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Fondamenti di azionamenti elettrici

01RUELX

A.A. 2019/20

2018/19

Fondamenti di azionamenti elettrici

L'insegnamento contiene una prima parte dedicata ai concetti fondamentali di controlli automatici, mentre la seconda parte è dedicata ai concetti fondamentali di conversione dell'energia elettrica mediante azionamenti elettrici. L'obiettivo del corso è quello di fornire, per quanto riguarda la parte di controllo, strumenti di base di analisi di sistemi dinamici e le conoscenze per il progetto di semplici sistemi di controllo per quanto attiene ai sistemi dinamici lineari tempo continui descritti sia in variabili di stato sia in funzione di trasferimento. Nella seconda parte del corso verrà analizzato il principio di funzionamento degli azionamenti in corrente continua, con particolare riguardo al progetto dei parametri degli anelli di controllo. Inoltre, sono analizzati gli azionamenti con motori a corrente continua brushless e gli azionamenti con motori ad induzione con controllo scalare. Il corso analizza la misura di corrente e di posizione negli azionamenti elettrici e introduce alcuni concetti fondamentali di osservatori di corrente e di posizione impiegati degli azionamenti elettrici.

Fondamenti di azionamenti elettrici

The course contains a first part dedicated to fundamental concepts of automatic control, while the second part is dedicated to the fundamental concepts of electrical energy conversion using electrical drives. For what concerns the control theory part, goal of the course is to provide students with basic knowledge on dynamic systems analysis and on simple control system design for linear time invariant continuous time systems described in terms of state variables and transfer function. In the second part of course the DC electric drive will be analyzed, taking into account the control loops design. In addition, the course analyses the brushless DC motor drives and the induction motor drives with scalar control. The current and position measurement in electrical drives is included, as well as the fundamental concepts of current and position observers.

Fondamenti di azionamenti elettrici

Capacità di analizzare sistemi dinamici lineari descritti in variabili di stato studiandone le proprietà strutturali di stabilità, controllabilità e osservabilità. Capacità di progettare semplici sistemi di controllo in retroazione per sistemi a un ingresso e un'uscita. Le capacità di applicare conoscenza e comprensione conseguite permetteranno, al termine del corso, di comprendere il funzionamento degli azionamenti elettrici in corrente continua ed il significato dei principali parametri di controllo.

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Ability to study linear dynamical systems described in state variable form analyzing stability, controllability, and observability. Ability to design simple feedback control systems for SISO systems. The acquired knowledge and understanding capabilities will allow to understand the behavior of direct current electric drives. The applying knowledge and understanding capabilities will allow to design simple controls for direct current electric drives.

Fondamenti di azionamenti elettrici

Per permettere la comprensione degli argomenti trattati, si ritiene necessario che lo studente possieda nozioni di elettrotecnica, elettromagnetismo e meccanica applicata, macchine elettriche e convertitori elettronici di potenza.

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Basic knowledge of electric circuits, applied mechanics, electrical machines and power converters is required.

Fondamenti di azionamenti elettrici

• Rappresentazione dei sistemi dinamici in variabili di stato e mediante funzione di trasferimento. (4 ore) • Evoluzione nel tempo dei sistemi dinamici. Matrici di transizione. (2 ore) • La stabilità dei sistemi dinamici lineari. (2 ore) • Controllabilità e osservabilità dei sistemi dinamici. Forme canoniche. (2 ore) • Retroazione degli stati. Osservatore degli stati. (6 ore) • Il controllo in catena aperta e in catena chiusa. Diagrammi di Bode e di Nyquist. Stabilità dei sistemi retroazionati: criterio di Routh-Hurwitz, criterio di Nyquist. (7 ore) • La risposta transitoria e a regime dei sistemi dinamici. Specifiche nel dominio del tempo e della frequenza per i sistemi dinamici. Attenuazione dei disturbi parametrici e additivi. (5 ore) • Progetto di compensatori in serie basati sul diagramma di Bode della funzione di trasferimento di anello. (14 ore) • Concetti fondamentali di azionamenti elettrici. Definizione di azionamento elettrico. Applicazioni. Struttura generale di un azionamento elettrico (1.5 ore). • Modellistica carichi meccanici dei motori elettrici in un azionamento elettrico. L’equazione meccanica di un azionamento elettrico, coppie resistenti, sistemi di accoppiamento motore-carico: calcolo di coppie e inerzie riferite all’albero motore, classificazione di carichi meccanici. (3 ore) • Modello dinamico del motore a corrente continua. (4.5 ore). • Modelli dinamici dei convertitori elettronici di potenza (3 ore). • Fondamenti di controllo degli azionamenti elettrici (6 ore). Valutazione delle prestazioni di un sistema di controllo, sistemi del primo e di secondo ordine retroazionati, fondamenti di dimensionamento dei regolatori in azionamenti elettrici (P, PI e PID), utilizzo del luogo delle radici per valutare il comportamento di un anello di controllo di un azionamento elettrico (smorzamento, banda passante). • Controllo del motore a corrente continua (9 ore). Schema generico di controllo, controllo diretto di velocità e dimensionamento del regolatore di velocità, controllo in cascata di corrente, di velocità e di posizione e dimensionamento dei rispettivi regolatori. • Limitazioni del controllo degli azionamenti elettrici (6 ore). Meccanismi anti-wind-up dei regolatori PI, regolatori con feedforward, taratura sperimentale dei regolatori, limitazioni per l’anello di velocità: ripple di misura della velocità e risonanze torsionali. • Sensori di posizione negli azionamenti elettrici e misura della velocità (1.5 ore). Resolver, encoder, ruota fonica. • Limiti di funzionamento negli azionamenti elettrici (3 ore). Modello termico del motore a corrente continua, SOA (Safe Operating Area): limitazione commutazione, smagnetizzazione e limiti dati dal convertitore tensione, corrente). • Azionamenti brushless DC (1.5 ore). • Azionamenti scalari con motori ad induzione (3 ore). • Osservatori in azionamenti elettrici (3 ore).

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• Dynamic system description in state variable form and in transfer function form. (4 h) • Time response of dynamic systems. The transition matrix. (2 h) • Stability for linear dynamic systems. (2 h) • Controllability and observability of dynamic systems and relevant canonic forms. (2 h) • State feedback. State observer. (6 h) • Open loop and closed loop control. Bode and Nyquist plots. Stability of closed loop systems: the Routh-Hurwitz criterion and the Nyquist criterion. (7 h) • Transient response and steady state response of dynamic systems. Time and frequency domain specifications. Attenuation of additive and parametric disturbances. (5 h) • Feedback control design based on the Bode plot of the open loop transfer function. (14 h). • Fundamental concepts of electrical drives. (1.5h). Definition and generic structure of an electrical drive. • Modeling of mechanical loads in electrical drives (4.5h). Computation of the total torque referred to the motor shaft. Transmission examples. • Dynamic model of DC motor (4.5h). • Dynamic model of power electronic converters (3h). • Fundamental concepts of electrical drives control (6h). Performance evaluation of control loops (bandwidth, damping, crossover frequency, phase margin). • Control of DC motor drives (9h). Direct speed control, cascaded control with current, speed and position loops and design of related controllers. • Control limitations of electrical drives (6h). Anti-windup schemes for PI controllers, feeforward, speed ripple and torsional resonances. • Position and current measurement in electrical drives (3h). Position sensors (resolver, encoder). Current sensors (Hall sensors, shunts, current transformers). • Limits of operation of the electrical drives (3h). Thermal model of the DC motor, SOA (Safe Operating Area): limitation due to the commutation, demagnetization, power converter limits (current and voltage). • Brushless DC motor drives (1.5h). • Induction motor drives with scalar control (3h). • Observers in electrical drives (3h).

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Oltre alle lezioni in aula, sono previste attività di esercitazione in laboratorio. Per la parte di controlli automatici, le esercitazioni di laboratorio servono per acquisire i primi rudimenti nell'uso di un moderno programma (MATLAB) per l'analisi e il progetto di sistemi di controllo. Con l'aiuto di tale programma vengono svolti degli esercizi simili a quelli visti a lezione e nelle esercitazioni in aula, ma vengono anche affrontati problemi più complessi che difficilmente potrebbero essere trattati senza l'ausilio di un calcolatore. Per la parte di azionamenti elettrici sono previste • Esercitazioni numeriche, da svolgere in aula, riguardanti gli aspetti teorici illustrati nel corso delle lezioni. • Esercitazioni nel laboratorio informatico per l’utilizzo del software Matlab/Simulink per simulare il controllo degli azionamenti elettrici. • Esercitazioni nel laboratorio tecnologico per mostrare gli aspetti pratici di controllo di un azionamento con motore a corrente continua con controllo in cascata di velocità e di corrente.

Fondamenti di azionamenti elettrici

For the automatic control part, Lab tutorials should enable to get basic knowledge of a modern program (MATLAB) for analysis and design of control systems. With the aid of such program students can carry on exercises similar to those developed in class lectures and tutorials, but they can also work out more complex problems that could hardly be developed without the aid of a computer. For the electrical drives part, the esercises include: • Numeric exercises related to control loop design will be carried out during the course. • Exercises in informatics lab dedicated to the use of Matlab/Simulink for the simulation of electrical drives. • Practical exercises in technological lab to show the practical aspects related to a DC motor drive with cascaded closed loop control (current loop and speed loop).

Fondamenti di azionamenti elettrici

Controlli automatici 1. P. Bolzern, R. Scattolini, N. Schiavoni, Fondamenti di controlli automatici, McGraw-Hill 2. K. Ogata, Modern control engineering, Prentice-Hall, London. 3. R. C. Dorf, R. H. Bishop, Modern control systems, Addison-Wesley Reading, Ma. Per approfondimenti ulteriori gli interessati possono fare riferimento ai testi: - N. S. Nise, Control systems engineering, The Benjamin/Cummings Publishing Co., Redwood City, CA. - G. F. Franklin, J. D. Powel, A. Emami-Naeini, Feedback control of dynamic systems, Addison-Wesley Reading, Ma. - B. C. Kuo, Automatic control systems, Prentice-Hall, London. - J. J. D'azzo, C. H. Houpis, Feedback control system analysis & synthesis, Mc Graw Hill, New York. Azionamenti elettrici 4. L. Bonometti, “Convertitori di potenza e servomotori brushless “ UTET, 2001 5. Werner Leonhard; 'Control of electrical drives'; Springer 6. Hans Groß, Jens Hamann e Georg Wiegärtner; 'Azionamenti elettrici di avanzamento nell'automazione industriale: fondamenti, calcolo, dimensionamento'; Tecniche Nuove 7. L. Olivieri, E. Ravelli; 'Principi ed applicazioni di elettrotecnica'; CEDAM

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Automatic control 1. P. Bolzern, R. Scattolini, N. Schiavoni, Fondamenti di controlli automatici, McGraw-Hill 2. K. Ogata, Modern control engineering, Prentice-Hall, London. 3. R. C. Dorf, R. H. Bishop, Modern control systems, Addison-Wesley Reading, Ma. For further details, the following books can be considered: - N. S. Nise, Control systems engineering, The Benjamin/Cummings Publishing Co., Redwood City, CA. - G. F. Franklin, J. D. Powel, A. Emami-Naeini, Feedback control of dynamic systems, Addison-Wesley Reading, Ma. - B. C. Kuo, Automatic control systems, Prentice-Hall, London. - J. J. D'azzo, C. H. Houpis, Feedback control system analysis & synthesis, Mc Graw Hill, New York. Electrical drives 4. L. Bonometti, “Convertitori di potenza e servomotori brushless “ UTET, 2001 5. Werner Leonhard; 'Control of electrical drives'; Springer 6. Hans Groß, Jens Hamann e Georg Wiegärtner; 'Azionamenti elettrici di avanzamento nell'automazione industriale: fondamenti, calcolo, dimensionamento'; Tecniche Nuove 7. L. Olivieri, E. Ravelli; 'Principi ed applicazioni di elettrotecnica'; CEDAM

Fondamenti di azionamenti elettrici

Modalità di esame: test informatizzato in laboratorio; prova orale obbligatoria;

Fondamenti di azionamenti elettrici

Le regole di esame sono descritte e discusse durante la lezione introduttiva dell’insegnamento: prova scritta (test nel laboratorio informatico) seguita da un esame orale. Esame scritto: • L'esame consiste in una prova di 3 ore nel Laboratorio Informatico con programma Matlab. • L'esame è costituito da due esercizi, uno sul progetto di regolatori in retroazione, l'altro sull'analisi di sistemi dinamici descritti nelle variabili di stato. Durante la prova non è consentito l'uso di testi o appunti, eccezione fatta per un foglio formato A4 sul quale lo studente può riportare ogni nota che ritenga utile, escludendo però esercizi svolti in tutto o in parte e risposte a esercizi specifici comunque codificate. Su tale foglio, manoscritto, non fotocopiato e strettamente personale, devono essere riportati nome, cognome e matricola. E' altresì concesso l'uso di un analogo foglio (A4) con le sole trasformate di Laplace (e regole di trasformazione) e un terzo con i diagrammi universali e le carte di Nichols. • Durante le prove che si svolgono ai LAIB non è consentito l'uso di calcolatrici visto che sono a disposizione gli strumenti di calcolo del laboratorio. Esame orale (1 ora) • Domande riguardanti gli azionamenti elettrici oggetto del programma del corso. Il numero delle domande è generalmente compreso tra 1 e 3. L’ammissione alla prova orale è condizionata dal superamento della prova scritta di Controlli automatici. Il voto finale è la media dei voti della prova scritta e la prova orale.

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Exam: computer lab-based test; compulsory oral exam;

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The exam rules are presented and discussed during the first introductive lesson: written test (in informatics laboratory) followed by an oral exam. Written test: • The exam consists in a 3-hour test conducted in the Lab with Matlab available. • The exam consists of two exercises, one on the design of feedback compensators and the other on the analysis of dynamic systems described in state variable form. • During the written test is not allowed the use of any material, with the exception of one A4 sheet with personal notes made personally by the student. This personal sheet must report the name of the student and cannot contain solved exercises. A second A4 sheet is also allowed; this sheet can contain Laplace transformations, universal diagrams and Nichols maps. • During the written test the micro calculators are not allowed. Oral examination (1h): • Questions concerning electrical drives and related to the course program. The number of questions is generally between 1 and 3. The admission to the oral test is subject to passing the written test of written test . The final score is the average of the scores of the written test and the oral exam.



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