Transcript Sensori di posizione

Sensori di posizione
Matteo Mudoni
Janko Jaridic
Cosa sono?
Sono dei dispositivi che servono a misurare la posizione di un
determinato oggetto nello spazio e sono in grado di generare in
uscita dei segnali proporzionali alla posizione assunta da un
organo in movimento oppure di eseguire la misura di una
lunghezza. Le informazioni sulla posizione trasmessa possono
derivare da misure lineari o angolari.
A cosa servono?
• I sensori di posizione possono usati per misurare :
- Rotazioni (Trasduttori di tipo angolare)
- Spostamenti Lineari (Trasduttori di tipo lineare)
Tipologie
• Le principali famiglie sono :
1. I potenziometri
2. Gli encoder (incrementali o assoluti)
3. I resolver (syncro)
4. I trasformatori lineari differenziali (LVDT)
Campi di applicazione
• I trasduttori di posizione hanno una importanza vitale
soprattutto nelle tecniche di controllo di processo e di
automazione, dove spesso è essenziale conoscere il
posizionamento di organi mobili. Con l'esclusione, forse dei
soli potenziometri, sono tipicamente trasduttori secondari,
che usano al loro interno sensori fotoelettrici, di campo
magnetico o di qualunque altra grandezza la cui intensità
possa dipendere dalla posizione spaziale di un qualche
oggetto.
I POTENZIOMETRI
I potenziometri
• Sono costituiti da un filo o da uno strato metallico, avvolto su
un supporto isolante, e da un contatto mobile in grado di
spostarsi lungo il conduttore.
I potenziometri
• Il contatto mobile è solidale con l'elemento di cui si vuole
misurare la posizione; qualunque spostamento del contatto
mobile si traduce in una variazione del valore della
resistenza. Il potenziometro è poi inserito in un circuito
alimentato da una sorgente di tensione costante, in modo
che ogni variazione della posizione si traduce in una
variazione della tensione erogata.
I potenziometri
• È evidente che i potenziometri sono sensori di tipo modulante
in quanto per ricavare una informazione elettrica utile occorre
inserirli in un circuito in cui sia presente una sorgente di
alimentazione ausiliaria.
I potenziometri
Abbiamo 2 categorie di potenziometri:
- Lineari o rettilinei
(misurano spostamenti lineari)
- Angolari o rotativi
(misurano spostamenti angolari)
I potenziometri
• I potenziometri angolari si dividono in
1) monogiro nei quali la rotazione ammissibile è limitata ad
un giro (teoricamente 360°, praticamente 300°-340° )
2) multigiro nei quali invece è ammessa una rotazione di più
di un giro
I potenziometri
• Nel caso di potenziometro lineare, se i morsetti dello stesso
sono collegati ad un carico di resistenza infinita (cioè nel caso
non si abbia erogazione di corrente come in un circuito
aperto), la tensione di uscita sarà data dalla formula:
𝑉𝑢 =
𝑋
*𝑉𝑖
𝑙
Dove:
𝑉𝑢 = tensione di uscita ai morsetti del potenziometro
X= spostamento lineare
l= massima escursione del potenziometro
𝑉𝑖 =tensione di alimentazione del potenziometro
I potenziometri
• Considerando il potenziometro angolare invece avremo che la
formula precedente si trasforma in:
𝑉𝑢 =
Φ
Φ𝑚𝑎𝑥
*𝑉𝑖
Dove:
𝑉𝑢 = tensione di uscita, ai morsetti del potenziometro
Φ = rotazione
Φ𝑚𝑎𝑥 = massima rotazione ammissibile del potenziometro
𝑉𝑖 = tensione di alimentazione del potenziometro
I potenziometri
• Confrontando le formule precedentemente scritte è possibile
notare come i potenziometri forniscono in uscita un segnale di
tensione proporzionale allo spostamento subito dal contatto
mobile; per questo si può affermare che il potenziometro è un
trasduttore lineare.
• In realtà la linearità, ossia la proporzionalità tra segnale di
ingresso( =spostamento) e segnale di uscita ( = tensione Vu), è
assicurata se la resistenza dell’elemento conduttore si
mantiene constante
I potenziometri
• Nella realtà si possono avere degli scostamenti dal
comportamento lineare dovuti a:
1) riscaldamento del conduttore, per effetto Joule provocato
dalla corrente circolante
2) disomogeneità dell’elemento conduttore ( ad esempio filo
non perfettamente calibrato )
I potenziometri – Parametri di
scelta
• Resistenza in ohm : rappresenta la resistenza complessiva del
potenziometro (può variare da pochi ohm sino al megaohm)
• Potenza dissipabile : rappresenta la potenza che il trasduttore
può dissipare senza danneggiarsi
• Risoluzione: è il minimo spostamento apprezzabile, cioè in
grado di determinare una variazione della tensione di uscita
• Sensibilità: è la variazione di tensione determinata da uno
spostamento unitario del cursore; la sensibilità è tanto più
elevata quanto è maggiore la tensione di alimentazione U (il
cui limite massimo è imposto dalla massima potenza
dissipabile)
• Intervallo di temperatura: rappresenta l’intervallo di
temperatura ambiente all’interno del quale il trasduttore può
funzionare correttamente.
I potenziometri – Campi di
applicazione
• calibri potenziometrici analoghi a quelli meccanici; il campo è
lo stesso (200 – 250 mm), la sensibilità più elevata (0,01 mm).
• Essendo dei sensori di posizione di tipo assoluto, sono
utilizzati per controllare lo spostamento lineare degli assi. Essi
mantengono la posizione reale anche in assenza di
alimentazione, sono quindi indicati per applicazioni su
macchine in cui risulta complicata la rimessa a zero dell’asse
ad ogni riaccensione (per esempio se il materiale resta a lungo
in lavorazione)
• E' spesso utilizzato come generatore di set-point negli anelli di
controllo. In questo caso al cursore, che viene azionato
dall'operatore di impianto, è associata una scala numerata che
indica approssimativamente all'operatore il valore corrente del
set-point.
I potenziometri
L'unica anomalia che può verificarsi in un potenziometro
nell'arco della sua vita operativa, è costituita dalla rumorosità,
termine adottato per indicare la perdita di linearità del materiale
resistivo costituente la pista su cui scorre il contatto strisciante.
TRASFORMATORE LINEARE
DIFFERENZIALE (LVDT)
LVDT
• Il trasformatore differenziale o LVTD (Linear Variable
Differential Transformer) é uno dei dispositivi piu utilizzati
nelle applicazioni industriali per convertire uno spostamento
meccanico in un segnale elettrico.
• I trasformatori differenziali sono dispositivi di precisione
utilizzati per rilevare spostamenti che vanno dal micron a
qualche centimetro.
LVDT
• Un Trasformatore Variabile Differenziale Lineare consiste in un
avvolgimento principale, due avvolgimenti secondari ed un
nucleo. Gli avvolgimenti principali e secondari sono alloggiati
in un cilindro di metallo, con un’asta, corredata di un nucleo
mobile di materiale ferromagnetico, generalmente ferronichel, semovibile che può scorrere dentro il cilindro.
LVDT
• L’avvolgimento primario sarà alimentato da una tensione
alternata di ampiezza costante mentre i due avvolgimenti
secondari andranno connessi in controfase
LVDT
• Poiché i due avvolgimenti secondari sono collegati in
opposizione, la tensione di uscita del dispositivo sarà la
differenza tra le tensioni indotte in ciascun avvolgimento
secondario 𝑉𝑜𝑢𝑡 = 𝑉1 − 𝑉2 .
• Se poniamo il nucleo mobile in tale posizione l'accoppiamento
tra il primario e i due secondari è della stessa entità, per cui le
due tensioni sono dello stesso valore e, di conseguenza, il
valore della tensione di uscita è nullo (posizione di zero).
• La variazione dell'accoppiamento determina la variazione della
tensione indotta sui due avvolgimenti secondari e, quindi,
della tensione di uscita del dispositivo 𝑉𝑜𝑢𝑡 ; tale variazione è
funzione dello spostamento del nucleo e quindi della sua
posizione.
LVDT
• Se il circuito magnetico e l’intensità dell’eccitazione sono tali
da non introdurre distorsione nel segnale, la forma d’onda in
uscita ha lo stesso andamento temporale della forma d’onda
di eccitazione, che è sinusoidale; ampiezza e fase di
quest’ultima dipendono dall’entità dello spostamento del
nucleo e dalla direzione in cui esso si è spostato.
• L'informazione che riguarda la posizione del nucleo rispetto
alla posizione centrale dipende allora da due diversi parametri
della grandezza di uscita: l'entità dello spostamento, legata
all'ampiezza del segnale; la direzione in cui è avvenuto lo
spostamento, legata alla fase presente tra segnale di uscita e
di eccitazione.
LVDT
• Studiando solo l’ampiezza del segnale di uscita non riusciremo
a determinare la direzione dello spostamento. Per questo
bisogna processare il segnale in uscita dall’ LVDT. Questo viene
fatto tramite un raddrizzatore e un discriminatore di fase.
• Un'ulteriore operazione di condizionamento è il filtraggio e si
rende necessaria sia per il basso livello della tensione di uscita
sia per la presenza di disturbi determinati dall'accoppiamento
degli avvolgimenti di secondario con campi magnetici esterni;
la fonte maggiore di disturbo e in questo caso l'alimentazione
di rete.
LVDT – Caratteristiche di
funzionamento
• La possibilità di effettuare misure di spostamento senza che
sia presente contatto strisciante ; ciò consente il loro utilizzo in
misure critiche che non tollerano la presenza di contatto
strisciante, come ad esempio le deformazioni dinamiche o di
vibrazione
• Una vita meccanica infinita vista la mancanza di contatti
striscianti
• Una risoluzione infinita; l’accoppiamento magnetico permette
infatti di realizzare in uscita variazioni di piccolissimo valore
che consentono di rilevare anche piccolissime variazioni di
posizione del nucleo
• Ripetitività del punto di zero determinato dalla simmetria del
componente
LVDT – Specifiche di
funzionamento
• Sensibilità: viene indicata dal costruttore come il valore della
tensione di uscita per un dato spostamento ( Lvdt commerciali
hanno sensibilità di qualche decimo di mV per spostamenti di
0,025mm)
• Linearità: I trasformatori differenziali in commercio
presentano non linearità dovuta principalmente alla presenza
nel circuito di materiali ferromagnetici (nucleo); questo
provoca la comparsa di armoniche di frequenza maggiore
dell’eccitazione.
• Tensione di alimentazione: i trasformatori differenziali
possono funzionare a una frequenza compresa tra 50 Hz
(determinato dalla velocità con cui varia l’ingresso) e 20
Khz(limitata dalla temperatura massima negli avvolgimenti).
LVDT – Campi di applicazione
• La loro capacità di misurare piccoli spostamenti permette il
loro impiego anche in campi diversi da quello della rilevazione
di una posizione. Possono infatti essere usati per rilevare
forze, pressioni o sollecitazioni meccaniche, vibrazioni ,
accelerazioni e inclinazioni
Potenziometri vs Lvdt
• Il Trasformatore Variabile Differenziale Lineare è progettato
per essere utilizzato con la stessa facilità di un
comune potenziometro lineare ma con vantaggi non
indifferenti in termini di:
• precisione
• basso attrito del sensore
• risoluzione infinita
• possibilità di operare in zone molto calde.
Resolver
• Il Resolver è un sensore di posizione angolare largamente
utilizzato nelle applicazioni industriali, soprattutto per il
controllo della posizione e della velocità dei motori elettrici.
• Molto affidabile, abbastanza preciso, non troppo costoso, in
grado di essere applicato su sistemi in rotazione continua.
• La sua robustezza, la tecnologia elettromagnetica simile a
quella realizzativa di un motore e la relativa insensibilità agli
sbalzi di temperatura lo rendono idoneo all’integrazione
all’interno del motore stesso.
Resolver
• Il principio di funzionamento del Resolver si basa sulla
variazione dell’accoppiamento (di tipotrasformatorico) tra due
sistemi di avvolgimenti elettrici ruotanti l’uno rispetto all’altro.
Resolver
Resolver
• Sul sistema Generatore viene impressa una tensione
sinusoidale alternata che genera un flusso magnetico che,
accoppiandosi con il circuito del sistema Rivelatore, crea una
tensione indotta dipendente dalla tensione impressa sul
primario e dalla posizione relativa θ dei due sistemi.
• Di solito sono composti da un avvolgimento rotore (primario)
e due avvolgimenti di statore (secondari) sfasati di 90 gradi.
Resolver
Resolver
• La tensione sul primario e’:
• Vr = Vm sin(ωt)
• Allora le tensioni indotte sui secondari sono:
•
Vs1 = KVr cosθ = KVm sin(ωt) cosθ
•
Vs2 = KVr sinθ = KVm sin(ωt) sinθ
• Dove θ e’ l’angolo relativo tra il circuito rotore e quello di statore e K
e’ una costante di proporzionalita dipendente da parametri
costruttivi del sensore.
Resolver
• Quindi come segnale di uscita abbiamo una coppia delle
tensione alternate che hanno le pulsazioni pari a quella del
segnale in primario, ampiezza dipendente dalla posizione del
rotore e fase concorde rispetto alla tensione sul primario.
• Grazie alla presenza dei due circuiti di statore sfasati di 90
gradi, il resolver fornise la posizione assoluta dell’asse rotante
all’interno di un giro. Esistono due tipi di realizzazione dei
Resolver.
Realizazzioni con p coppie di
espansioni polari
• Il sensore fornisce la posizione assoulta all’interno di un giro
elettrico, a cui corrispondono 1/p giri meccanici. Tale
soluzione consente di ottenere una maggiore risoluzione del
sensore
Realizazzioni con p coppie di
espansioni polari 2
Realizzazione brushless
• Il primario e’ alimentato tramite un trasformatore rotante.
Problemi di interfacciamento
• Necessita di un circuito di demodulazione che estragga
l’ampiezza delle tensioni sinusoidali dal rivelatore e da questo
ricavi l’angolo relativo.
• Tensioni spurie che si traducono in errori di misura dovute al
fatto che negli azionamenti con motori Brushless Resolver
deve funzionare correttamente a velocita di rotazione molto
elevate.
Resolver to Digital Converter
• Viene utilizzato nei sistemi di controllo digitale, ed effettua sia
l’operazione di demodulazione che la conversione
analogico/digitale del segnale cosi estratto.
Resolver to Digital Converter
• E’ possibile realizzare la conversione del segnale del resolver
con un circuito integrato autonomo, effettuando una
estrazione implicita dell’angolo.
• sin(θ - δ) = sinθ cosδ – cosθ sinδ
• Dove δ rappresenta un angolo digitale
• Se la differenza tra θ e δ è piccola, si può considerare valida
l’approssimazione:
• sin(θ - δ) ~ θ - δ
• Pertanto si può pensare di “approssimare” l’angolo reale θ con
un valore δ, che venga “corretto” in base al suo discostamento
dal valore reale.
Resolver to Digital Converter
Caratteristiche del resolver
• Errore di linearità: da 0.1 % a 0.5 %.
• Frequenza della tensione di alimentazione: da 500 Hz a 20Khz.
• Il Resolver è un sensore di posizione molto affidabile,
abbastanza preciso, non troppo costoso, in grado di essere
applicato su sistemi in rotazione continua.
• L’inconveniente principale nelle applicazioni digitali è la
necessità di un circuito di demodulazione e conversione
digitale abbastanza complesso e costoso.
FINE