Il corso Advanced Electronic Drives ha come obiettivo di fornire agli studenti conoscenze relative all’uso dei circuiti elettronici di potenza nei sistemi di conversione dell’energia ad alta efficienza e, in particolare, al loro utilizzo nei sistemi di pilotaggio e controllo di attuatori elettromeccanici (motori). Nello sviluppo del corso si affronteranno principi fondamentali, tecniche di progetto e applicazioni di pilotaggio di attuatori con livelli di potenza non superiori a qualche kW, combinando la descrizione di tecnologie allo stato dell’arte con l’uso di tecniche e pratiche convenzionali.

Alla fine del semestre, negli studenti del corso maturerà una competenza relativa alla conoscenza delle caratteristiche elettriche statiche e dinamiche dei moderni dispositivi elettronici di potenza, la consapevolezza del ruolo chiave assunto dai moderni circuiti elettronici di potenza negli attuali sistemi di conversione statica dell’energia, la conoscenza delle tecniche fondamentali alla base del funzionamento di tali circuiti di potenza in applicazioni per il pilotaggio di motori e la conoscenza dettagliata dei principi operativi e delle topologie dei convertitori a commutazione a due e quattro quadranti e dei circuiti inverter.

Entro la fine del corso, le competenze acquisiste consentiranno agli studenti di poter selezionare i dispositivi di potenza più adatti per soddisfare diverse esigenze applicative, di scegliere e dimensionare i circuiti elettronici di pilotaggio di tali dispositivi per applicazioni ad elevata frequenza di commutazione, di analizzare e progettare circuiti di elaborazione della potenza sulla base delle specifiche elettriche dei motori, di valutare vantaggi e svantaggi delle diverse tecniche di modulazione a larghezza d’impulso sulle prestazioni di pilotaggio, di acquisire consapevolezza delle problematiche di interferenza elettromagnetica associate al funzionamento di sistemi elettronici a commutazione e di minimizzare tali interferenze sulla base di appropriati modelli analitici.

Al completamento del corso, gli studenti dimostreranno la conoscenza e la comprensione dei seguenti aspetti:

• vantaggi e svantaggi dell’uso dei sistemi elettronici di potenza nelle moderne applicazioni di conversione dell’energia
• concetti fondamentali e principi operativi dei convertitori di potenza a commutazione reversibili e bidirezionali per applicazioni di pilotaggio di carichi elettromeccanici
• il ruolo di alcune figure di merito che indirizzano il progetto e l’ottimizzazione dei convertitori di potenza per il pilotaggio di motori
• strutture e topologie dei convertitori di potenza DC-DC a due e quattro quadranti (convertitori half- e full-bridge)
• concetti di base sulla modulazione a larghezza di impulso (PWM) nelle topologie dei convertitori di potenza DC-DC a due e quattro quadranti
• architetture dei convertitori di potenza DC-AC mono-fase e tri-fase (inverter)
• sintesi di segnali alternati usando le più comuni tecniche di modulazione come: PWM sinusoidale, modulazione ad onda quadra e modulazione nello spazio dei vettori
• principi operativi dei motori passo-passo (stepper) e le architetture dei loro circuiti elettronici di pilotaggio
• concetti base dei motori brushless DC (BLDC) e le topologie dei loro circuiti di pilotaggio
• nozioni base relative agli attuatori piezoelettrici e le configurazioni principali dei circuiti elettronici di potenza a commutazione necessari per pilotarli
• caratteristiche statiche e dinamiche dei semiconduttori di potenza allo stato dell’arte come i MOSFET e gli IGBT
• problemi di compatibilità elettromagnetica (EMC) associati con il funzionamento dei sistemi elettronici di potenza

L’applicazione delle precedenti conoscenze determineranno l’acquisizione delle abilità elencate di seguito:

• lettura dei fogli tecnici (data-sheet) dei dispositivi di potenza commerciali in modo da estrarre le informazioni utili per identificare i migliori dispositivi nel soddisfare determinate esigenze
• individuazione delle specifiche dei circuiti di pilotaggio dei dispositivi di potenza al fine di ottenere determinate prestazioni statiche e dinamiche dei transistori pilotati
• analisi delle più comuni topologie circuitali di convertitori di potenza per il pilotaggio di motori
• analisi delle caratteristiche dei segnali generati all’uscita di convertitori di potenza attraverso l’uso di tecniche di modulazione convenzionali
• analisi dei circuiti di conversione DC-DC e DC-AC (inverter), dei loro parametri prestazionali e abilità del bilanciare vantaggi e svantaggi delle differenti architetture circuitali
• condurre esperimenti, analizzare e interpretare i risultati. Tale abilità è affinata, in particolare, durante le sessioni pratiche in laboratorio
• lavoro cooperativo di gruppo attraverso lo svolgimento di mini-project e durante le sessioni di laboratorio
• comunicare (in forma scritta e orale) con la comunità degli ingegneri relativamente ad argomenti di elettronica di potenza in modo efficace e appropriato

Tutte le lezioni e il materiale fornito sono in lingua inglese: per tale ragione è requisito indispensabile la conoscenza della lingua inglese sia in forma scritta che parlata. Le nozioni di matematica per ingegneri sono sufficienti. Si assume che gli studenti del corso abbiano conoscenze di base delle tecniche analitiche e dei metodi per l’analisi e la risoluzione dei circuiti elettrici e dei circuiti elettronici sia analogici che digitali. Sono utili informazioni pregresse circa la teoria di base dei dispositivi allo stato solido e della teoria dei segnali. Potrebbe essere un vantaggio possedere la conoscenza dei principi base di elettronica di potenza.

1. Introduzione al corso (lezione 3 hrs)
- definizione di azionamento elettronico
- flussi di potenza bidirezionali: modalità operative di tipo motore e generatore
- quadranti operativi degli azionamenti
- nozioni di base su circuiti elettrici equivalenti di attuatori DC e AC

2. Dispositivi a semiconduttore di potenza (lezioni 4.5 hrs; esercitazioni 6 hrs)
- diodi di potenza (PN, PIN) e diodi Schottky
- MOSFET di potenza (Double Diffused MOS)
- IGBT
- analisi parametri descritti nei data-sheet dei dispositivi di potenza e caratteristiche dei circuiti di pilotaggio dei transistori

3. Convertitori elettronici di potenza per motori passo-passo (stepper) (lezioni 4.5 hrs; laboratorio 6 hrs)
- principi operativi e classificazioni dei motori passo-passo: a riluttanza variabile, a magneti permanenti e ibridi. Caratteristiche elettriche e meccaniche. Motori passo-passo unipolari e bipolari
- Circuiti elettronici di potenza per motori passo-passo: circuiti L/R, R/L e ponte asimmetrico

4. Il polo di commutazione come principale elemento costitutivo dei convertitori di potenza a commutazione forzata (lezioni 4.5 hrs)
- compatibilità elettrica della commutazione forzata con carichi resistivi, induttivi e capacitivi
- configurazione del polo di commutazione; funzione di commutazione unitaria
- modalità operative di tipo buck e di tipo boost e principali figure di merito
- modulatore a larghezza di impulso

5. Convertitori di potenza a commutazione DC-DC a due e quattro quadranti (lezioni 4.5 hrs; esercizi 1.5 hrs)
- architetture e principi operativi
- stato di conduzione dei transistori in funzione della direzione della corrente
- modulazione PWM unipolare (o a tre livelli) e bipolare (a due livelli)
- implementazione pratica: mezzo ponte (half bridge) o ponte intero (full-bridge bridge o ponte ad H)
- influenza del tempo morto sulle prestazioni; calcolo del massimo ripple della corrente di uscita

6. Convertitori elettronici di potenza per attuatori piezoelettrici (lezioni 1.5 hrs, esercizi 4.5 hrs )
- principi operativi e classificazioni dei piezo-attuatori
- circuiti di pilotaggio a commutazione per piezo-attuatori.

7. Convertitori elettronici di potenza per motori brushless DC (BLDC) (lezioni 6 hrs; laboratorio 3hrs )
- principi operativi e classificazioni dei motori BLDC.
- circuiti di pilotaggio a commutazione per motori BLDC.

8. Convertitori di potenza DC-AC: inverter (lezioni 10.5 hrs )
- Classificazione degli inverter e parametri prestazionali
- inverter mono-fase. PWM sinusoidale, sovra-modulazione e inverter ad onda quadra: topologie e caratteristiche degli spettri della tensione d’uscita
- inverter a cancellazione di tensione
- inverter tri-fase. PWM-sinusoidale, sovra-modulazione e ad onda quadra: topologie e caratteristiche degli spettri delle tensioni d’uscita
- iniezione di terza armonica e tecnica di modulazione nello spazio dei vettori

Advanced Electronic Drives è un corso da 6 crediti per cui consiste di 60 ore svolte in classe generalmente suddivise in 39 ore di lezione teorica, 12 ore di esercitazione in aula e 9 ore di laboratorio sperimentale. Le lezioni sono principalmente erogate usando la lavagna, anche se disegni particolarmente complicati ed animazioni potrebbero richiedere l’uso di slide proiettate. Le esercitazioni in aula consistono nello svolgimento di esercizi numerici focalizzati sull’applicazione dei concetti teorici in modo da determinare una connessione tra le conoscenze intraprese nelle lezioni e le abilità da acquisire. Le esperienze pratiche in laboratorio consentono di verificare la teoria sulla base della verifica dei risultati sperimentali.

Il materiale usato per le lezioni teoriche, le esercitazioni e le esperienze di laboratorio è reso disponibile attraverso il portale web del corso. Gli studenti possono scaricare e stampare i file forniti prima delle lezioni in aula e usare le copie in modo da rendere più agevole prendere appunti. Il materiale fornito, che consiste nelle slide proiettate in aula e nella copia dei contenuti del corso, è fornito all’inizio del corso. Materiale aggiuntivo come articoli tecnici, data-sheet e note applicative sarà anch’esso reso disponibile agli studenti durante il corso. Alcuni libri di testo i quali coprono parti specifiche del programma del corso e altri sorgenti utili per approfondire I concetti illustrate a lezione saranno, di volta in volta, indicati durante il corso.

Le competenze maturate a seguito dello svolgimento del corso saranno valutate in sede di esame finale. Tale esame consiste di un orale della durata minima di 30 minuti sull’intero programma svolto nelle lezioni teoriche, nelle esercitazioni in aula e nei laboratori. L’obiettivo è verificare le competenze dello studente nella discussione di argomenti teorici e nel valutare le abilità acquisite attraverso l’analisi di circuiti e sistemi pratici. Il voto finale riflette il giudizio sul raggiungimento degli obiettivi del corso.
Nelle prime settimane del corso viene presentata una lista di mini-project. Essi consistono tipicamente nel progetto e nella simulazione circuitale di specifici azionamenti elettronici. Gli studenti, su base volontaria, possono scegliere uno dei progetti della lista, o proporne di propri, in modo da avere la possibilità di ottenere dei punti addizionali a quelli ottenuti in sede di esame orale. Gli studenti che svolgono i mini-project devono terminare il loro lavoro entro la fine del semestre redigendo un rapporto scritto e presentando i risultati delle loro attività tramite una presentazione pubblica in classe.