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Montanari M.
"Controllo vettoriale sensorless di un motore ad induzione"
 
Type Master Thesis
Author(s) Montanari M.
Title Controllo vettoriale sensorless di un motore ad induzione
Editor Università degli Studi di Bologna
Keywords motore a induzione, controllo vettoriale sensorless, Model Reference Adaptive System (MRAS), stima della velocità, stima dei parametri, controllo sensorless
Abstract

Nel settore dell'automazione industriale, negli ultimi anni si è assistito a un rapido incremento nell'utilizzo di motori a induzione e a una corrispondente riduzione degli azionamenti basati su motore a collettore in corrente continua, utilizzato in applicazioni a velocità variabile per la sua eccellente controllabilità. Sviluppi nel campo dell'elettronica di potenza, disponibilità di DSP a basso costo e con elevata capacità computazionale e sviluppi nella teoria del controllo non lineare hanno stimolato l'uso di complessi algoritmi di controllo per motori ad induzione, che permettono di ottenere prestazioni comparabili a quelle dei motori DC e sincroni a magneti permanenti. Nonostante sia più difficile da controllare, il motore a induzione ha sostituito il motore a collettore grazie alla sua costruzione semplice e robusta, la ridotta manutenzione richiesta e l'affidabilità.

Esistono diversi tipi di controllo del motore a induzione, che definiscono anche i campi di applicazione dell'azionamento, in funzione delle prestazioni permesse. Il controllo del motore a induzione mediante controllo della velocità in catena aperta permette di ottenere prestazioni dinamiche scadenti. Al contrario, sono stati proposti algoritmi di controllo della velocità in retroazione (controllo vettoriale o controllo a orientamento di campo), che garantiscono prestazioni confrontabili con quelle del motore a collettore e il cui campo applicativo è nell'ambito degli azionamenti ad elevate prestazioni.

Tuttavia, esistono settori in cui per motivi economici, tecnologici e di affidabilità dell'azionamento non è possibile utilizzare il sensore di velocità (normalmente un encoder) e in cui sono desiderabili prestazioni di poco inferiori a quelle del controllo vettoriale. In tale settore, negli ultimi anni si sta sviluppando il controllo vettoriale sensorless, cioè un controllo di tipo ad orientamento di campo, in cui anziché retroazionare la velocità misurata mediante il sensore, viene retroazionata la velocità determinata mediante stimatori di velocità implementati su DSP (Digital Signal Processor).

Sono stati presentati diversi approcci al controllo del motore a induzione senza sensore di velocità, sia in ambiente accademico, sia nel mondo industriale. Le varie tipologie di controllo sensorless del motore a induzione si differenziano per il diverso tipo di stimatore utilizzato: sono stati proposti semplici stimatori di velocità in catena aperta, stimatori di tipo adattativo in catena chiusa, stimatori basati su reti neurali.

La presente tesi prende in considerazione un particolare metodo di stima di velocità di tipo adattativo: il metodo MRAS. Lo stimatore MRAS effettua la stima della velocità mediante una legge di adattamento basata sull'errore tra gli stati di un modello di riferimento (in cui la velocità non compare come parametro) e un modello adattativo, dipendente dalla velocità.

Lo scopo della presente tesi è quello di analizzare in maniera critica diversi tipi di metodi MRAS presentati in letteratura, valutandone le prestazioni, i campi di applicazione, pregi e difetti. Viene poi presentato un nuovo tipo di stimatore di velocità e di resistenza di rotore, di cui vengono analizzate le prestazioni, sia in catena aperta (cioè senza retroazione della velocità stimata ai fini del controllo del motore), sia in catena chiusa (cioè utilizzando un controllo vettoriale con retroazione della velocità stimata). Viene fornita la dimostrazione della stabilità asintotica dello stimatore utilizzando il metodo di Lyapunov. Si presentano anche soluzioni realizzative per migliorare le prestazioni dello stimatore in termini di robustezza rispetto a errori nel modello del motore.

L'analisi simlativa dei vari metodi viene effettuata mediante simulazioni al calcolatore sviluppate in ambiente Matlab e Simulink .

Nel capitolo 1 vengono presentati i concetti generali sul controllo vettoriale sensorless. Viene fornita una classificazione dei vari metodi di stima della velocità e viene introdotto il metodo MRAS.

Nel capitolo 2 viene descritto il modello del motore a induzione utilizzato come riferimento per la teoria sugli stimatori di velocità.

Nella seconda parte (capitoli 3, 4 e 5) si presenta lo stato dell'arte nel set- tore degli stimatori MRAS: viene effettuata un'analisi critica di alcuni degli stimatori MRAS presentati in letteratura negli anni passati. Nel capitolo 3 viene presentato lo stimatore basato sul flusso di rotore, generalmente ritenuto lo "stimatore MRAS classico" in letteratura. Mediante simulazioni ne vengono analizzate le prestazioni, considerando anche la sensitività parametrica della stima. Vengono analizzati altri due tipi di stimatori MRAS, lo stimatore basato sulla FCEM (capitolo 4) e quello basato sulla potenza reattiva (capitolo 5). Vengono presentati i modelli degli stimatori, si analizzano le prestazioni degli stimatori mediante grafici, effettuando un confronto anche con lo stimatore basato sul flusso di rotore e evidenziando da un punto di vista critico le caratteristiche e le prestazioni degli stimatori MRAS.

Nella terza parte (capitoli 6 e 7) viene proposto un nuovo stimatore, basato su una nuova grandezza elettrica derivata dal flusso di statore, che permette di stimare contemporaneamente la velocità e la resistenza di rotore. Si ricava da un punto di vista teorico lo stimatore (utilizzando il metodo diretto di Lyapunov), vengono descritte le caratteristiche, vengono presentati i risultati ottenuti mediante simulazione. In particolare, sono state realizzati test con lo stimatore in catena aperta ed è stato realizzato il controllo vettoriale sensorless, con retroazione della velocità stimata. Vengono inoltre proposte alcune soluzioni per rendere lo stimatore più robusto a errori o a variazioni di parametri.

Infine si propongono linee di sviluppo per il controllo vettoriale sensorless e si presentano le conclusioni del lavoro svolto.

Nell'appendice A viene sinteticamente presentata la teoria sui sistemi di riferimento rotanti, utilizzata sia nel modello del motore a induzione, sia nella teoria del controllo vettoriale.

Nell'appendice B si riportano i profili di moto utilizzati come benchmark nelle simulazioni effettuate, per poter confrontare le prestazioni degli stimatori.

Nell'appendice C vengono esposti i concetti basilari del controllo vettoriale del motore a induzione, nelle versioni diretto e indiretto, presentandone gli schemi concettuali.

La presente tesi è stata sviluppata presso il L.A.R. (Laboratorio di Auto- mazione e Robotica) del D.E.I.S. (Dipartimento di Elettronica, Informatica e Sistemistica) della Facoltà di Ingegneria dell'Università degli Studi di Bologna.

Notes

Relatore:
Prof. Ing. Alberto Tonielli
Correlatori:
Prof. Ing. Claudio Bonivento
Dott. Ing. Andrea Tilli

Document c723.Document.pdf (5089477 bytes)
Year 1999


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