SENSORI DI POSIZIONE Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria Meccatronica Corso di Controlli Digitali Prof. Lorenzo Sabattini Sensori di posizione A cura di: F. Galasso C. Talignani M. Trevisani Controlli Digitali – 7/4/2014 SENSORI DI POSIZIONE Indice • • • • • • • • Generalità Sensori potenziometrici LVDT Sensori capacitivi Resolver Radar Encoder Sensori a Effetto Hall Controlli Digitali – 7/4/2014 SENSORI DI POSIZIONE Generalità Nascono dalla necessità di misurare posizioni e in aggiunta spostamenti, velocità e accelerazioni Derivazione e differenziazione Controlli Digitali – 7/4/2014 SENSORI DI POSIZIONE Sensori potenziometrici Funzionamento Controlli Digitali – 7/4/2014 SENSORI DI POSIZIONE Sensori potenziometrici Funzionamento Controlli Digitali – 7/4/2014 SENSORI DI POSIZIONE Sensori potenziometrici Campi di applicazione • Motion control (controllo in anello chiuso) • Trasduttori sperimentali per catene di misura Controlli Digitali – 7/4/2014 SENSORI DI POSIZIONE Sensori potenziometrici Vantaggi e svantaggi Vantaggi: • Possibilità di misurare grandi spostamenti • Ottima linearità • Buona risoluzione • Costo ridotto • Semplice reperibilità Svantaggi: • Usura per attrito dei componenti • Problemi dei materiali alle alte temperature (100-150°C) • Misure “discontinue” alle alte velocità (saltellamento) • Contaminazione del tracciato • Disallineamento per vibrazioni o shock Controlli Digitali – 7/4/2014 SENSORI DI POSIZIONE Linear Variable Displacement Transducer (LVDT) Funzionamento Controlli Digitali – 7/4/2014 SENSORI DI POSIZIONE Linear Variable Displacement Transducer (LVDT) Funzionamento 𝑉𝑜𝑢𝑡 = 𝑉1 − 𝑉2 Controlli Digitali – 7/4/2014 SENSORI DI POSIZIONE Linear Variable Displacement Transducer (LVDT) Campi di applicazione • • • • Motion control (controllo in anello chiuso) Misure sperimentali di precisione Analisi delle vibrazioni Monitoraggio delle deformazioni strutturali Controlli Digitali – 7/4/2014 SENSORI DI POSIZIONE Linear Variable Displacement Transducer (LVDT) Vantaggi e svantaggi Vantaggi: • Elevatissima precisione di misura • Capacità di misurare spostamenti molto piccoli e molto veloci • Attrito meccanico ridotto (meno parti in contatto) • Risoluzione altissima • Ripetitività del punto di zero Controlli Digitali – 7/4/2014 SENSORI DI POSIZIONE Linear Variable Displacement Transducer (LVDT) Vantaggi e svantaggi Svantaggi: • Non linearità dovuta ad armoniche superiori nel nucleo ferromagnetico • Tensione di uscita bassa (necessita amplificazione) • Richiede tolleranze e precisioni alte • Costo elevato • Possibili danni per vibrazioni o shock Controlli Digitali – 7/4/2014 SENSORI DI POSIZIONE Sensori capacitivi Funzionamento Controlli Digitali – 7/4/2014 SENSORI DI POSIZIONE Sensori capacitivi Campi di applicazione • Misura di piccoli spostamenti (più grandi di LVDT) • Misuratori di pressione (ogni valore) • Misura delle vibrazioni (fino 1000Hz) Controlli Digitali – 7/4/2014 SENSORI DI POSIZIONE Sensori capacitivi Vantaggi e svantaggi Vantaggi: • Elevata sensibilità • Attrito meccanico ridotto (poche parti in contatto) • Buona precisione • Costo sostenibile • Tolleranza alle vibrazioni • Non richiede nucleo ferromagnetico Svantaggi: • Richiede una struttura di supporto molto rigida (fissaggio armature) • Deve essere stagno • Possibili distorsioni elettriche (componenti parassite) • Scarsa tolleranza di certi dielettrici alle temperature alte Controlli Digitali – 7/4/2014 SENSORI DI POSIZIONE Resolver Trasduttori di posizione angolare, induttivi e analogici Controllo della posizione dei motori elettrici Controlli Digitali – 7/4/2014 SENSORI DI POSIZIONE Resolver Funzionamento Tensione di generatore: Vr= Vm sin(ω*t) Tensioni indotte: Vs1= K*Vr*cos(θ)= K*Vm*sin(ωt)*cosθ Vs2= K*Vr*sin(θ)= K*Vm*sin(ωt)*sinθ dove θ è l’angolo relativo tra il circuito di rotore e quello di statore e K è una costante di proporzionalità dipendente da parametri costruttivi del sensore. Controlli Digitali – 7/4/2014 SENSORI DI POSIZIONE Resolver Funzionamento Segnale di uscita: coppia di tensioni alternate caratterizzate da: • pulsazione pari a quella del segnale applicato al circuito primario; • ampiezza dipendente dalla posizione del rotore ed in quadratura reciproca; • fase concorde rispetto alla tensione impressa sul primario Controlli Digitali – 7/4/2014 SENSORI DI POSIZIONE Dispositivo RDC (Resolver to Digital Converter) Digitalizzazione del segnale Controlli Digitali – 7/4/2014 SENSORI DI POSIZIONE Resolver Caratteristiche • Errore di linearità: 0.1 ÷ 0.5 % • Ampiezza del campo di misura: sensore rotazionale, fornisce informazioni assolute nell’ambito del giro elettrico • Frequenze di eccitazione: da 500 Hz a 20 kHz Campi di applicazione • Conversione di coordinate polari/cartesiane • Rilevamento di errori d’angolo • Spostamenti angolari Controlli Digitali – 7/4/2014 SENSORI DI POSIZIONE Resolver Vantaggi e svantaggi Vantaggi: • • • • Struttura robusta Ottima precisione e stabilità Affidabilità Ideali nelle applicazioni industriali in cui la polvere e i liquidi dispersi possono oscurare i segnali ottici dell’encoder • Utilizzati nei controlli dei processi industriali, robot industriali, macchine utensili, strumenti di misura, plotter, macchine a controllo numerico, presse, piattaforme in movimento Svantaggi: • Demodulazione del segnale di uscita • Stabilità del generatore di tensione ausiliario che alimenta il rotore • Presenza di errori dinamici causati da tensioni spurie in uscita Controlli Digitali – 7/4/2014 SENSORI DI POSIZIONE Radar (RAdio Detection And Ranging) Sensore radio (onde radio e microonde) Di tipo attivo Componenti: • Generatore di impulsi • Trasmettitore • Duplexer • Antenna direttiva • Dispositivo di immagazzinamento Controlli Digitali – 7/4/2014 SENSORI DI POSIZIONE Radar Principio fisico: Dispersione della radiazione elettromagnetica Funzionamento: 299 792,458 ∙ 𝑠 𝐷= 2 Dove: • D : distanza del bersaglio espressa in km; • 3x10^5 : numero di chilometri percorsi in un secondo muovendosi alla velocità della luce; • s : numero di secondi impiegati dall'impulso per raggiungere il bersaglio e tornare all'antenna. Controlli Digitali – 7/4/2014 SENSORI DI POSIZIONE Radar Campi di applicazione Controllo arereo/navale Telerilevamento Rilevazione precipitazioni e turbolenze Velocità autoveicoli e motoveicoli Controlli Digitali – 7/4/2014 SENSORI DI POSIZIONE Radar Prestazioni • bontà acquisizione antenna • durata impulso trasmesso • portata strumentale Vantaggi: • • • • Vantaggi e svantaggi Svantaggi: Alta sensibilità Grandi distanze Alta risoluzione immagini rilevate Individuano oggetti attraverso nuvole e in ambiente marino • Amplificazione del segnale di ritorno • • • • • Controlli Digitali – 7/4/2014 Attenuazione Rumore Disturbi Orizzonte radar Rilevazione radar SENSORI DI POSIZIONE Encoder Funzionamento • Ottici • Capacitivi • Resistivi • Magnetici • Induttivi Controlli Digitali – 7/4/2014 SENSORI DI POSIZIONE Encoder Funzionamento • Ottici Comparatore • Magnetici Controlli Digitali – 7/4/2014 SENSORI DI POSIZIONE Encoder Funzionamento • Ottici Controlli Digitali – 7/4/2014 SENSORI DI POSIZIONE Encoder Funzionamento Assoluti Associazione univoca Step Dec 0 1 2 3 θ Bit 5 (LSB) Bit 0 (LSB) Risoluzione angolare θ𝑚𝑖𝑛 = … 31 360 2𝑛𝑏𝑖𝑡 Controlli Digitali – 7/4/2014 Posizione Θ (deg) Segnale Binario 0 ÷ 11.25 12.25 ÷ 22.5 22.5 ÷ 33.75 33.75 ÷ 45 … 348.75 ÷ 360 00000 00001 00010 00011 … 11111 SENSORI DI POSIZIONE Encoder Funzionamento Codifica Gray e Binaria A) Gray: Tra passi adiacenti 1 bit B) Binario: Tra passi adiacenti sino a n-1 bit simultanei Controlli Digitali – 7/4/2014 Dec Binario Gray 0 1 2 3 4 5 6 00000 00001 00010 00011 00100 00101 00110 00000 00001 00011 00010 00110 00111 00101 7 00111 00100 8 01000 01100 … 29 30 31 … 11101 11110 11111 … 10011 10001 10000 SENSORI DI POSIZIONE Encoder Funzionamento Incrementali 2 sensori sfasati di ¼ passo, 90°elettrici Risoluzione 360 θ𝑚𝑖𝑛 = 4 𝑛𝑠𝑒𝑡𝑡 Passo settori Controlli Digitali – 7/4/2014 SENSORI DI POSIZIONE Encoder Funzionamento Direzione moto Impulsi di A anticipano B? Flip flop di tipo D Controlli Digitali – 7/4/2014 SENSORI DI POSIZIONE Encoder Campi di applicazione • Controllo dei processi industriali, come feedback di posizione asse motori in robot industriali, macchine utensili, CNC, plotter, telescopi, stampanti. • Acquisizione di precisione, mouse, periferiche di input, strumenti di misura in genere Controlli Digitali – 7/4/2014 SENSORI DI POSIZIONE Encoder Vantaggi e svantaggi Vantaggi: • Elevata linearità • Attrito meccanico ridotto • Accuratezza proporzionale al numero dei settori o alla risoluzione • Non necessitano di conversione A/D • Affidabilità • Elevata reiezione al rumore e ai disturbi Svantaggi: • Sensibili alle impurità • Costo crescente con la risoluzione (Assoluti) • Necessita elettronica di conteggio (Incrementale ) • Non adatto alle alte temperature alte (deformazione disco) Controlli Digitali – 7/4/2014 SENSORI DI POSIZIONE Sensori ad effetto Hall Funzionamento Traslazione 𝐹 = 𝑞𝑣𝛽 Spostamento portatori di carica KHβI VH = z Array di sensori per grandi spostamenti - - Δ𝑆 Δ𝑆 Controlli Digitali – 7/4/2014 β VH SENSORI DI POSIZIONE Sensori ad effetto Hall Funzionamento Rotazione 𝑉𝐻 = ℎ 𝐼 𝛽 sin(𝛼) 𝛼 VH Matrici di sensori 𝜔 = 𝑓(𝑉𝐻1 ,𝑉𝐻2 , 𝑉𝐻3 , 𝑉𝐻4 ) Controlli Digitali – 7/4/2014 SENSORI DI POSIZIONE Sensori ad effetto Hall Funzionamento Elettronica I = cost ∝ β Controlli Digitali – 7/4/2014 SENSORI DI POSIZIONE Sensori ad effetto Hall Campi di applicazione • Misura di piccoli spostamenti ed oscillazioni • Misura di vibrazioni • Implementazione in encoder, se utilizzati come interruttore Controlli Digitali – 7/4/2014 SENSORI DI POSIZIONE Sensori ad effetto Hall Vantaggi e svantaggi Vantaggi: • Buona linearità e sensibilità • Frequenza di funzionamento elevata, sino 20Khz • Elevata integrazione e miniaturizzazione (integrazione sullo stesso chip dei vari componenti) • Attrito meccanico minimo Svantaggi: • Sensibile ai disturbi elettromagnetici • Suscettibili a effetti di stress meccanico (piezoresistività del silicio) • Sensibile alle variazioni di temperatura (varia la resistenza del sensore e la I di controllo) Controlli Digitali – 7/4/2014
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