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Sensori Ad effetto Hall Migliazza Giovanni Artegiani Francesco Pavoni Federico Sensori di velocità e posizione.

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Presentazione sul tema: "Sensori Ad effetto Hall Migliazza Giovanni Artegiani Francesco Pavoni Federico Sensori di velocità e posizione."— Transcript della presentazione:

1 Sensori Ad effetto Hall Migliazza Giovanni Artegiani Francesco Pavoni Federico Sensori di velocità e posizione

2 Principio di Funzionamento Applico una tensione continua, essa promuove un flusso di elettroni uniforme dal punto A verso il punto B. Senza la presenza di un magnete esterno Tra due punti estremi di una sezione trasversale del conduttore (C - D) no vi è differenza di potenziale. L'indice del voltmetro, infatti, rimane fermo sullo zero centrale. In presenza di un magnete esterno Tra due punti estremi di una sezione trasversale del conduttore (C - D) vi è differenza di potenziale. Il flusso di elettroni subisce una deviazione dal percorso rettilineo, con un certo ammassamento verso il punto D ed un diradamento nella zona prossima al punto C. Il risultato elettrico più appariscente è quello della presenza di una tensione, fra i punti C - D, segnalata dall'indice del voltmetro. Invertendo le polarità del magnete, anche il corrispondente concentramento di elettroni e la deviazione dell'indice dello strumento si invertono. Con il risultato che il punto C è questa volta più negativo del punto A e l'indice del voltmetro flette verso i valori positivi.

3 SENSORI HALL CON USCITA ANALOGICA Il circuito stabilizzatore e regolatore STAB, provvede ad alimentare,con una corrente rigorosamente compensata, quasi costante e indipendente dalla tensione di alimentazione, ovviamente entro i limiti di tolleranza, l'intero circuito del sensore integrato. Ciò è molto importante per l'effetto Hall, dato che correnti diverse darebbero origine a differenti tensioni. L'amplificatore operazionale AMPL agisce direttamente sulla tensione di Hall. Ed è collegato in modo differenziale, ossia rimane sensibile soltanto alla differenza tra le tensioni presenti sulle facce opposte del sensore, non al loro valore comune. Con questo sistema, l'uscita dell'amplificatore operazionale è condizionata esclusivamente dalla tensione di Hall. Il segnale uscente dall'amplificatore è sufficientemente ampio per non sollevare problemi di collegamento e cablaggio e per essere pronto all'elaborazione tramite normali circuiti analogici ed anche logici.

4 SENSORI HALL CON USCITA DIGITALE L'uscita del transistor TR è di collettore, "open-collector", cioè a collettore libero, in modo da consentire l'adattamento con ogni tipo di circuito relativa tensione di alimentazione, tenendo conto che è possibile variare l'alimentazione del SEH e della logica entro ampi limiti. L'uscita di collettore di TR permette pure il cosiddetto wired-or o funzione logica di tipo OR, molto comoda in tutti quei casi in cui si deve raccogliere, su un unico ingresso, il segnale proveniente da molti sensori. Lo schema riportato nella figura in basso illustra una possibile applicazione dei sensori di Hall ora descritti. Il valore della resistenza R1 per taluni circuiti TTL, può essere abbassato a ohm. L'uscita dell'amplificatore operazionale è collegata con un comparatore dotato di soglia fissa, denominato ELABORATORE ON-OFF, che scatta e varia il livello della sua uscita, quando il campo magnetico e, di conseguenza, l'uscita dell'amplificatore operazionale, supera la soglia. L'uscita del comparatore, come si può notare in figura, agisce su un transistor NPN di commutazione, che fornisce la corrente necessaria per pilotare tutti i normali carichi dei circuiti logici. Quando TR è saturo, fornisce un livello zero pari ad alcune centinaia di millivolt o meno, a seconda del carico, compatibile con le comuni famiglie logiche.

5 Polarità Dati del circuito di prova SEH UGN 3501T VCC è di 9 V R1 = ohm R2 = 470 ohm (trimmer) R3 = ohm Alcuni dei sensori di Hall presenti in commercio reagiscono sotto l'influsso del polo SUD del magnete permanente, altri in presenza del polo NORD. Rivolgendo il campo magnetico verso la faccia del SEH sulla quale è visibile la sigla di riconoscimento. Tuttavia, il sensore di Hall funziona anche quando il campo magnetico lo investe sulla faccia opposta a quella in cui è impressa la sigla. Facciamo un esempio chiarificatore e supponiamo di realizzare l'esperimento riportato nella figura in basso, nel quale il SEH reagisce soltanto quando il polo SUD del magnete è rivolto verso la faccia del sensore in cui si legge la sigla, mentre non segnala alcuna reazione se il magnete inverte le sua polarità. Ora, se si sposta il magnete sulla parte opposta del sensore, ma con il polo NORD rivolto verso il SEH, questo reagisce, rimanendo invece inerte se le polarità vengono invertite. Comunque tutto dipende dal modello di sensore con cui si ha a che fare, ovvero se questo è del tipo ad uscita logica (on-off) o lineare.. In assenza di campi magnetici, va regolato in modo che l'indice del micro-amperometro uA, da uA, raggiunga il centro scala. Subito dopo possono iniziare gli esperimenti, avvicinando il magnete permanente da una parte e dall'altra, con le stesse polarità e con le polarità invertite, per accertare la veridicità di quanto prima affermato.

6 Alcune Semplici Applicazioni Questi due esempi costituiscono, forse, le più immediate e vantaggiose delle pratiche applicazioni dei sensori Hall; dato che consentono, in modo semplice ed economico, la misura della velocità di una ruota magnetizzata, o il numero di giri da questi compiuti. Poiché ogni volta che la ruota espone la tacca al sensore Hall, il campo magnetico varia e variano le reazioni del SEH. In questo caso, il flusso magnetico è proporzionale alla corrente che scorre nell'avvolgimento, sia questa alternata o continua. Dunque, con tale sistema, è facile tenere sotto controllo il valore della corrente in gioco nell'elettromagnete.

7 Posizione albero Motore Lato Trasmissione Lato Distribuzione

8 Posizione albero a Camme

9 Misure Sperimentali Esempio di segnale in uscita da un sensore di fase ad effetto hall. Ad ogni periodo completo di sinusoide corrisponde il passaggio di un dente della ruota fonica...

10 Misure Sperimentali In quest'altra immagine si può vedere chiaramente il dente mancante della ruota fonica dove ho il sincronismo... infatti in quel punto ho un segnale di maggior durata e tensione...

11 ABS

12 Perché implementare lABS Fermare un'auto in marcia su un fondo a basso coefficiente di attrito non è per nulla facile neanche per i grandi piloti di rally abituati a correre su qualunque fondo, dal fango al ghiaccio, alla sabbia e così via, figuriamoci per noi guidatori "normali". In un'auto senza Abs ottenere l'arresto della medesima su fondo scivoloso senza innescare sbandate e testa coda significa essere dotati di grande esperienza di guida.. Con l'Abs invece l'impresa riesce praticamente a tutti.

13 Modalità di Funzionamento Innanzitutto l'Abs ha bisogno di sapere se le ruote stanno girando o se una si sta fermando. Ciò è reso possibile dalla"ruota fonica. I denti metallici della ruota fonica passando davanti ad un sensore generano un segnale che permette alla parte elettronica di capire a che velocità sta ruotando il mozzo e quindi gestire il tutto. Occorre poi una centralina e una pompa particolare capace di bilanciare la frenata di ogni singola ruota.,perché quando noi premiamo il pedale del freno, l'auto inizia a rallentare, ma se il fondo è ineguale una o più ruote tenderanno a bloccare. E qui interviene la centralina, la ruota fonica di una ruota si ferma e quindi la centralina capisce che deve intervenire aprendo una valvola, al suo interno, che scarica la pressione sulla pinza freno della ruota bloccata che riprende a girare, la centralina si accorge che la ruota ha ripreso a girare e ridà pressione al freno ed il ciclo riprende e così via con tutte e quattro le ruote. Tutto questo avviene fino a 15/20 volte al secondo.

14 Componenti Fondamentali ABS Pompa ABS Giunto con Ruoto fonica Sensore effetto Hall

15 Encoder di velocità

16 Gli encoder sono sensori digitali i quali forniscono una rappresentazione numerica di spostamenti lineari o di rotazioni angolari. I dispositivi lineari forniscono una misura nel caso di spostamenti rettilinei mentre i dispositivi rotativi forniscono una misura diretta di spostamenti angolari.

17 TIPOLOGIA DI ENCODER ANGOLARI Gli encoder angolari si suddividono in due tipologie: INCREMENTALI: quando i segnali d'uscita sono proporzionali in modo incrementale allo spostamento effettuato ASSOLUTI: quando ad ogni posizione dell'albero corrisponde un valore ben definito

18 Un encoder incrementale è composto da 3 parti principali: 1.Un disco, generalmente di plastica ed è calettato sullalbero dellorgano da controllare. Questo disco è suddiviso in zone trasparenti e zone opache 2.Fotoemettitori danno il segnale di input attraverso un segnale luminoso che passa nelle zone trasparenti del disco di plastica 3.Fotorilevatore che riceve il segnale luminoso e che a sua volta invierà un segnale di output ( stato logico 1 se passa la luce, stato logico 2 se non passa)

19 Gli encoder hanno il vantaggio di poter essere realizzati in modo accurato, di avere elevate velocità di lettura e trascurabili forze di reazione verso il movimento dellalbero mobile. Lo spostamento angolare è dato dalla seguente relazione: Spostamento angolare (φ) = 360° / numero di fori dellencoder

20 Per determinare il verso di rotazione lencoder presenta una seconda identica pista ma sfasata di un quarto di passo La sfasatura del foro B come in figura mi permette di stabilire se per ogni incremento B commuta prima (verso antiorario) o dopo del foro A (verso orario) e quindi stabilire il verso di rotazione del dispositivo

21 PROBLEMATICHE DI COSTRUZIONE I fori presenti sulla ruota devono essere confrontabili con la lunghezza dellonda del laser incidente. I fenomeni di diffrazione e limprecisione dei fori possono limitare la massima risoluzione dellencoder.

22 Per migliorare la risoluzione ci sono 2 metodologie: - Sistema stigmatico (convergente) - Sistema collimato SISTEMA STIGMATICO SI usano due lenti biconvesse opposte rispetto al disco. SI pone lemettitore su un fuoco della lente e un foro del disco sullaltro fuoco, lo stesso metodo anche dalla parte del rilevatore. La luce passa dalla zona del ricevitore solo in corrispondenza dei fori. In questo modo si riduce il contrasto di modulazione, non vi è sovrapposizione cioè tra due fasci di luce rilevati ad ogni scatto dellalbero.

23 SISTEMA COLLIMATO Si utilizzano due lenti biconvesse entrambe dalla parte del ricevitore. Le lenti trasformano il raggio proveniente dallemettitore in un fascio di raggi paralleli. Il risultato è che nel foro presente nel disco passa solo il fascio di luce strettamente necessario e perfettamente perpendicolare per far commutare il ricevitore.

24 ENCODER ASSOLUTO Il disco è suddivisibile in settori che vanno a comporre un codice (binario oppure Gray). Il disco è suddiviso in n corone circolari e in 2^n settori. Ogni settore avrà n aree che a seconda se opacizzate o trasparenti corrisponderanno a 1 logico o zero logico. Vantaggio: da informazioni che non vengono perdute in caso di mancanza di alimentazione Svantaggio: più costoso di quello incrementale e non è adatto ad effettuare misure di velocità

25 APPLICAZIONE ENCODER INCREMENTALE : MOUSE A SFERA Il mouse a sfera è il classico esempio di encoder incrementale: la rotazione della sfera permette la rotazione di due alberi in quadratura per il rilevamento degli spostamenti sul piano. Su ogni alberino è calettato un encoder incrementale che monta sulla stessa pista due gruppi di fotocellule sfalsate di un quarto di passo cosi da determinare il senso di rotazione della sfera Componenti: 1- sfera 2- albero di rotazione 3- disco 4- emettitore 5- ricevitore

26 DATASHEET ENCODER MOUSE

27 Resolver Strumenti di misura : posizioni e velocità di alberi

28 Trasduttori induttivi Il resolver è un tipo di trasduttore di spostamento induttivo, dispositivo elettromeccanico per la misura di spostamenti angolari che consente di rilevare la variazione di flusso di induzione magnetica, concatenato con un solenoide, in funzione della posizione del solenoide stesso. Alimentato in corrente alternata, è un dispositivo analogico.

29 Funzionamento Il principio di funzionamento del Resolver si basa sulla variazione dellaccoppiamento (di tipo trasformatorico) tra due sistemi di avvolgimenti elettrici ruotanti luno rispetto allaltro. Sensori di posizione di tipo induttivo.

30 Andamenti di output Un Resolver, comprende un avvolgimento di rotore (circuito primario, portante o Generatore) e due avvolgimenti di statore (circuiti secondari o Rivelatori) posizionati in modo da avere i loro assi di simmetria sfasati di 90° elettrici.

31 Tensioni di output La tensione su primario è: allora le tensioni indotte sui secondari sfasati fra di loro di 90° valgono: Dove θ langolo relativo tra il circuito di rotore e quello di statore e K è una costante di proporzionalità dipendente da parametri costruttivi del sensore. Le due tensioni di uscita risultano pertanto modulate sinusoidalmente con la posizione ed in quadratura tra loro.

32 Caratteristiche Il sensore fornisce come segnale di uscita una 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; Grazie alla presenza dei due circuiti di statore sfasati di 90°, il resolver fornisce la posizione assoluta dellasse rotante allinterno di un giro.

33 Funzionamento Questo trasduttore è formato da due avvolgimenti distinti, uno fisso (statore) e laltro mobile (rotore), disposti attorno ad uno stesso nucleo di ferro, fatto di lamierini isolati; in base alle loro posizioni reciproche il flusso magnetico sul secondo solenoide risulta quindi concatenato totalmente o solo parzialmente col primo. Ai capi dellavvolgimento secondario, quindi, si ha una tensione avente ampiezza diversa in funzione del disallineamento dei due elementi elettrici: è facilmente comprensibile quindi che il campo di misura di un resolver formato da un solo elemento fisso e da uno solo mobile sia di 180 gradi; nei trasduttori più comuni sono presenti due solenoidi statorici e due rotorici, in modo da ampliare il campo di misura a 360 gradi, ma spesso non basta.

34 Migliorare la risoluzione Nei sensori di posizione di tipo induttivo esistono realizzazioni con p coppie di espansioni polari in cui il sensore fornisce la posizione assoluta allinterno di un giro elettrico, a cui corrispondono 1/p giri meccanici. Tale soluzione consente di ottenere una maggiore risoluzione del sensore.

35 Tipi di misurazioni spostamenti angolari, quando, il rotore è collegato su un asse, viene usato per rilevare direttamente la posizione angolare di quest'ultimo; conversione di coordinate polari/cartesiane, alimentando lo statore con tensioni pari alle coordinate cartesiane è possibile misurare il valore dell'angolo di rotazione ottenuto (da cartesiano a polare) e viceversa. rilevamento di errori d'angolo, nota una posizione angolare del rotore e usando un solo avvolgimento statore, tramite una coppia di resolver si rileva un errore nell'allineamento. Questi trasduttori, per la loro vastissima gamma di modelli, sono validamente applicati in tutto il mondo su: controlli di processo industriale, robot industriali, macchine utensili, strumenti di misura, plotter. Pregi: La sua struttura è particolarmente robusta, in maniera tale da garantire una vita media del meccanismo abbastanza lunga ed è poco sensibile ad urti e vibrazioni. Può quindi essere utilizzato in impianti industriali in condizioni di lavoro difficili.

36 Campi dimpiego Labbinamento dei Resolver interfacciati con l'unità di controllo del calcolatore sono in grado di verificare se sono state effettuate correttamente tutte le lavorazioni programmate. Nel caso di una semplice lavorazione come una tornitura da un punto A ad un punto B(distanza di 50mm) grazie allinterfacciarsi del segnale del Resolver (distanza istantanea dellutensile) e il segnale del comparatore (distanza prefissata). Il calcolatore verificherà se la differenza tra i segnali sarà =0 nonché la tornitura di 50mm è stata eseguita correttamente e quindi il cnc provvederà a ritornare in posizione con i servomeccanismi, in caso contrario viene dato un valore diverso da 0 che determina l'attivazione dell'azionamento del mandrino dell'utensile eseguendo nuovamente la lavorazione.

37 Caratteristiche Errore di linearità: da 0.1 % a 0.5 %; Ampiezza del campo di misura: linformazione è assoluta solo nellambito del giro elettrico, può comunque compiere infinite rotazioni; Frequenza della tensione di alimentazione: da 500 Hz a 20Khz Il Resolver è un sensore di posizione molto affidabile, abbastanza preciso, non troppo costoso, in grado di essere applicato su sistemi in rotazione continua, trova attualmente la sua massima applicazione come sensore di posizione del rotore negli azionamenti ad alte prestazioni con motori AC. La sua robustezza, la tecnologia elettromagnetica simile a quella realizzativa di un motore e la relativa insensibilità agli sbalzi di temperatura lo rendono idoneo allintegrazione allinterno del motore stesso, favorendo così la compattezza e la riduzione dei costi dellinsieme.

38 Progettazione… Banco prova motori Come tradurre e leggere le potenze e coppie generate da un motore … Si è deciso per semplicità strutturale di creare un banco prova inerziale. Con la prova al banco di tipo inerziale, si sfrutta la massa del rullo e laccellerazione impartitagli dal mezzo in prova determinandone la coppia motrice e la potenza massima prodotta dal motore. Il nostro scopo è stato quello di riuscire a capire e comparare le prestazione dei nostri motori al variare dei vari componenti. Il primo passo è stato determinare un range di potenze misurabili, per poterne calcolare la massa e il diametro del rullo da utilizzare, in base alle nostre caratteristiche, il peso del rullo è stato determinato per una potenza massima di 70cv.

39 Encoder utilizzato Per rilevare dei dati sullalbero del rullo abbiamo deciso da applicarvi un encoder il cui compito è quello di fornire un treno di onde quadre proporzionali alla velocità dellalbero su cui è calettato.

40 Scheda e programma Per semplicità costruttiva e precisione di lettura abbiamo deciso di acquistare un programma per analizzare il segnale dellencoder e tradurlo in curve motore. A priori di ogni prova è necessario settare il segnale dellencoder con il tempo di lettura, ogni prova sarà in funzione del tempo, temperatura e diametro della ruota.

41 Prova a banco..

42 Diagrammi di output

43 Test di Comparazione

44 Grazie per lattenzione!

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