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Temi Principali

Pubblicazioni

Controllo di motori elettrici e
convertitori di potenza

Elenco di alcune
pubblicazioni recenti

Controllo digitale: applicazioni,
architetture e tecnologie

Abstracts di alcune
pubblicazioni recenti

Robotica e Controllo del moto

Prototipazione Rapida

Controllo di Motori Elettrici e Convertitori di potenza

È uno dei settori nel quale ho concentrato l'attività principale degli ultimi anni. Lo stimolo all’attivazione di questo filone di ricerca è venuto dalla esigenza di disporre di motorizzazioni efficaci per la Robotica. L'interesse è rivolto prevalentemente alla messa a punto di algoritmi avanzati (robusti e non lineari) per la realizzazione di azionamenti ad elevate prestazioni dinamiche per i quali sia tuttavia possibile definire semplici ed efficaci procedure di taratura dei parametri. Sono stati considerati tutti i tipi di motorizzazioni, ed in particolare è stato analizzato a fondo il problema del controllo di motori accoppiati in presa diretta sul carico e dei motori ad induzione.

1.a) Aspetti Generali

È stato analizzato a fondo il problema del controllo di motori elettrici in un contesto generale che consentisse di prescindere, nei limiti del possibile, dal tipo di motore considerato. Questo ha portato alla definizione di una struttura unificata per il controllo robusto, costituita da una cascata di moduli di controllo (velocità, flusso, coppia o corrente) e di ottimizzazione ( flussi o correnti in funzione della coppia) standardizzabili per ogni tipo di motore. Ad ogni livello di controllo, le metodologie più potenti e le tecnologie implementative più idonee possono essere liberamente utilizzate.

1.b) Motori Asincroni ad Induzione

Sul motore asincrono ad induzione si è concentrata la maggior parte delle ricerche a livello internazionale nel settore degli azionamenti, per la sua importanza come macchina elettrica e per la difficoltà del controllo dovute alle sue caratteristiche fortemente nonlineari e tempo varianti. Molte ricerche proposte in letteratura affrontano il problema da un punto di vista essenzialmente teorico, considerando il motore ad induzione come un interessante sistema di equazioni differenziali non lineari su cui dimostrare l’applicabilità di tecniche di controllo non lineare piuttosto che un sistema fisico di grande diffusione per il quale le ipotesi semplificative devono comunque sempre rispettare precisi vincoli fisici. Se ci si pone il problema del controllo di un sistema fisico "vero" la dimostrazione delle fondamentali proprietà di stabilità (locale o globale, asintotica o esponenziale) se risulta certamente indispensabile non è assolutamente sufficiente per dimostrare la fattibilità e l’interesse applicativo dei risultati.

Il contributo originale delle mie ricerche su questo tipo di motore è legato allo sviluppo di algoritmi di controllo non lineari dall’uscita per i quali sia possibile dare tutte le dimostrazioni di stabilità ma che possiedano una struttura basata sulle proprietà fisiche del motore ed una parametrizzazione che, a fronte di specifiche reali, ne consentano la taratura con tecniche standard note anche a livello industriale.

I lavori più significativi sono il [3], [4] per la soluzione non lineare ad elevata dinamica basata su modello di ordine ridotto (pilotaggio in corrente del motore) ed il [6], [7] per la soluzione basata sul modello completo, per le condizioni di disaccoppiamento dinamico degli anelli di corrente da quelli di velocità e flusso e per l’originale struttura del controllore non lineare che consente una semplice taratura dei parametri basata su tecniche frequenziali standard .

Nel corso del 1998 ho iniziato a considerare anche il problema molto meno noto del controllo di generatori ad induzione con rotore accessibile, di grande interesse nelle applicazioni a grande potenza come ad es. i generatori per le centrali eoliche. I primi risultati, verificati poi sperimentalmente su un generatore eolico da 500KW, sono presentati in [8] e [9] ed in altri lavori già accettati per la presentazione a convegni nel corso del 1999.

1.c) Motori a Riluttanza Variabile

Per questo tipo di motore, ideale per le applicazioni robotiche in presa diretta sul carico, ho sviluppato una notevole quantità di ricerche. L'attività è stata stimolata dalla convenzione, già citata, attivata alla fine degli anni '80 con l'AXIS s.p.a., che era interessata a realizzare un robot con motori in presa diretta. La scarsa letteratura su questo tipo di motore e la sua natura fortemente nonlineare mi hanno costetto ad affrontare il problema del controllo partendo dalla revisione critica del modello. Sulla base di un modello originale delle non linearità magnetiche e posizionali è stato poi messo a punto, mediante ottimizzazione nonlineare, un precompensatore statico di coppia che risolve il problema della ripartizione sulle tre fasi della coppia [11]. Successivamente è stato affrontato il problema del controllo di coppia per questo motore, con tecniche di linearizzazione mediante retroazione e con tecniche di tipo sliding mode. I due approcci sono poi stati confrontati in [2], dove vengono approfondite le implicazioni implementative e risolte, rivedendo anche il progetto del precompensatore di coppia, alcune singolarità nel comportamento di entrambi gli algoritmi nel funzionamento a coppia nulla. A completamento della attività è stato realizzato un prototipo completo del sistema, comprendente anche gli anelli di velocità e posizione [16].

1.d) Controllo di corrente di convertitori di potenza trifase

Questa tematica di ricerca nasce nell’ambito del controllo dei motori dall’esigenza di specializzare questo importante tipo di controllo con soluzioni in cui la valenza tecnologica non può essere disgiunta da quella metodologica. La particolare natura del convertitore di potenza che opera strutturalmente in commutazione rende questo tipo di controllo "naturalmente" adatto a tecniche di controllo a struttura variabile che consentono di comprendano nel modello l’amplificatore in commutazione. A causa delle elevatissime bande passanti richieste e dall’esigenza di contenere il costo della realizzazione, per questo tipo di controllo lo sviluppo dell’algoritmo non può prescindere dalle tecnologie adottate per la sua implementazione. Ho dedicato particolare attenzione a questo problema di controllo, proponendo un approccio originale basato sull’implementazione di un controllore dinamico a struttura variabile per mezzo di un automa a stati finiti realizzabile con semplice hardware logico. Il risultato è una famiglia di controllori molto economico, dotati di grande robustezza (derivanti dalla struttura VSS) e caratterizzato da elevatissima banda passante (garantita dalla implementazione hardware), limitata solo dalla frequenza di commutazione dell’inverter. Tra i diversi lavori che rientrano in questo tema i più interessanti sono [12], per aver focalizzato il problema della interazione tra le metodologie di controllo utilizzate per risolvere un problema e le tecnologie adottate per l’implementazione del regolatore, [13], [14] per l’originalità e la qualità delle soluzioni proposte e la verifica sperimentale delle prestazioni.

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Controllo Digitale: Applicazioni, Architetture e Tecnologie

È il denominatore comune di tutta la mia attività di ricerca dall'inizio degli anni '80. In questa descrizione non sono comprese, anche se lo potrebbero, le ricerche sul controllo robusto e nonlineare dei motori elettrici e della mano robotica alle quali sono state dedicate sezioni a parte. Le ricerche relative al controllo digitale si possono suddividere in:

2.a) Progetto e Realizzazione di Regolatori Digitali ed Applicazioni

Con lo sviluppo di potenti Microprocessori e successivamente di Digital Signal Processor (DSP) è stato possibile realizzare controllori digitali con tecnologie idonee al trasferimento in prodotti industriali. Tra le altre state affrontate problematiche relative al controllo di motori elettrici e convertitori di potenza, al controllo adattativo, all'ottimizzazione del consumo energetico di un impianto chimico, al controllo del corpo farfallato motorizzato di un automobile [17].

2.b) Architetture e Tecnologie dei Sistemi di Controllo

Per favorire la sperimentazione delle metodologie e degli algoritmi di controllo studiati è stato spesso necessario realizzare o adattare idonee piattaforme Hardware/Software. Ho progettato e collaborato allo sviluppo di numerosi controllori, realizzati a Microprocessore o, più recentemente, con DSP o con hardware "Custom" dedicato [12], [13]. Nell'ambito del progetto per la realizzazione di una Mano Robotica ho contribuito alla realizzazione di un sistema originale di acquisizione-elaborazione-attuazione che ha richiesto anche la progettazione di moduli di condizionamento ed amplificazione basati su tecnologia elettronica ibrida.

Mi preme sottolineare che le ultime realizzazioni [15], [16] hanno raggiunto un livello di progettazione ed ingegnerizzazione apprezzati anche a livello industriale. Il prototipo della Mano Robotica è stato selezionato dal CNR per l'EXPO Universale di Siviglia.

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Robotica e Controllo del Moto

L'attività nel settore della Robotica si è concentrata essenzialmente sul progetto e la realizzazione di una Mano Robotica, mentre quella sul controllo del moto è il naturale corrollario delle attività di controllo associate alla robotica, nel senso più ampio di sistemi meccanici complessi. L’attività di ricerca robotica è originata da una convenzione con l'IBM Italia attivata nel 1986 dal Prof. C. Bonivento ed è confluita successivamente nel Progetto Finalizzato Robotica. L'attività è stata portata avanti fin dall'inizio da un nucleo di ricerca intedisciplinare comprendente, oltre a ricercatori di area Controllistica, anche ricercatori di area Meccanica ed Informatica.

4.a) La mano robotica

Tutti gli aspetti del progetto sono stati considerati, dalla progettazione meccanica ed elettronica della mano e del sistema di controllo, alla messa a punto degli algoritmi di controllo [10], alla implementazione del software per finire con la sperimentazione della mano sul Robot.

Sono state realizzate due versioni della mano e del relativo sistema di controllo. La estrema complessità ed atipicità del problema ci ha costretti a svolgere il lavoro in una ottica di elevata qualità anche dal punto di vista ingegneristico. La rilevanza del progetto, oltre che nella originalità di alcune soluzioni proposte per il controllo, sta essenzialmente nella qualità della realizzazione complessiva che ha richiesto uno sforzo enorme di ingegnerizzazione su problematiche fortemente interdisciplinari.

4.b Controllo del moto

Il problema del controllo del moto è il naturale tratto di collegamento tra le attività di robotica e quelle sul controllo dei motori. Questo tema è quindi di difficile estrazione dai precedenti contesti. Tuttavia, per alcuni risultati e soluzioni originali e per l’interesse che attualmente riservo a questo tema esso ha ricevuto specifica menzione. Particolare interesse ho rivolto allo studio di architetture di controllo in cascata per il controllo del moto. I risultati più interessanti dal punto di vista tecnologico sono riportati in [45], [46], mentre quelli più interessanti dal punto di vista metodologico sono riportati in [1].

Una menzione a parte meritano i risultati riportati in [12] dove il problema di controllo di un sistema meccanico fortemente non lineare e non deterministico è risolto con un regolatore caratterizzato da elevate prestazioni dinamiche, elevata robustezza ed estrema semplicità implementativa. Questo lavoro ha ricevuto il premio per il migliore articolo pubblicato nel 1994 dalla Rivista Internazionale IEEE Transaction on Industrial Electronics. In esso è mostrato come l'utilizzo di tecniche VSS può portare alla realizzazione di controllori robusti ad elevata dinamica, implementabili con hardware "custom" molto semplice.

Recentemente, ho iniziato ad occuparmi del problema della generazione in-linea, mediante sistemi dinamici nonlineari in retroazione, di traiettorie di moto con derivate limitate, con limiti variabili e risposte in tempo minimo e completamente smorzate nel rispetto dei vincoli. Mediante l’uso di un filtro non lineare del 2° ordine è stato risolto il problema della generazione in-linea di traiettorie con velocità ed accelerazione limitate, implementabili senza oscillazioni anche a tempo discreto. I primi risultati sono stati presentati in [5].

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Prototipazione Rapida per Sistemi di Controllo

La naturale prosecuzione della verifica in simulazione è quella sperimentale. Per semplificare questa importante ma complessa attività ho iniziato a lavorare sul concetto di prototipazione rapida fin dagli anni ’80. Come già spiegato diffusamente nel capitolo dedicato alla attività di laboratorio, i risultati sono arrivati solo nei primi anni ’90 quando ho progettato e sviluppato una stazione per la rapida prototipizzazione di controllori nonlineari [15]. Le motivazioni sono legate alla necessità di disporre di una architettura H/S molto potente per consentire al ricercatore di concentrarsi sullo sviluppo degli algoritmi complessi senza essere coinvolto in problemi di gestione del tempo reale o dei dispositivi di I/O. Caratteristica essenziale della stazione è l'integrazione della simulazione con la sperimentazione in tempo reale.

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Alcune pubblicazioni recenti

(per le pubblicazioni sottolineate è disponibile un breve Abstract)

Contributi con maggiore connotazione Metodologica:

  1. A Cascade Structure for Robust Control Design, IEEE Trans. on Automatic Control., Vol. 39, No. 4, aprile 1994. (in coll. con C. Bonivento, A. Nersisian, R. Zanasi)

  2. Feedback Linearizing and Sliding Mode Control of a Variable Reluctance Motor, International Journal of Control , Vol. 60, NO. 4, 1994, pp 543-568. (in coll. con C. Rossi)

  3. Adaptive Output Feedback Control of Current Fed Induction Motor - A Rotating Reference Frame Approach, European Control Conference ECC '95, Roma, settembre 1995. (in coll. con R. Morici, S. Peresada, C. Rossi).

  4. Exponentially stable output feedback control of induction motor, Int. Conference NOLCOS’98, Enshede, The Netherlands, luglio 1998. In versione estesa accettato per la pubblicazione su Int. Journal on Adaptive Control and Signal Processing – Special Issue on Induction Motor Control (in coll. con S. Peresada).

  5. Non linear filter for smooth trajectory generation, NOLCOS’98, Enshede, The Netherlands, luglio 1998. Accettato per la pubblicazione su Automatica (marzo 2000) (in coll. con R. Zanasi, C. Guarino Lo Bianco).

  6. High performance indirect field-oriented output-feedback control of induction motors, Automatica Vol.35, No.6, June 1999. (in coll. con S. Peresada, R.Morici)

  7. High performance robust speed-flux tracking controller for induction motor, Rapporto Interno DEIS, aprile 1999. Accettato per la pubblicazione su Int. Journal of Adaptive Control and Signal Processing (in coll. con S. Peresada).

  8. Indirect field-oriented control of induction motor: new design leads to improved performance and efficiency, Int. Conf. IECON’98, Achen, Germania, sett. 1998. (in coll. con S. Peresada, A. Tilli).

  9. Robust active-reactive power control of a doubly-fed induction generator, Int. Conf. IECON98, Achen, Germania, sett. 1998. (in coll. con S. Peresada, A. Tilli).
  10. Nonlinear Filters for the Generation of Smooth Trajectories, Automatica, 36 (2000) 439-448. Pergamon Press. (in coll. Con R. Zanasi, C. Guarino Lo Bianco).
  11. High performance robust sped-flux tracking controller for induction motor. International Journal of Adaptive Control and Signal Processing, 14 (2000), 177-200. John Wiley & Sons. (in coll. Con S. Peresada, A, Tilli)
  12. Theoretical and Experimental Comparison of Indirect Field-Oriented Controllers for Induction Motors, IEEE Transactions on Power Electronics, Vol 18, No.1 gennaio 2003, 151-163 (in coll. con S. Peresada, A. Tilli)
  13. Indirect Stator Flux-Oriented Output Feedback Control of the Doubly Fed Induction Machine, IEEE Transactions on Control Systems Technology, vol. 11 - ISSUE 6, pp. 875-888, November 2003 ISSN: 1063-653 (in coll. con S. Peresada, A. Tilli)
  14. Power Control of a Doubly-Fed Induction Machine via Output Feedback, Control Engineering Practice vol. 12 - Issue 1, pp. 41-57, January 2004. (in coll. con S. Peresada, A. Tilli).

 

Contributi con maggior connotazione Ingegneristica:

  1. Sliding Mode Control for a Robotic Hand, Robotersysteme, Vol.8 n.1, pagg 13-20, march 1992. (in coll. Con C. Melchiorri).

  2. Modelling and Control Strategies for a Variable Reluctance Direct-Drive Motor, IEEE Transactions on Industrial Electronics, IE-40, n.1, 105-115, feb. 1993. (in coll. con F. Filicori, C. Guarino Lo Bianco).

  3. Robust Control of Permanent Magnet Motors: VSS Techniques lead to Simple Hardware Implementations, IEEE Trans. on Industrial Electronics, Vol.41, NO.4, agosto 1994. (in coll. con C. Rossi). Best Paper Award for 1994.

  4. Robust Current Controller for a Three-Phase Inverter using Finite-State Automaton, IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 42, No. 2, aprile 1995. (in coll con C. Rossi).

  5. Sequential design of hysteresis current controller reduces inverter switching frequency, IEEE Trans. on Industrial Electronics, Vol.45, No.5, Ottobre 1998 . (in coll. con A. Tilli)
  6. Robust control of a throttle body for drive by wire operation of automotive engines, Rapporto interno DEIS, gennaio 1999. Accettato per la pubblicazione su IEEE Trans. on Control Systems Technology. (in coll. con A. Tilli, C. Rossi
  7. Control and Performance Evaluation of a Clutch Servo System with Hydraulic Actuation, Control Engineering Practice, vol. 12, no. 11, pp. 1369 1379, November 2004 (in coll. con M. Montanari, F. Ronchi, C. Rossi, A. Tilli)
  8. Control of a Camless Engine Electromechanical Actuator: Position Reconstruction and Dynamic Performance Analysis IEEE Transactions on Industrial Electronics Vol. 51 - issue 2 , aprile 2004 (in coll. con Marcello Montanari, Carlo Rossi, Fabio Ronchi).
 

Contributi con maggiore connotazione Tecnologica:

 

  1. Fast Prototyping of Nonlinear Controllers for Electric Motor Drives, Proc. IFAC world Congress 1993, Sydney, Australia, Luglio 1993. (in coll. con R. Morici, C. Rossi)

  2. Prototype controller for Variable Reluctance motors, IEEE Transaction on Industrial Electronics, Vol 43, No1, febbraio 1996. (in coll. con C. Guarino Lo Bianco, F. Filicori).

 

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Abstracts di alcune Pubblicazioni recenti

Contributi con maggiore connotazione Metodologica:

A Cascade Structure for Robust Control Design", IEEE Trans. on Automatic Control., Vol. 39, No. 4, aprile 1994. (in coll. con C. Bonivento, A. Nersisian, R. Zanasi)

È un contributo di tipo metodologico in cui è proposta una struttura di controllo robusto per sistemi nonlineari SISO. L'idea originale è quella della cascata di un controllore sliding mode con uno di tipo binario. Il primo assicura robustezza ed elevata dinamica per le variabili più veloci, il secondo robustezza per le variabili più lente senza introdurre azioni di controllo discontinue. La struttura di controllo proposta trova interessanti applicazioni nelle applicazioni robotiche e di controllo motori. Infatti, la robustezza e la semplicità realizzativa del controllo sliding mode unitamente alla possibilità di un pilotaggio diretto dell'amplificatore di potenza in commutazione risultano ideali per il controllo di corrente o coppia, mentre il controllo binario sull'anello di velocità assicura la necessaria robustezza senza introdurre chattering. Un esempio simulativo con nonlinearità sullo stato e disturbo esterno dipendente dal tempo mostra la qualità del sistema proposto.

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Feedback Linearizing and Sliding Mode Control of a Variable Reluctance Motor, International Journal of Control , Vol. 60, NO. 4, 1994, pp 543-568. (in coll. con C. Rossi)

È un altro lavoro di ampio respiro metodologico, che si propone di confrontare tecniche di linearizzazione mediante retroazione (FL) e a struttura variabile (VS) nel controllo di un sistema fortemente nonlineare come il motore a Riluttanza Variabile (VR). Nella prima parte del lavoro, dopo aver presentato brevemente il modello (vedi [37]), viene proposta la struttura generale di controllo, costituita da regolatore di velocità, da un precompensatore statico di coppia e da un controllore in retroazione. Dopo una breve descrizione del precompensatore di coppia, il problema del controllo in retroazione è affrontato con le due tecniche FL e VS. Per il particolare meccanismo di generazione di coppia del motore VR, non è possibile imporre traiettorie di coppia a derivata diversa da zero quando il motore non è flussato. Il problema della singolarità a flusso nullo è trattata e risolta in un apposito paragrafo. Le due tecniche di controllo sono poi confrontate mediante esperimenti di simulazione che mostrano come in condizioni ideali il controllore FL presenti prestazioni migliori che però diventano comparabili se non peggiori quando le inevitabili non idealità relative all'implementazione a tempo discreto ed alla presenza di un amplificatore in commutazione sono considerate. È poi affrontato il problema del controllo di velocità mediante l'utilizzo di tecniche a struttura variabile con integratore. Si tratta di un approccio sviluppato metodologicamente in [45] e da me portato a livelli di sviluppo tecnologico molto interessante [11], [46]. L'intera struttura di controllo è poi verificata in simulazione in una applicazione robotica con il motore collegato in presa diretta sul carico con risultati molto interessanti. In Appendice è poi riportato il dettaglio del calcolo delle condizioni di esistenza dello SM.

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Adaptive Output Feedback Control of Current Fed Induction Motor - A Rotating Reference Frame Approach, European Control Conference ECC '95, Roma, settembre 1995. (in coll. con R. Morici, S. Peresada, C. Rossi).

Si tratta del consolidamento delle prime attività di ricerca sul controllo non lineare del motore ad induzione. Nel lavoro viene presentato un algoritmo adattativo di controllo in retroazione dall’uscita che garantisce l’inseguimento asintotico globale della velocità e del flusso in presenza di coppia di carico costante non nota. Il progetto è sviluppato sulla base di un modello di ordine ridotto (motore comandato in corrente). Vengono proposte due diverse realizzazioni dell’osservatore di flusso, in un riferimento di rotore ed in uno di flusso. L’algoritmo proposto non presenta singolarità ed è in grado di garantire elevate prestazioni dinamiche. Le prestazioni sono testate in simulazione e mediante esperimenti di laboratorio.

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Exponentially stable output feedback control of induction motor, Int. Conference NOLCOS’98, Enshede, The Netherlands, luglio 1998. (in coll. con S. Peresada).

Riporta i risultati di ricerche molto recenti che al momento del bando non hanno ancora trovato pubblicazione definitiva su rivista internazionale. L’evoluzione dei risultati di questa ricerca sono contenuti in [73] che sarà pubblicato nel corso del 1999 su uno special Issue on Induction Motor Control dell’Int. Journal of Adaptive Control and Signal Processing.

In questo lavoro di natura essenzialmente metodologica, viene presentato lo sviluppo di un controllo dall’uscita del motore ad induzione basato sul modello completo del motore (motore comandato in tensione). Si tratta di un nuovo algoritmo non lineare basato sul principio dell’orientamento di campo indiretto che assicura l’inseguimento asintotico della velocità e del flusso e garantisce la stabilità esponenziale globale al sistema. Sono definite speciali condizioni di stabilità e di accoppiamento non lineare per i sottosistemi di velocità e flusso (connessi tra loro in retroazione) che garantiscono il disaccoppiamento asintotico tra i due sottosistemi e consentono di costruire una dinamica nominale lineare per il sottosistema di velocità attraverso un algoritmo di linearizzazione mediante retroazione dall’uscita. L’algoritmo proposto si differenzia da quelli presentati in letteratura per la struttura originale e la semplice parametrizzazione che ne consente l’uso in applicazioni industriale dove alle elevate prestazioni dinamiche va associata una procedura di taratura dei parametri semplice ed immediatamente collegabile con le specifiche. Ulteriori sviluppi di questo algoritmo verso una ulteriore semplificazione hanno mostrato inoltre notevoli doti di robustezza nei confronti delle variazioni della resistenza rotorica, parametro cruciale per ogni controllo per motore ad induzione [73].

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Non linear filter for smooth trajectory generation, NOLCOS’98, Enshede, The Netherlands, luglio 1998. (in coll. con R. Zanasi, C. Guarino Lo Bianco).

La generazione di traiettorie dolci (smooth) è un fattore cruciale per il conseguimento di elevate prestazioni in sistemi di controllo del moto. Per garantire il tracking continuo di un segnale di riferimento è indispensabile garantire che questo ed un certo numero di sue derivate siano continue e limitate entro i vincoli fisici del sistema di attuazione. In altre situazioni si possono considerare volutamente vincoli meno severi di quelli fisici per soddisfare specifiche esigenze di lavorazione del sistema di moto. In ogni caso sono di grande interesse la possibilità di generare il profilo di moto e di cambiarne i vincoli in linea, durante il moto stesso. Un'altra caratteristica di rilievo è la disponibilità delle derivate dell’uscita senza dover ricorrere a poco robuste operazioni di derivazione, per attivare le azioni di controllo in avanti necessarie per minimizzare il ritardo di inseguimento. Per rispondere a questo esigenze ho recentemente avviato una attività di ricerca in questa direzione.

In questo lavoro viene presentato un filtro non lineare a struttura variabile usato per la generazione di traiettorie di moto "dolci". Usato assieme ad un generatore di traiettorie "rozzo" (gradino, rampa,..) il filtro fornisce in uscita un segnale con derivate limitate in accordo con vincoli imposti dalla applicazione. I limiti sulle derivate possono essere modificati in qualunque momento, anche durante la generazione del moto senza pregiudicare la stabilità e le prestazioni. Il filtro è progettato come un sistema in retroazione controllato da un regolatore a struttura variabile. La risposa del filtro è "quasi a tempo minimo" ed è garantita senza sovraelongazioni. Dopo la presentate della realizzazione a tempo continuo viene affrontato anche il progetto direttamente a tempo discreto, in quanto la semplice discretizzazione del filtro continuo non è in grado di assicurare una risposta senza sovraelongazioni. Le prestazioni del filtro sono verificate in simulazione.

Anche per questa attività di ricerca avviata da un paio di anni non è ancora stato pubblicato nessun lavoro su rivista. La versione estesa di questo lavoro è attualmente in fase di revisione per la pubblicazione su Automatica.

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High performance indirect field-oriented output-feedback control of induction motors, Rapporto interno DEIS, aprile 1999, Automatica Vol.35, No.6, June 1999. (in coll. con S. Peresada, R.Morici)

Si tratta, assieme a [73], del mio lavoro più importante nel settore del controllo dei motori ad induzione. E’ un lavoro di grande respiro (e lunghezza), che spazia dagli aspetti più strettamente metodologici alle verifiche sperimentali. L’originalità di questo lavoro rispetto ai molti proposti in letteratura sull’argomento risiede sia nell’impostazione del problema di controllo sia nell’obiettivo di progetto. Quest’ultimo contiene esplicitamente l’esigenza di definire, oltre ad un regolatore di cui siano dimostrate le proprietà di stabilità e la capacità di inseguimento di velocità e flusso, anche una procedura di taratura che consenta di imporre specifiche predefinite di robustezza e di prestazioni dinamiche.

Nel lavoro è dapprima presentato il progetto di un controllore in retroazione dall’uscita basato sul modello completo del motore, comprendente i regolatori non lineari di velocità, flusso e corrente. E’ poi illustrata una procedura di taratura correlata con le specifiche di robustezza e prestazioni dinamiche, estesa successivamente al caso di taratura reale che tenga conto di ritardi nell’attuazione. E’ quindi riportata una approfondita analisi delle prestazioni sia in simulazione che attraverso verifiche sperimentali che hanno mostrato la completa fattibilità della soluzione proposta. Per questi motivi è pubblicato come full-paper su Automatica. Ritengo che si tratti di un contributo molto importante nel settore perché rappresenta il primo tentativo in letteratura di costruire un complesso controllore non lineare per motore ad induzione nel quale sia esplicitato un set di parametri che, garantendo la stabilità esponenziale globale, consenta la taratura per il conseguimento di specifiche di robustezza e prestazioni dinamiche, con tecniche di tipo "frequenziale" di uso corrente nella pratica industriale.

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Contributi con maggior connotazione Ingegneristica:

Sliding Mode Control for a Robotic Hand, Robotersysteme, Vol.8 n.1, pagg 13-20, march 1992. (in coll. Con C. Melchiorri)

E’ un lavoro che illustra, nei dettagli, il controllo a livello di asservimento della UB Hand. È una attività finalizzata alla sperimentazione di algoritmi di controllo robusto realizzati con tecniche Sliding Mode. Tutte le fasi del progetto sono illustrate, dalla modellistica alla sintesi dei regolatori, che sono stati poi verificati sia mediante simulazione che tramite sperimentazione sulla mano. Il problema di controllo è discusso ed una particolare enfasi è posta sui risultati sperimentali. Sono illustrati diversi metodi di controllo e tecniche per ridurre il chattering. In particolare è interessante il metodo di confronto dei risultati, sviluppato con tecniche probabilistiche. Queste risultano più adatte a valutare l'entità dell'errore e dell'eventuale offset a regime in presenza di fenomeni casuali come il chattering tipico dei controllori a struttura variabile che operano a frequenza di commutazione finita.

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Modelling and Control Strategies for a Variable Reluctance Direct-Drive Motor, IEEE Transactions on Industrial Electronics, IE-40, n.1, 105-115, feb. 1993. (in coll. con F. Filicori, C. Guarino Lo Bianco)

È un lavoro di ampio respiro sia metodologico che applicativo, stimolato da una esigenza di applicazione industriale, su un argomento complesso e poco trattato in letteratura. Si tratta, a mio avviso, di uno dei miei lavori più importanti ed originali. Il motore a Riluttanza Variabile è di grande interesse nelle applicazioni Robotiche, per la possibilità di essere realizzato con elevatissimo numero di poli e quindi in configurazione direct-drive. Si tratta di un sistema fortemente non lineare, con linearità sia magnetiche che posizionali. Il problema di controllo è affrontato dall'inizio, riconsiderando anche la modellistica del motore. La chiave risolutiva del problema è stato l'uso dei flussi come variabili di stato. È stato così possibile giungere ad un modello originale in cui una funzione non lineare di due variabili è separabile nella somma di due funzioni scalari. L'inversione di tale funzione risulta quindi assolutamente più semplice e porta alla semplificazione di molti problemi di controllo ed ottimizzazione. Oltre alla struttura del modello nel lavoro sono riportati gli sviluppi metodologici e gli esperimenti di laboratorio per la stima dei parametri e delle funzioni non lineari del modello di un motore commerciale.

Il secondo elemento chiave nello sviluppo è legato all'utilizzo di alcuni gradi di libertà nel controllo (presenti peraltro in altre macchine in C.A. ma raramente utilizzati esplicitamente) per definire, mediante una procedura di ottimizzazione non lineare, un precompensatore statico di coppia che consente di risolvere il problema della eliminazione del ripple di coppia al crescere della velocità di rotazione del motore. L'idea dell'utilizzo di tecniche di ottimizzazione nella risoluzione di ridondanze implicite nelle macchine in C.A. è stata poi adottata nel seguito in altri lavori ed è tuttora in fase di sviluppo. Nel lavoro è poi abbozzata la soluzione globale del controllo mediante l'uso di tecniche a Struttura Variabile. Questo argomento è stato sviluppato in lavori successivi è completatocon la realizzazione di un prototipo in [15].

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Robust Control of Permanent Magnet Motors: VSS Techniques lead to Simple Hardware Implementations, IEEE Trans. on Industrial Electronics, Vol.41, NO.4, agosto 1994. (in coll. con C. Rossi). Best Paper Award for 1994.

Il lavoro rappresenta una reinterpretazione in chiave ingegneristica della struttura di controllo in cascata proposta in [45]. Algoritmi robusti caratterizzati da elevate prestazioni dinamiche sono coniugati con una implementazione hardware originale. Viene mostrato come l'utilizzo di tecniche di controllo a struttura variabile porti "naturalmente" ad una implementazione a stati finiti degli algoritmi di controllo di corrente per le macchine a magneti permanenti (sia in C.C. che in C.A.). La conseguente implementazione con hardware logico consente prestazioni dinamiche non conseguibili con realizzazioni digitali classiche a microprocessore, a costi assolutamente più contenuti. Un'ampia sperimentazione su un motore in corrente continua collegato ad un carico non lineare e soggetto a coppia resistente variabile mostra le ottime caratteristiche di robustezza e di risposta dinamica. L'uso di un controllore di coppia a struttura variabile implementato con una macchina a stati su un dispositivo logico programmabile consente bande passanti in corrente di poco inferiori alle frequenze di commutazioni dell'amplificatore di potenza. Questo risultato non è assolutamente conseguibile con algoritmi di controllo che non considerino esplicitamente le non linearità proprie dell'amplificatore in commutazione.

Questo lavoro ha ricevuto il Best Paper Award per il migliore articolo scientifico pubblicato sulla rivista IEEE Transactions on Industrial Electronics nel 1994.

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Robust Current Controller for a Three-Phase Inverter using Finite-State Automaton, IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 42, No. 2, aprile 1995. (in coll con C. Rossi).

Lo specifico problema del controllo di corrente di un inverter trifase è considerato. È mostrata una soluzione originale basata sull'utilizzo di tecniche a struttura variabile con Boundary-Layer che consentono di ottenere elevata robustezza, indipendenza dal carico (motore sincrono o asincrono) ed elevate bande passanti. I tre rami dell'inverter sono considerati congiuntamente, viene effettuata una stima ricorsiva del disturbo (non sono necessarie derivate dell'errore di corrente come in altri controllori proposti in letteratura) e la frequenza di commutazione è mantenuta mediamente costante adattando dinamicamente l'ampiezza del Boundary-Layer. L'originalità della soluzione, oltre al particolare algoritmo a struttura variabile, sta nella ridefinizione del problema di controllo e di stima del disturbo in termini di Automa a Stati Finiti. Questo permette una implementazione hardware con dispositivi logici programmabili, che consentono tempi di campionamento non conseguibili con realizzazioni a tempo discreto su microprocessori o anche DSP. Nel lavoro sono presentati l'algoritmo di controllo e la corrispondente realizzazione a stati finiti, le condizioni di stabilità del sistema in forma errore, l'anello di controllo di frequenza ed una ampia serie di risultati sperimentali con carico costituito da un motore ad induzione.

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Sequential design of hysteresis current controller reduces inverter switching frequency, IEEE Trans. on Industrial Electronics, (Special Issue on PWM Systems for Current Control) Vol.45, No.5, Ottobre 1998 . (in coll. con A. Tilli)

E’ il più recente lavoro sul controllo di corrente di amplificatori di potenza. La filosofia di soluzione è quella del progetto del regolatore dinamico come un Automa a Stati Finiti già applicata in [12]. L’idea di base nasce dall’esigenza di semplificazione all’algoritmo, ottenuta mediante l’implementazione in un diverso sistema di riferimento. Questo nuovo algoritmo si presenta molto più semplice da realizzare e garantisce inoltre un miglioramento delle prestazioni in termini di riduzione della frequanza di commutazione dell’Inverter a parità di ampiezza del Boundary-Layer . Il lavoro è accompagnato da una ampia serie di risultati di simulazione nei quali diverse prestazioni del controllore sono messi a confronto con quelli di altri controllori proposti in letteratura. Il progetto è poi validato da una verifica sperimentale delle prestazioni.

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Contributi con maggiore connotazione Tecnologica:

Fast Prototyping of Nonlinear Controllers for Electric Motor Drives, Proc. IFAC world Congress 1993, Sydney, Australia, Luglio 1993. (in coll. con R. Morici, C. Rossi)

Uno dei problemi che maggiormente condiziona la sperimentazione in laboratorio di algoritmi di controllo non lineare è la difficoltà di predisporre un sistema Hardware/Software sufficientemente standardizzato da semplificare le "manualità" necessarie. Si è pensato pertanto di realizzare una stazione per semplificare la prototipazione di algoritmi di controllo nel settore del controllo motori e della robotica. Tra i requisiti della stazione di rapida prototipazione risultano molto rilevanti:

la potenzialità computazionale (garantita da una scheda DSP floating-point),

la semplicità e versatilità di interfacciamento (garantite dalla progettazione e realizzazione di una scheda speciale di I/O e del relativo software di gestione),

la gestione automatica del tempo reale e delle attività di I/O (fornita da uno strato di software specifico),

l'integrazione con un ambiente di simulazione (assicurato dal link con i packages MICOSS e SIMULINK),

la flessibilità dell'ambiente di sviluppo del progetto (garantito dall'uso di una piattaforma computazionale basata su PC utilizzante tools avanzati di interfacciamento con l'operatore e la visualizzazione dei risultati).

Nel lavoro, oltre alla descrizione dettagliata delle caratteristiche della stazione è riportato un esempio di utilizzo relativamente al progetto del sistema di controllo ad orientamento di campo di un motore ad induzione.

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Prototype controller for Variable Reluctance motors, IEEE Transaction on Industrial Electronics, Vol 43, No1, febbraio 1996. (in coll. con C. Guarino Lo Bianco, F. Filicori).

Questo lavoro è il naturale completamento del sistema proposto in [10]. Da esso trae la base metodologica e l’impostazione concettuale. Viene qui affrontato il progetto globale del sistema di controllo di posizione del motore a Riluttanza Variabile. Si è trattato di progettare e realizzare un sistema composta da due regolatori a Struttura Variabile ed un compensatore non lineare di coppia in grado di operare correttamente su un motore in presa diretta per applicazioni robotiche. Oltre al completamento del progetto della struttura completa di controllo (fino alla posizione) per il quale sono state introdotti diversi accorgimenti implementativi, la rilevanza del lavoro sta prevalentemente nella progettazione del sistema completo, dai regolatori al sistema di misura ed attuazione di potenza. Il progetto presentato è validato da un ampio set di verifiche di simulazione e sperimentali, che dimostrano la fattibilità del progetto e la qualità della sua realizzazione.

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