ad hoc

I Abstract

I motori brushless a magneti permanenti stanno trovando un sempre maggior uso nelle applicazioni industriali, rimpiazzando i tradizionali motori a corrente continua e asincroni, grazie alle migliori prestazioni che riescono a fornire (in particolare una più alta densità di potenza e miglior rendimento) e all’abbattimento del loro prezzo negli ultimi anni.

Questa ricerca vuole analizzare il funzionamento di un motore brushless indirizzato ad applicazioni su larga scala (dunque progettato nell’ottica del minor costo possibile in relazione alle ottime prestazioni caratteristiche di questo tipo di motori), utilizzando un modello semi-ideale più dettagliato di quello classico,che è tradizionalmente limitato ad una descrizione alla prima armonica degli elementi di macchina (distribuzione degli avvolgimenti e dei magneti permanenti, traferro). Si dimostrerà poi attraverso questo modello come i metodi di controllo comuni (trapezoidale o sinusoidale) comportino l’insorgenza di un non trascurabile ripple di coppia se applicati a tali motori, e se ne proporrà uno alternativo studiato ad hoc.

Abstract

Recently Permanent Magnet Brushless Motors are largely used in many industrial applications, replacing traditional DC and asynchronous motors, because of the better performances they can achieve (mainly higher power density and efficiency), and the decrease of their price in last years. This paper will show the behaviour of a brushless motor proposed to a wide range of applications (hence designed with the objective of the minimum cost in relation with his typical good performances), using a semi-ideal model, more detailed than the classic one, traditionally limited to a first harmonic description of machine elements (i.e., windings and PM distribution, air gap shape). Finally we’ll show, through this model, how classical control methods (trapezoidal and sinusoidal control) cause a not negligible torque ripple to appear, and we’ll propose a third one, designed for this case.

II

Sommario

Capitolo 1 – Introduzione

1 – 1 Richiami di Teoria delle Macchine Elettriche……….………2

1 – 2 Analisi Magnetica Lineare di Macchine Rotanti a Tamburo Lungo………...7

1 – 3 Trasformazione di Variabili………...14

Trasformazione Bifase………...14

Trasformazione di Park………...16

Capitolo 2 – Panoramica sui Motori Brushless

2 – 1 Panoramica sui Principali Motori Brushless: Caratteristiche della Macchina e Tecniche di Controllo……….………20

Motore Brushless e Tecnica di Controllo Trapezoidale……….22

Motore Brushless e Tecnica di Controllo Sinusoidale………26

2 – 2 Analisi Dinamica dei Motori Brushless: Approssimazione alla Prima Armonica……28

2 – 3 Controllo della Macchina………..34

Funzionamento al di sotto della Velocità Base.………..34

Funzionamento in Sovravelocità……….35

Capitolo 3 – Modellazione della Macchina e Controllo

3 – 1 Determinazione del Modello di Macchina………39

Magneti Permanenti………40

Rotore e Descrizione del Traferro………...42

Avvolgimenti………..43

Resistenza………...45

Induttanza Principale di Macchina………..46

Flussi e Vettore delle Tensioni a Vuoto………..47

Determinazione dei Valori Nominali di Macchina……….48

Ulteriori Considerazioni sulla Macchina Scelta……….49

3 – 2 Calcolo delle Correnti di Riferimento per il Controllo del Modello Adottato………..50

Funzionamento al di sotto della Velocità Base.………..51

Funzionamento in Sovravelocità……….51

Capitolo 4 – Implementazione del Modello della Macchina in Ambiente MATLAB

Simulink

III

Equazioni Meccaniche………...….pag. 56

Controllo……….57

Capitolo 5 – Analisi dei Risultati delle Simulazioni

5 – 1 Verifica dei diversi Sistemi di Controllo………...62

Controllo Trapezoidale………...66

5 – 2 Controllo del Moto………69

Gradino di Velocità…...………..69

Rampa di Velocità………...72