Con l’espandersi delle tecniche di controllo digitali ed il diffondersi degli elaboratori utilizzati come controllori di processo, si sta assistendo ad una rapida evoluzione dell’elettronica di potenza dedicata agli attuatori di piccola e media potenza.

Con il termine ATTUATORE si intendono quei dispositivi in grado di convertire energia elettrica in energia meccanica o più precisamente di trasformare un segnale elettrico in movimento, con particolare riferimento ai solenoidi e ai servo-motori.

I solenoidi, attraverso l’attivazione di una bobina, provocano lo spostamento di un nucleo e, conseguentemente, delle parti meccaniche ad esso connesse. Il loro impiego è molto diffuso: vengono usati nelle serrature elettriche, aprono e chiudono contatti elettrici, azionano i martelletti delle macchine da scrivere e delle stampanti, ecc.

I servo-motori sono invece costituiti da motori in continua a magnete permanente o da motori passo-passo ed il loro impiego è vastissimo, dall’avanzamento dei carrelli nelle macchine utensili, al posizionamento della testina di scrittura nei plotter, ecc.

L’attuatore utilizzato nel nostro sistema fa parte alla categoria dei servo-sistemi ed è costituito da un motore in continua a magnete permanente. Vediamo in dettaglio il principio di funzionamento di tale motore.

I MOTORI IN CONTINUA, sono motori di piccola potenza (intorno al centinaio di watt o meno), costituiti da uno statore a magnete permanente e da un rotore in ferro sul quale sono presenti gli avvolgimenti.

Generalmente un motore in continua può essere rappresentato elettricamente con il seguente modello:

dove Va è la tensione di armatura applicata ai morsetti del motore ed Ra e La sono rispettivamente la resistenza (solitamente qualche ohm) e l’induttanza (solitamente qualche mH) degli avvolgimenti di armatura. Con e(t) si indica invece la forza controelettromotrice (f.c.e.m.) che si oppone alla tensione di armatura quando il motore gira.

La f.c.e.m. è proporzionale alla velocità angolare w secondo la costante KE, detta costante di tensione del motore e misurata in V/(rad*s-1), e vale:

Mentre la velocità angolare è anch’essa legata alla costante KE infatti vale:

Più spesso, in ambiente tecnico si preferisce parlare, anziché di w, di n cioè numero di giri al minuto o rotazioni per minuto (rpm), per cui n = w.

Fatta questa considerazione possiamo dire che il numero dei giri al minuto del motore (o la velocità angolare) può essere variata variando la tensione di armatura Va dal momento che KE è una costante.

Se analizziamo il comportamento del motore a regime ma senza carico, non si verifica su La nessuna caduta di potenziale dal momento che la tensione è continua, mentre su Ra la caduta di tensione è piccola; questo perchè Va = e(t).

Viceversa all’avviamento abbiamo una e(t) = 0 e la corrente di armatura Ia, unicamente limitata da Ra, raggiunge valori molti elevati. Tale fenomeno produce una coppia motrice Cm del valore:

dove KT, espressa in Nm/A, è detta costante di coppia.

Il legame che unisce le varie grandezze caratteristiche del motore è espresso dal seguente grafico dove sull’asse delle ordinate è riportata la velocità di rotazione e su quello delle ascisse la coppia motrice:

A parità di tensione di armatura Va, il numero dei giri diminuisce linearmente con l’aumentare della coppia prodotta dal motore. Il numero dei giri è massimo per coppia teoricamente nulla mentre è nulla allo spunto (cioè per velocità nulla), allorché la coppia raggiunge il suo valore massimo (coppia di spunto).

A parità di coppia si nota che la velocità aumenta con la tensione di armatura applicata.

Mentre la retta Cr (coppia di resistenza: coppia generata dopo aver inserito un carico) determina il punto di lavoro per diversi valori di Va; in pratica indica l’equilibrio del sistema o meglio quando si ottiene Cm = Cr.

Per quanto riguarda in regime dinamico, il motore in continua è ancora caratterizzato da due parametri particolarmente importanti; la costante di tempo elettrica (te) e la costante di tempo meccanica (tm) che valgono rispettivamente:

dove J è il momento di inerzia complessivo del motore collegato al carico.

Se, come normalmente succede, tm >> te la funzione di trasferimento del motore G(s) espressa mediante la trasformata di Laplace vale:

Tale funzione, che lega la velocità di rotazione con la tensione di armatura, presenta due poli distinti, in valore assoluto coincidenti con l’inverso delle costanti di tempo.

Questo vuol dire che il motore equivale ad un sistema del 2° ordine il cui significato fisico è ben preciso, infatti è conosciuto il diagramma dei moduli di Bode relativo ad una F.d.T. del 2° ordine:

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