Obiettivi formativi
L'insegnamento di Azionamenti Elettrici per l'Automazione ha l'obiettivo di fornire le conoscenze di base relative al funzionamento e all'impiego dei diversi tipi di azionamenti elettrici:
* macchine in corrente continua;
* brushless DC e AC;
* macchine asincrone;
* azionamenti a moto incrementale.
Al termine del corso lo studente dovrà conoscere, per ogni tipologia di azionamenti:
* i dettagli costruttivi;
* i principi di funzionamento;
* i sensori applicabili per la misura di corrente, posizione, velocità;
* i principali schemi e algoritmi di controllo;
* le possibili applicazioni (industriale, autotrazione, elettrodomestici, ecc.).
L'ultima parte del corso ha lo scopo di fornire le conoscenze di base e le buone pratiche legate al controllo digitale degli azionamenti elettrici, in particolar modo mediante microcontrollori e DSP a virgola fissa. In questo ambito lo studente dovrà dimostrare di saper progettare algoritmi di controllo basati su processori a virgla fissa massimizzando l'utilizzo delle dinamiche numeriche a disposizione e implementando buone pratiche di programmazione embedded.
Il laboratorio di Azionamenti Elettrici per l'Automazione ha l'obiettivo di formare gli studenti alla realizzazione di firmware di controllo digitale per azionamenti elettrici basati su DSP o microcontrollori a virgola fissa. Le nozioni acquisite verranno messe in pratica con la realizzazione di un controllo digitale su kit di sviluppo fornito agli studenti.
Gli studenti dovranno acquisire le nozioni riguardanti le buone pratiche di programmazione embedded orientata agli eventi, finalizzate al controllo real time dei sistemi, e applicarle al controllo digitale di un azionamento elettrico.
L'attività di laboratorio sarà svolta a gruppi di 3-4 studenti, con l'ulteriore scopo di sviluppare le competenze trasversali di lavoro in gruppo.
Prerequisiti
Elettrotecnica; controlli automatici; fisica generale 1, elementi di programmazione, elementi di elaboratori elettronici.
Contenuti dell'insegnamento
Conversione elettromeccanica dell'energia; azionamenti basati su motori DC, AC (brushless, asincroni) e a moto incrementale; controllo digitale. Realizzazione in laboratorio di un controllo digitale per motori elettrici basato su DSP o microcontrollore.
Programma esteso
1. Introduzione agli azionamenti elettrici, conversione elettromeccanica dell'energia, caratteristiche comuni, zone di funzionamento, energia, coenergia, calcolo della coppia. Introduzione alle macchine elettriche polifase, distinzione fra coppia da anisotropia e da magneti permanenti. (8 ore).
2. Macchina elettrica in corrente continua, costruzione e principio di funzionamento. Quadranti di funzionamento, deflussaggio. Modello dinamico, controllo in retroazione di corrente e di velocità. Alimentazione switching mediante ponte H con PWM, ripple di corrente, circolazione delle correnti, diodi di ricircolo, resistenza di frenatura. (10 ore).
3. Macchina brushless DC, coppie polari, coppia di impuntamento e skewing. Funzionamento due-fasi-on e tre-fasi-on, calcolo della coppia del brushless DC. Alimentazione mediante ponte trifase. Controllo mediante sonde ad effetto Hall on/off. (6 ore).
4. Sensori di corrente: resistenza di shunt, sensore ad effetto Hall con e senza compensazione. Sensori di posizione e velocità: dinamo tachimetrica, encoder assoluto e incrementale, resolver. (2 ore).
5. Macchina brushless AC, generazione del campo magnetico rotante, angolo di coppia, trasformazioni di Clarke e Park, modello della macchina su assi rotanti. Calcolo della coppia della macchina brushless AC, macchine anisotrope, deflussaggio, controllo vettoriale e pilotaggio MTPA e MTPV. (7 ore).
6. Macchina a induzione, scorrimento, modello circuitale. Calcolo della coppia della macchina a induzione, caratteristica coppia/velocità, utilizzo da rete e tecniche di partenza. Controllo a V/f costante e a scorrimento mediante inverter. Introduzione al controllo vettoriale. Prove sulla macchina a induzione. (7 ore).
7. Azionamenti a moto incrementale, tipologie a riluttanza variabile, a magneti permanenti e ibridi. Controllo in catena aperta, microstepping, macchine switched reluctance. (2 ore).
8. Confronto fra i vari tipi di macchine elettriche rotanti: caratteristiche e campi di impiego tipici, automazione (azionamenti per asse e per mandrino), autotrazione. (1 ora).
9. Introduzione ai controlli embedded con microcontrollori e DSP a virgola fissa. Formati numerici, rappresentazione frazionaria, operazioni aritmetiche, normalizzazione, differenze fra DSP e microcontrollori, tecniche di saturazione numerica, programmazione orientata agli eventi. (4 ore).
10. Architettura e utilizzo di microcontrollori e DSP orientati al controllo di convertitori elettronici di potenza (2 ore).
11. Buone pratiche di programmazione embedded orientata agli eventi, finalizzate al controllo real time dei sistemi (1 ora).
12. Tutorial sull'utilizzo di ambienti di sviluppo integrati per DSP e microcontrollori commerciali (2 ore).
13. Realizzazione in laboratorio di un controllo digitale per motori elettrici basato su DSP o microcontrollore a virgola fissa (20 ore).
Bibliografia
Dispense fornite dal docente e scaricabili dalla piattaforma Elly.
Metodi didattici
I primi 2/3 del corso saranno erogati principalmente sotto forma di lezioni frontali alla lavagna, con brevi attività di simulazione al calcolatore.
L'ultimo terzo consiste in attività di laboratorio volte al progetto e realizzazione di un controllo digitale per motori elettrici.
Gli studenti, suddivisi in gruppi, avranno a disposizione kit di sviluppo completi di schede di controllo e motori elettrici e dovranno scrivere il firmware di controllo utilizzando ambienti di sviluppo integrati su PC.
Modalità verifica apprendimento
Relazione sull'attività di laboratorio ed esame orale.
Al termine delle attività di laboratorio, ogni gruppo di lavoro dovrà consegnare una relazione scritta sulle attività svolte. Una volta consegnata la relazione e ricevuta la relativa valutazione gli studenti potranno accedere anche singolarmente all'esame orale.
Il voto dell'esame orale conta per 2/3 sulla valutazione finale, la valutazione dell'attività di laboratorio per 1/3.
