8/12/2019 Controllo Motore DC
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Controllo di motori inControllo di motori in
corrente continuacorrente continua
A cura di:
Ing. Massimo Cefalo
Ing. Fabio Zonfrilli
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Sistema di Controllo
C(s) P(s)
d
+
- y
T(s)
rif
+
+n
d Disturbo
n RumoreC(s) Controllore
P(s) Sistema
T(s) Trasduttore
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Processo e Attuatore
dP(s)
processo
attuatore
u y
d disturbo, pu rappresentare dinamiche non modellate, fenomeni di
attrito, ingressi non manipolabili, etc.
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Attuatori pi comuni
Elettrici: Semplici da pilotare, ampia gamma di potenze,
risposta molto veloce, efficienti ad elevate velocit
Idraulici e Pneumatici: Silenziosi, di solito per medie e
alte potenze, velocit di funzionamento bassa
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Alcune tipologie di motori elettrici
Motore DC con collettore (Brush Motor): Molto comune,
economico, semplice da usare, problema: consumo
spazzole, disturbi elettromagnetici
Motore DC Brushless: Silenzioso, affidabile, robusto,
necessita di elettronica di controllo pi complicata
Motore Passo-Passo (Stepper Motor): Ottimo percompiti di posizionamento, pi costoso, coppia non
costante, elettronica di controllo complicata, di solito si usa
per basse potenze
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Struttura del sistema di controllo dal punto di vista fisico
D/A P(s)
dsistema + attuatorielettronica
C(s)
T(s)
n
+
+
trasduttore
+
-
A/D
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controllo alto livello interfaccia elettronica(controllo basso livello)
sistema da controllare
sistema da controllarecontrollo alto livello
+controllo basso livello
Lelettronica pu interfacciarsi con un PC o essere stand-alone
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C(s)
+
-
A/D
D/A P(s)
dsistema + attuatorielettronica
T(s)
n
+
+
trasduttore
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Composizione strutturale della scheda di controllo
Ad esempio con -controllori
(simili a -processori)
e.g. PIC della Microchip
Componentistica elettronica(spesso nota sotto
il nome di driver)Realizzato a transistor
(componenti discreti
o integrati)alimentazione
esterna
interfaccia amplificatore
di potenza
segna
le
poten
za
elaborazionecomandi
e feedback
misuremisure
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D/A P(s)
d sistema + attuatorielettronica
T(s)
n
+
+
trasduttore
C(s)
+
-
A/D
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Robot Mobile
Due ruote attuate separatamente da
due motori
Castor frontale per mantenerelequilibrio
cos( )
sin( )
x v
y v
=
= =
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Robot Mobile:
Controllo ad alto livello
C(s) Robot
Mobile
v
traiettoriadesiderata traiettoriaeffettiva
+
-
T(s)
Il controllo di alto livello agisce sulla traiettoria che il robot esegue
Le variabili di controllo sulle quali agisce sono e v
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Robot Mobile:
Controllo a basso livello
CblRobotMobileMotori
v11
v2
T
2
v
tensioni in ingressoai motori
velocit angolaridelle ruote
ingressi dal controllodi alto livello
Il controllore di basso livello gestisce tutte le dinamiche che non sono state
esplicitamente prese in considerazione ad alto livello
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C(s) P(s)
d
T(s)
n
+
+
+
-
elettronica sistema + attuatori
trasduttore
A/D
D/A
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Trasduttori cinetici usati nel controllo dasse
Encoder incrementale
Encoder assoluto
Potenziometro
Resolver
di posizione Dinamotachimetrica
di velocit
Vcc
Esempio trasduttori di posizione:
potenziometro (analogico) encoder assoluto(digitale)encoder incrementale(digitale)
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Motore con lancetta
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Circuito elettrico equivalente di un motore CC
Trasformando nel dominio di Laplace e ipotizzando I(0)=0 si ottiene
e mV(s)= ( ) ( ) ( )K s R L s I s + +
per un motore in corrente continua possiamo inoltre sempre scrivere
( )tK I t =
doveKt la costante di coppia del motore
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Dinamica del motore e del carico
La parte meccanica del motore pu essere cos modellata:
m m m m cJ B d = + + +
Unequazione analoga descrive la dinamica di un carico:
c cJ B d = + +
m
d
d
motore caricoriduttore
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Schema a blocchi del motore
senza riduttore e senza carico
d
+
- Ls+R
1
+
-1
s
m
.
Jm s+Bm
1 mIVK
t
Ke
Di i d l t d l i
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Dinamica del motore e del carico
m
n
=
m
n
=
1m
n = m
n
=m
c m =
Imponendo1
nRapporto di riduzione
cn
=
per esteso: Il riduttore riduce leffetto dei disturbi
agenti sul carico!
2 2
m mc c c
dJ Bn n n
= + +
e sostituendo nellequazione della dinamica del motore
2 2( ) ( )c cm m m m
J B dB d
n n n
= + + + + +
d
d
dn
= +eff m eff m d J B = +
ovvero dove
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Schema a blocchi del motore
con riduttore e carico
m.
+
+
Jeffs+Beff
1 1s
d
m 1n
+
- Ls+R
1Kt
I
Ke
V
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Due scelte possibili
Controllo in tensioneC(s)
V
Controllo in corrente
La variabile di controllo V(t)
La variabile di controllo I(t)
(es. di controllo ad alto livello)
C(s) pi semplice (attuatore =Kt I(t))
C(s)VContr.
bassolivello
I
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Metodi di Controllo
Per la sintesi del controllore si possono utilizzare i metodi noti:
Sintesi per tentativi
Luogo delle radici
Metodi diretti
Assegnazione autovalori + osservatore asintotico
Esempio di specifiche per il controllore
Errore a regime permanente nullo per ingressi a gradino
Tempo di salita ts 0.3 sec
Sovraelongazione s 5%
Astatismo rispetto a disturbi costanti nel ramo diretto
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Non linearit tipiche
Saturazione
(ad esempio presenza di un limitatore di corrente)
Attrito secco
Isteresi del riduttore (eventuale gioco tra ingranaggi)
( )s s mB sign =
m
s
sB
M d ll i l ti i li ti
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Modello simulativo pi realistico
(+ isteresi, + saturazione, + attrito secco)
+
+
d
-
m
.
Jeffs+Beff
1 1s
+
- Ls+R1
Kt
Ke
IV m 1n
Pil t i A l i M t i DC
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Pilotaggio Analogico Motori DC
Vcc
+
R
V
I
V
t
Vapplicata al motore varia con continuit in modo dolce
Bassa efficienza a causa della elevata potenza dissipata nella resistenza o nel
transistor pilota
Pil t i PWM M t i DC
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Pilotaggio PWM Motori DC
Vcc
+
c
V
I
V
t
Alta efficienza, la potenza trasferita quasi interamente al motore
Facilit di realizzazione tramite elettronica digitale
Problemi di emissioni elettromagnetiche
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Struttura del sistema di controllo dal punto di vista fisico
D/A P(s)
dsistema + attuatorielettronica
C(s)
T(s)
n
+
+
trasduttore
+
-
A/D
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Scheda di controllo
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Scheda di controllo
Riferimento di
Posizione
Controllore
-Comparatore
-Calcolo controllo-Elab. Encoder
GeneratorePWM
Driver
Alimentazione di
Potenza
Amplificatore
(H-Bridge)
Protezione percorrenti eccessive
SegnaleEncoder
Uscita alMotore
Scheda di controllo
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Scheda di controllo
Segnale diRiferimento
(analogico)
Segnale di
Controllo
(digitale)
Alimentazionedi Potenza
(analogico)
Segnale di
controllo
amplificato
(analogico)
Feedback
dallEncoder
(digitale)
Segnale di Riferimento
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Segnale di Riferimento
Potenziometro: resistenza
variabile da 0 al valore di fondo
scala
R1
Rvar
Vc
Vout
I
1 var
cV
IR R
=+
var var
1 var
c
out
VV IR R
R R= =
+
PIC: Peripheral Interface Control
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p
Famiglia di microcontrollori prodotti dalla Microchip
Integrano al loro interno un microprocessore, una
memoria ROM e una RAM, delle interfacce I/O, espesso alcune periferiche aggiuntive (convertitori
D/A, Timer, etc.)
Il software pu essere compilato su un PC e poi
scaricato nella memoria del PIC con dei semplici
programmatori
Il PIC nella foto (PIC16C745) lavora alla velocit di
24MHz, e dispone di una memoria di 8KByte
Amplificatore
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p
Formato da quattro MOSFet (Metal Oxide
Semiconductor Field Effect Transistor) in
configurazione Ponte H
Ogni Mosfet un amplificatore tensione-
corrente fino alla soglia di saturazione,
oltre si comporta semplicemente come un
circuito chiuso.
Pilotare lamplificatore in PWM vuol diresemplicemente alternare fasi in cui i mosfet
sono spenti a fasi in cui essi sono in
saturazione
Lamplificatore funziona in manieraanalogica quando ogni mosfet viene fatto
lavorare nella sua zona attiva, in cui regola
la corrente che scorre al suo interno in
base alla tensione di controllo applicata
Lelettronica pu interfacciarsi con un PC o essere stand-alone
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controllo alto livello interfaccia elettronica(controllo basso livello)
sistema da controllare
sistema da controllarecontrollo alto livello
+controllo basso livello
L elettronica pu interfacciarsi con un PC o essere stand alone
Pendubot
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Pendubot
Alimentazione stadio potenzaRobot Computer + scheda controllo