Tecniche di controllo sensorless

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Da più di 20 anni il controllo sensorless a orientamento di campo per motori sincroni a magneti permanenti è argomento di ricerca scientifica; tuttavia esistono solo poche applicazioni a livello industriale, a causa della complessità e limitazioni applicative degli algoritmi finora implementabili in azionamenti industriali. LTI Drives ha voluto implementare una funzionalità di controllo sensorless di utilizzo general pourpose nei servodrive della famiglia ServoOne, prodotto di punta della propria gamma di azionamenti.

Per sensorless si intende un controllo che anziché utilizzare le misure provenienti dai sensori di posizione e velocità del rotore, per chiudere gli anelli di controllo, le sostituisce con stime fatte a partire dalle misure delle grandezze elettriche.

La struttura del sistema di controllo sensorless è mostrata in figura 1: come si può osservare, a differenza di un controllo a orientamento di campo tradizionale, l’informazione richiesta dai controllori circa l’angolo di commutazione, la velocità del motore e la posizione del drive non sono più ricavate direttamente dalle misure provenienti da encoder, ma vengono determinate mediante diverse tecniche di stima, che verranno nel seguito illustrate.

Figura 1: Struttura di controllo sensorless
 

Prima di passare alla descrizione delle tecniche implementate da LTI Drives all’interno dei propri servoazionamenti, è necessario distinguere tra drive sensorless che vengono controllati in velocità e drive sensorless controllati in posizione. I primi, una volta superata la fase d’avviamento, non presentano particolari problemi di osservabilità del sistema, cioè disponibilità di informazioni necessarie a ricostruire una stima della posizione; i secondi invece, dovendo far fronte a continue partenze da motore fermo, sono vincolati a dover conoscere con maggiore precisione (a seconda del grado di prestazione che si vuole raggiungere), la posizione in cui si trova il rotore in ogni istante di tempo. In altre parole realizzare posizionamenti mediante controllo sensorless richiede una maggiore difficoltà di implementazione.

In generale l’informazione relativa alla posizione del rotore è ricavata mediante modelli semplificati del motore, che si basano sulle equazioni delle tensioni, o anche più complessi, come quelli che considerano gli effetti della salienza magnetica spaziale; quest’ultima caratteristica è un elemento distintivo dei motori anisotropi, cioè quei motori che presentano una distribuzione spaziale dell’induttanza non uniforme, che può essere descritta da una funzione sinusoidale, il cui periodo è pari alla metà di un giro elettrico. La posizione rotorica può quindi essere rilevata misurando la variazione di induttanza, mediante iniezione di un segnale di test in aggiunta al riferimento di corrente.

Le tecniche utilizzate da LTI Drives per la realizzazione del controllo sensorless sono le seguenti: lo stimatore del flusso (EMF), il metodo IF feedforward current frequency, la misura delle induttanze ed infine il filtro di Kalman Esteso (EKF).

Lo stimatore di flusso viene utilizzato alle alte velocità (superiore al 5-10% della velocità nominale del motore) quando la forza controelettromotrice del motore offre un’informazione sufficiente circa la velocità e l’angolo di commutazione del motore, se le richieste di precisione e accuratezza del controllo non sono troppo elevate. Esso si basa su un modello semplificato del motore e ne calcola la tensione indotta (EMF) a partire dalle equazioni delle tensioni, date dal modello semplificato del motore.

La struttura di tale metodo viene mostrata in figura 2.

Figura 2: Schema stimatore del flusso
 

Nell’intervallo di velocità più basse (inferiore al 5-10% della velocità nominale) interviene la tecnica IF per compiere l’avviamento del motore: si tratta di un procedimento molto simile alla tecnica VF, nota per i motori asincroni.

I problemi a cui la tecnica IF in combinazione con lo stimatore deve far fronte sono i seguenti: garantire l’avviamento del drive sotto tutte le possibili condizioni di funzionamento, evitare errori di fase e inoltre assicurare la qualità di prestazione richiesta nel funzionamento a regime in termini di accuratezza e ripple. Nella procedura d’avviamento da motore fermo fino alle medie velocità, alle quali il controllo a orientamento di campo diventa possibile, le prestazioni della tecnica IF sono ritenute in generale sufficienti. Ma, laddove è richiesta una maggiore precisione di controllo, è possibile utilizzare la misura delle induttanze come alternativa alla IF: questo è un metodo che, sfruttando la differenza tra l’induttanza d’asse diretto e quella in quadratura, permette di rilevare l’angolo tra rotore e statore alle basse velocità.

Per estendere le applicazioni di controllo sensorless oltre alle limitazioni di velocità imposte dagli algoritmi precedentemente esposti, LTI Drives ha implementato l’algoritmo del Filtro di Kalman Esteso (EKF).

Questo algoritmo permette di effettuare posizionamenti con performance soddisfacenti indipendentemente dalla velocità del motore in combinazione con la misura delle induttanze, primariamente in motori che presentano anisotropia. Tale metodo si basa su un modello più completo della macchina che considera i fenomeni legati alla salienza magnetica del motore e permette allo stesso tempo il calcolo di ampiezza e fase della EMF e la differenza delle induttanze.

Si deve altresì ricordare che il maggiore sforzo di implementazione degli algoritmi, la richiesta di una superiore capacità di calcolo del microcontrollore e la dipendenza della qualità delle performance dal modello della macchina e dai suoi parametri, rendono questa tecnica notevolmente più complessa rispetto a quelle precedentemente descritte. LTI Drives ha integrato il supporto completo della funzionalità di controllo sensorless tramite Filtro di Kalman Esteso nei drive della serie ServoOne.

Figura 3: Struttura filtro di Kalman, sistema sotto controllo e misure
 

Il modello su cui si basa l’EKF è costituito dalle equazioni delle tensioni e devono essere note anche le dipendenze delle induttanze dalle correnti: più la conoscenza del modello è accurata, maggiori diventano le performance del sistema. Fondamentalmente l’EKF, il cui schema a blocchi è rappresentato dalla figura 3, è un osservatore di stato con una caratteristica speciale: sotto opportune ipotesi la matrice di correzione ottima è ricavata on line e ricorsivamente in modo da minimizzare gli effetti del rumore e gli errori del modello. La figura 4 mostra tra le altre cose un punto interessante del sensorless con EKF: l’iniezione di una corrente di test, che viene immessa nel motore alle bassissime velocità, di solito con un’ampiezza dell’ordine dei milliAmpere e a frequenze dell’ordine delle centinaia di Hertz (e comunque superiori alla banda dell’anello di corrente); essa ha la funzione di sollecitare il sistema per sfruttarne al meglio la salienza magnetica e identificare così in maniera più accurata possibile l’angolo tra rotore e statore.

Figura 4: Struttura controllo sensorless con EFK

La figura 5 mostra il risultato di un posizionamento effettuato utilizzando l’EKF con un motore sincrono a magneti permanenti isotropo (condizione quindi non ottimale dell’algoritmo) nella quale si osservano: l’errore nullo a transitorio esaurito, la velocità di risposta e lo smorzamento del transitorio.

Figura 5: Posizionamento sensorless

Questo articolo ha descritto brevemente quali sono i metodi sensorless attualmente impiegati in ambito industriale; per concludere l’esposizione vale la pena ricordare che secondo la filosofia LTI Drives non esiste una soluzione ‘ottima’ per ogni problema di controllo, bensì esiste la migliore possibile, e quest’ultima può essere individuata solo dopo un’attenta analisi, che un professionista qualificato in ingegneria deve saper condurre in ogni specifica applicazione.

ServoOne è stato pensato per essere il drive ideale per tutte in ogni applicazione da 2 a 450 A nominali. Disponibile sia in versione stand alone con alimentatore integrato, sia con alimentatore rigenerativo esterno, si contraddistingue per l’utilizzo di un potente processore a 32 bit (Tri Core) che gli permette di pilotare al meglio le seguenti tipologie di motori: lineari, torque, sincroni, asincroni, mandrini ad alta velocità e anche motori a correte continua.
Le generose risorse del microprocessore hanno permesso a LTI Drives di integrare i più moderni e sofisticati algoritmi di controllo dedicati alla tecnologia ‘direct drive’: ricerca automatica dell’angolo di commutazione, compensazione delle forze di attrito e del cogging motore, compensazione degli errori di ampiezza, di offset e di fase dei feedback di posizione analogici (sin/cos, resolver), un’azione di pre-controllo dell’anello di corrente (acceleration feedforward) garantisce l’erogazione immediata di corrente durante la fase di accelerazione/decelerazione. Oltre ai classici filtri Notch, ServoOne integra avanzati algoritmi predittivi ‘observer’ che consentono di modellizzare il motore e il carico a esso applicato al fine di prevenirne i comportamenti e massimizzare la dinamica di controllo.

ServoOne implementa lo stato dell’arte delle interfacce di comunicazione come Ethercat, Sercos III e Profinet IRT, basate sulla recente tecnologia Ethernet real-time, nonché i fieldbus di provata affidabilità Canopen, Profibus DP e Sercos II. La stessa flessibilità vale anche per i feedback grazie alla possibilità di connettere le più moderne tecnologie di encoder come Sin/Cos, Endat, Hiperface oltre al classico resolver.

Come completamento della famiglia di drive ServoOne, ServoOne Safety integra 2 ulteriori processori dedicati al monitoraggio ridondante dei feedback, degli ingressi e delle uscite. Questa architettura consente di eseguire le funzioni di sicurezza descritte dalla IEC 61800 con performance level PLe e integrità di sicurezze SIL3. Questo, e molto altro ancora, rendono ServoOne di LTI Drives uno degli azionamenti migliori presenti sul mercato dal punto di vista delle prestazioni raggiunte.

LTi Italia
www.lt-i.it

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