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Attuatori

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Attuatori
Gli attuatori si trovano in fondo alla catena, in quanto sono in grado di convertire comandi elettrici in alterazioni di grandezze fisiche. I principali metodi di trasformazione dell'energia elettrica riguardano l'energia termica e meccanica. Nel primo caso è sufficiente inserire una resistenza, che scaldandosi, trasforma la tensione/corrente in calore. Ovviamente la tensione in ingresso può prima essere amplificata con un amplificatore di potenza, oppure, in caso di grandi potenze, si usano interruttori pilotati basati su solenoidi, che muovono un nucleo magnetico al loro interno.
L'unico problema elettronico per trasformare l'energia elettrica è quello di pilotare un carico induttivo.

Motore a corrente continua a magnete permanente
Il motore a CC a magnete permanente è composto da un rotore e da uno statore a magnete permanente. Il rotore produce un movimento rotatorio con una coppia motrice. Il campo magnetico prodotto dallo statore dipende dall'induttanza (La) di armatura. Per controllare la velocità e la coppia occorre pilotare l'induttanza mediante tensioni e correnti.
Il metodo più semplice è quello di collegare il motore all'alimentazione in modo da fornire una tensione fissa e costante. In questo modo però non si può avere altro controllo se non i comandi di ON/OFF. Per evitare il sovraccarico dell'interruttore e il conseguente danneggiamento è posto un diodo di ricircolo, che, all'apertura del circuito, permette alla corrente dell'induttore di scaricarsi lentamente.
Per avere il controllo sulla velocità del motore si potrebbe variare la tensione di armatura, pilotando il transistore in linearità. Se si utilizza un controllo continuo il transistore può trovarsi a erogare correnti molto elevate. Questi transistori vengono detti transistori di potenza e sono caratterizzati da un'area attiva molto elevata (per gestie grandi correnti) e una base molto larga con una conseguente bassa amplificazione di corrente. Normalmente, poichè i transistori non sono pilotabili direttamente, si usa la tecnica darlington, che prevede l'inserimento di due trasistrori in cascata.
Nei sistemi di controllo si usano anelli di reazione con il compito di prelevare informazioni utili al pilotaggio, come la velocità... In molti casi il motore è già munito di sensori in grado di dare queste informazioni.
Il sistema di controllo deve essere dotato di grandi dissipatori, per evitare surriscaldamenti. Per avere controllo continuo con potenza dissipata limitata si usa il controllore ON/OFF, pilotando l'interruttore con un'onda variabile con duty cycle variabile, siccome il motore si comporta come un filtro passa-basso, sensibile solo al valore medio del segnale. Questa tecnica è detta modulazione a larghezza di impulso (PWM).

Dispositivi di potenza
Se si utilizza la tecnica PWM, si necessitano dispositivi in grado di lavorare in due stati, in cui il passaggio da uno stato all'altro sia pilotato a piccola potenza. Tra i dispositivi utilizzati per questo scopo sono i transistori bipolari (BJT) e i MOS. Per pilotare invece grandi potenze si usano i tiristori.
I BJT hanno principalmente tre parametri: la massima corrente di collettore, la massima tensione applicabile e la potenza dissipata. Dal punto di vista dinamico è importante valutare il tempo di commutazione. I principali vantaggi dei BJT sono il costo ridotto, ridotta tensione di accensione e bassa caduta di tensione. Tra gli svantaggi troviamo i lenti tempi di commutazione e la grande corrente di base richiesta per il pilotaggio.
I transistori MOS sono dispositivi verticali con un terminale posto dalla parte opposta rispetto agli altri terminali. I più usati sono quelli a canale n, in quanto hanno resistenze più piccole. Hanno comando in tensione, permettendo il controllo a potenze elevate. Hanno interfacce comandabili con segnali logici e hanno tempi di commutazione molto veloci. I MOS quando sono accesi hanno un comportamento resistivo, con un coefficiente di temperatura positivo, permettendo l'inserimento di più dispositivi in parallelo per garantire maggiori correnti. I bipolari, invece, non sono inseribili in parallelo in quanto all'aumentare della temperatura fanno passare più corrente, bruciandosi a vicenda (latchup). Tra gli svantaggi dei MOS è da menzionare la maggiore tensione di accensione, rispetto ai BJT, e la maggiore caduta di tensione nella fase ON.
Il tiristore (SCR) è un dispositivo a tre terminali ottenuto con la sovrapposizione di zone n-p-n-p. Per il comando si va ad annullare la zona p, mediante una corrente iniettata, in modo che due zone n entrino in contatto formando un diodo. Il dispositivo continua a condurre finchè non si inverte la corrente di attivazione. A causa di accoppiamenti capacitivi si hanno dei limiti alla variazione della tensione anodo-catodo, risulta quindi difficoltoso il comando in tensione. Il funzionamento da diodo in un solo verso permette al tiristore di rimanere attivo finchè non si varia la tensione di comando.

Circuiti di azionamento
Dal punto di vista dell'eccitazione degli avvolgimenti il problema base è quello di dover accendere un motore con una corrente fissa. La struttura del circuito di azionamento è quella di un MOS di potenza usato come interruttore. Occorre usare i semiponti o i ponti per invertire la corrente. Il tempo di accensione e spegnimento del motore è limitato dai tempi di accensione e di spegnimento dell'avvolgimento. La carica avviene con costante di tempo La/Ra, che deve essere diminuita. Per fare questo ci sono diversi metodi:
-viene messo in serie al diodo di ricircolo una resistenza R, che smorzi la scarica durante lo spegnimento. Tale meccanismo non aiuta in fase di accensione.
-viene inserito un diodo Zener per dissipare l'energia dell'induttanza. Anche questo meccanismo non aiuta in fase di accensione.
-viene posta una resistenza in serie all'avvolgimento. Questa soluzione aiuta in fase di accensione, ma non è applicabile con motori di una certa potenza, in quanto riduce le prestazioni
-viene utilizzato un pilotaggio con doppia tensione. Questa soluzione riduce il tempo di accensione e viene messo in pratica nel seguente modo: si alimenta l'avvolgimento nella fase di accensione con una tensione molto superiore rispetto a quella nominale. Quando l'avvolgimento si è caricato ad un valore prossimo a quello nominale, si commuta l'alimentazione sulla tensione di funzionamento nominale. Lo spegnimento è reso veloce con la resistenza in serie al diodo o con un diodo Zener.
-pilotaggio switching o chopper, che utilizza la tecnica PWM. L'avvolgimento è caricato con una tensione molto superiore a quella nominale. Quando la corrente (Ia) dell'avvolgimento raggiunge un valore prossimo a quello nominale il transistore inizia a spegnersi e ad accendersi in modo tale da mantenere la corrente costante al valore richiesto. L'unica complicazione è data dal circuito per il controllo della corrente, in modo da gestire il duty cycle corretto.


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