Smart and efficient electric drives for mecathronic applications

Il problema del consumo energetico ha molteplici riflessi sulle applicazioni meccatroniche ed in particolare sui motori elettrici. Quest’ultimi infatti rappresentano i maggiori consumatori di energia elettrica nel mondo, a causa del loro utilizzo sia in ambito industriale che domestico. É necessario quindi che gli azionamenti elettrici utilizzino delle tecniche di controllo avanzate che consentano un risparmio di energia elettrica. Il sensore meccanico di posizione rappresenta sia un costo addizionale che una possibile fonte di guasto, ma è tuttavia necessario poichè la posizione del rotore è indispensabile per il controllo del motore. Azionamenti privi di tale sensore, chiamati sensorless, devono perciò garantire una elevata stima della posizione. Il lavoro presentato in questa tesi riguarda lo sviluppo di un azionamento sensorless completo. Durante questo lavoro sono state applicate metodologie di controllo avanzate, congiuntamente allo sviluppo di nuove attrezzature elettroniche per migliorare l’efficienza del controllo di motori sincroni a magneti permanenti. In particolare, l’efficienza energetica e l’applicabilità ad applicazioni meccatroniche sono elementi chiave per lo studio compiuto in questo lavoro. Lo sviluppo di azionamenti sensorless va affiancato all’utilizzo di tecniche di controllo che minimizzino le perdite elettriche, le quali si basano sulla conoscenza precisa della posizione. La precisione degli algoritmi sensorless dipende pesantemente dall'accuratezza delle misure delle quantità elettriche così come dalla precisione della conoscenza dei parametri del motore. Tre capitoli verranno dedicati a questi aspetti. La misura delle correnti è universalmente implementata negli azionamenti elettrici e non è generalmente causa di problemi. Ciò non può essere detto per quel che riguarda la misura delle tensioni. Solitamente, si utilizzano i riferimenti di tensione in uscita dal controllo di corrente. Questi riferimenti vengono adeguatamente compensati per tener conto delle non idealità dell’inverter. In questa tesi, una nuova tecnica per l’identificazione delle non idealità dell’inverter viene proposta per ovviare al problema. Tuttavia, un nuovo sistema fisico di misura delle tensioni è stato sviluppato per applicazioni che richiedono elevate prestazioni per gli azionamenti sensorless. Lo stesso sistema si è rivelato molto utile anche nello sviluppo di più raffinate tecniche di stima parametrica. La misura delle tensioni consente di avere segnali di tensione più accurati. Utilizzando inoltre le informazioni addizionali che si possono ottenere quando il motore è controllato con particolari tecniche di controllo come quella che massimizza il rapporto coppia su corrente (MTPA), è possibile ricavare nuove tecniche di stima dei parametri del motore. Le tecniche di controllo MTPA basate sull’iniezione di segnali non richiedono la conoscenza dei parametri del motore, ma la condizione di lavoro è descritta da una ben precisa formulazione matematica che è funzione dei parametri stessi. Tali informazioni, dunque, possono essere intelligentemente utilizzate per ricavare una stima dei parametri. Infine, la progettazione di azionamenti sensorless dipende anche dalla tipologia di motore a magneti permanenti utilizzato. L’osservatore della posizione elettromeccanica risulta instabile in alcune condizioni operative. Tali condizioni verranno analizzate e descritte mediante uno studio analitico completo del problema che consentirà di delineare le linee guida per un progetto di un azionamento sensorless robusto, basato anche sui parametri stimati con le tecniche sviluppate in questa tesi. Verrà inoltre evidenziato come il sistema di misura delle tensioni sviluppato porti effettivi benefici in termini di prestazioni dell’algoritmo sensorless.