450P
• Diodi HFA08TB60
• Circuito di Bootstrap
• Circuiti di protez. second.
• Circuito second. per la
configurazione bipolare
Scheda di Potenza
REALIZZAZIONE DEL PROTOTIPO
Prototipo completo
IL SISTEMA DI INTERFACCIAMENTO
Simulink
ADC #1
DAC #1
ADC #2
DAC #2
DS 1102
( Matlab )DAC #3
dSpace
ADC #3
ADC #4
DS1102ADC
Unità di potenza
DAC #4
DS1102DAC
Conn. 62 pins
Scheda di
interfacciamento
Computer
Interazione in real - time
Macchina elettrica
APPLICAZIONI SPERIMENTALI
YS3040GN501
ESP. SUL MOTORE SR
NSK
1. SR quad
MOTORE A
RILUTTANZA
VARIABILE ( SR )
ESA – 3S
2. SR sin6
3. SR sega
ESP. SUL MOTORE DC
Motor Power Company
1. DC quad
2. DC sin
3. DC sega
MOTORE IN
CORRENTE
CONTINUA ( DC )
A. DC controllore P
B. DC controllore PID
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 quad
CON CARICO INERZIALE
APPLICAZIONI SPERIMENTALI
2. ESPERIMENTO
DC sin
APPLICAZIONI SPERIMENTALI
3. ESPERIMENTO
DC sega
APPLICAZIONI SPERIMENTALI
A. ESPERIMENTO
DC controllore P
• STATISMO a regime
EFFETTI DOVUTI AD UN
AUMENTO DEL GUADAGNO k P
riduzione dell’errore a regime
aumento della sensibilità al rumore
APPLICAZIONI SPERIMENTALI
B. ESPERIMENTO
DC controllore PID
• ASTATISMO a regime
EFFETTI DOVUTI AD UN
AUMENTO DEL GUADAGNO k I
Maggiore rapidità nella risposta
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