Facolt`a di Ingegneria

I l tempo `e un gigante che, vinto dal torpore, giace addormentato tra svolazzi di farfalle

in un campo di fiori gialli e rossi.

UNIVERSIT ` A DEGLI STUDI DI PISA

Facolt`a di Ingegneria

Corso di Laurea in Ingegneria Aerospaziale

Tesi di Laurea

Studio e caratterizzazione sperimentale di motori brushless per l’attuazione di comandi

di volo

Relatori:

Prof. Roberto Galatolo

Prof. Carlo Casarosa

Correlatore:

Ing. Gianpietro Di Rito

Laureando:

Pasquale Goffredo

04 MV 03 521

Anno Accademico  

Sommario

L’obiettivo principale del presente lavoro di Tesi `e lo studio di attuatori elet- trici per la movimentazione delle superfici di controllo di velivoli da trasporto civile. Particolare attenzione `e stata dedicata ai motori sincroni a magneti permanenti brushless, dei quali sono state analizzate caratteristiche e presta- zioni, al fine di valutarne l’applicabilit`a per il campo aeronautico. Tale studio di fattibilit`a `e stato supportato da un’estesa campagna di prove sperimen- tali effettuate su un motore brushless di impiego industriale, a disposizione dei laboratori del Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale dell’Universit`a di Pisa.

Parallelamente alla caratterizzazione sperimentale del motore `e stato svi- luppato un modello della dinamica dello stesso cha ha condotto alla messa a punto dei parametri del controllo sulla posizione angolare, nel rispetto di opportuni requisiti assegnati.

I

Ringraziamenti

Desidero ringraziare innanzitutto chi ha reso possibile non solo questo lavoro, ma anche e soprattutto l’intero percorso per arrivare ad esso: la mia famiglia ed in particolare Lia e Felice e ”le due priore”, Lina ed Elisa.

Grazie a Tiziana, la quale mai ha lasciato che io restassi da solo in questo cammino (e non solo in questo...), n`e che disperassi di giungervi in fondo.

Grazie a Claudio, grande sostegno e conoscitore delle mie forze e delle mie debolezze, grazie alla ”vecchia guardia di Via dell’Occhio”, per le notti le feste i viaggi e non solo, grazie a Tommaso, che si `e lasciato accompagnare, a Michela e Giovanni, per il loro grande tifo.

Grazie a tutte le donne e gli uomini, i tempi e i luoghi, reali o immaginari che siano, che hanno costellato questa parte della mia vita, lunga sette anni, di nobilt`a e di miserie, di sorrisi e di lacrime, di delitti e di castighi.

Ringrazio infine il Prof. Galatolo che mi ha guidato provvidenzialmente nel lavoro, il Prof. Casarosa, il (grande) Ing. Di Rito, l’impagabile Ing.

Pisani e il personale, i dottorandi e i tesisti dei laboratori di Elettronica, di Meccanica del Volo e Fly-By-Wire.

II

Indice

Sommario

Ringraziamenti

Elenco dei simboli

1 Introduzione 1

2 L’attuazione elettrica 3

2.1 Introduzione . . . . 3

2.2 Attuatori per le superfici di controllo del velivolo . . . . 3

2.3 Cenni sul progetto fault-tolerant della macchina elettrica . . . 5

2.3.1 Tipologie di guasti . . . . 5

2.3.2 Scelta del numero di fasi . . . . 7

2.3.3 Ciclo termico . . . 10

2.4 Le prestazioni . . . 10

3 Il motore brushless 12 3.1 Principi generali . . . 12

3.2 Il motore sincrono a magneti permanenti . . . 15

3.3 Cenni sul controllo vettoriale dei motori in c.a. . . 17

4 Progetto del controllo di un motore elettrico brushless 19 4.1 Modello della dinamica del motore . . . 19

4.2 Architettura del controllo . . . 25

4.3 Progetto del controllo . . . 31

III

4.3.1 Requisiti . . . 31

4.3.2 Limitazioni sui parametri di controllo . . . 31

4.3.3 Definizione dei parametri del controllo . . . 32

4.4 Le simulazioni . . . 47

5 Attrezzatura di prova 49 5.1 Il motore . . . 50

5.2 L’azionamento . . . 52

5.3 La scheda di acquisizione A/D . . . 55

5.4 Il software . . . 56

5.4.1 Il software Moog WinDrive . . . 56

5.4.2 Il software LabView . . . 61

5.4.3 Il software Matlab . . . 62

5.5 Il banco prova . . . 65

6 Tipologia e procedura delle prove 68 6.1 Prove senza carico . . . 68

6.1.1 Comando a gradino . . . 68

6.1.2 Comando sinusoidale e risposta in frequenza . . . 72

6.2 Prove con carico applicato . . . 76

6.2.1 Comando a gradino . . . 76

6.2.2 Comando sinusoidale e risposta in frequenza . . . 77

7 Risultati delle prove 78 7.1 Prove e simulazioni in assenza di carico . . . 78

7.1.1 Comando a gradino . . . 78

7.1.2 Risposta in frequenza . . . 80

7.2 Prove e simulazioni con carico applicato . . . 83

7.2.1 Comando a gradino . . . 83

7.2.2 Risposta in frequenza . . . 84

8 Conclusioni 87

Bibliografia 88

Elenco delle figure 89

IV

Elenco delle tabelle 92

Elenco degli acronimi 93

V

Elenco dei Simboli

λ

Flusso magnetico concatenato alle fasi dello statore ω Velocit`a angolare dell’albero motore

ω

Velocit`a angolare elettrica di rotore Ψ

Flusso magnetico di rotore

θ Posizione angolare dell’albero motore θ

Angolo elettrico di rotore

VI