PIANI DI POTENZIAMENTO DELLA RETE DI RICERCA SCIENTIFICA E TECNOLOGICA

 

 

Titolo: "Affidabilità, sicurezza e compatibilità nei sistemi di trasporto"

Ministero dell'Istruzione      dell'Università e della Ricerca

Relazione scientifica 3° anno di attività 

Dip. di Ing.Elettrica ed Elettronica  Università degli Studi di Cagliari 

Ente:Dipartimento di Ingegneria Elettrica ed Elettronica –Università di Cagliari

Titolo del Piano: Compatibilità elettromagnetica

Titolo del Progetto: Affidabilità, sicurezza e compatibilità nei sistemi di trasporto

Identificativo del Progetto: Cluster 13-P.3

Stato di avanzamento: dal   3/02/2002 al 3/02/2003 


 

 

1.      NOTIZIE SULL’ANDAMENTO DEL PROGETTO

  

1.1          Obiettivi realizzativi

 

Il progetto in esame è articolato su quattro differenti work-package, ciascuno dei quali, come riportato nel progetto esecutivo, è contraddistinto dal raggiungimento di un determinato obiettivo.

 

Workpackage n° 3.1.

 Il primo work-package, indicato nel progetto esecutivo con l’espressione work-package n° 3.1, ha come obiettivo la realizzazione di un laboratorio di compatibilità elettromagnetica costituito da una camera semianecoica compatta per prove di compatibilità elettromagnetica delle dimensioni di 7.8x4.0x3.6 metri circa e dalle relative apparecchiature fisse e mobili necessarie.  Il laboratorio consentirà di sperimentare e verificare i meccanismi di propagazione dei disturbi di origine elettromagnetica trasmessi per accoppiamenti da campo elettrico, magnetico, conduttivo e di impedenza comune e di fornire un valido supporto per le aziende locali che intendono, così come prescritto dalla direttiva Europea sulla EMC, certificare i loro prodotti.  Per il raggiungimento di tale obiettivo è stata predisposta la anecoicizzazione della camera schermata già realizzata e collaudata dalla società Albatross (sempre nell’ambito del cluster 13), il 6/06/2001 così come riportato nella relazione scientifica del 2° anno.  Visto che trattasi di completamento d’opera, l’anecoicizzazione della camera schermata è stata affidata direttamente alla società Albatross (nota 1), come previsto dall’ articolo 58 lettera g del regolamento amministrativo contabile, e perciò non sono stati richiesti ulteriori preventivi. Le operazioni di accettazione dell’installazione della camera sono state eseguite in data 20/09/2002. Le caratteristiche della camera sono riportate nel punto 1.2. Copie dei documenti certificanti la conformità alle specifiche di progetto sono riportate in allegato alla presente relazione (A.1).

Workpackage n° 3.2.

Il secondo Workpackage, denominato nel progetto esecutivo come  Workpackage n° 3.2, ha come obiettivo l’analisi delle cause e dei meccanismi di trasmissione dei disturbi di origine elettromagnetica finalizzata allo sviluppo di modelli matematici per la simulazione del comportamento emissivo dei dispositivi elettronici di potenza. In particolare l’analisi, la modellizzazione e la simulazione delle sorgenti e dei canali di accoppiamento dei disturbi elettromagnetici sarà indirizzata alla valutazione e alla risoluzione delle relative problematiche, connesse al funzionamento dei sistemi elettronici di potenza  e dei sistemi di telecomunicazione a bordo e fuori bordo. A tal fine è stata eseguita una serie di studi preliminari atti a definire dei modelli generali sui quali condurre l’attività di ricerca. Utilizzando le competenze specifiche dei ricercatori afferenti al Dipartimento di Ingegneria Elettrica ed Elettronica, sono stati inizialmente affrontati diversi aspetti dei fenomeni oggetto dello studio. In particolare, i ricercatori del gruppo di ricerca di Campi Elettromagnetici hanno portato a termine una attività che ha riguardato lo studio di un modello di campo elettromagnetico che unifichi, secondo una descrizione univoca, ambienti elettromagnetici in cui sia presente una componente di campo coerente sovrapposta ad una incoerente ed inoltre che quest'ultima sia generata da molti contributi di scattering (fading completamente sviluppato) o da un numero limitato (fading non completamente sviluppato). Questo, consentirà di valutare i futuri risultati sperimentali tenendo conto anche degli effetti prodotti dalla geometria e dalle dimensioni della camera semianecoica presente nel laboratorio di compatibilità elettromagnetica dell’Università di Cagliari (Workpackage n° 3.1.). Il gruppo di Controlli Automatici ha invece focalizzato, la propria attività di ricerca, sulla sorgente di disturbo elettromagnetico, costituito dal convertitore elettronico di potenza. In particolare, gli algoritmi sviluppati nel corso delle precedenti attività teoriche, sempre nell’ambito del cluster 13, sono stati testati mediante lo sviluppo di diversi set-up sperimentali: un azionamento in corrente continua di media potenza (800 W, Vbus = 180V) ed un prototipo di veicolo subacqueo. Le prove sperimentali hanno messo in luce come l’impiego di sliding modes di ordine superiore al primo permetta, rispetto alle tecniche classiche basate su sliding modes del primo ordine, di migliorare la precisione di steady-state e di ridurre significamene l’inquinamento armonico (disturbi elettromagnetici irradiati e condotti).  Il gruppo di Macchine ed Azionamenti Elettrici ha condotto degli studi sulla modellizzazione in alta frequenza di un dissipatore di calore per impieghi nel campo dell’elettronica di potenza. Infatti, è proprio il dissipatore a creare il canale di accoppiamento per i disturbi elettromagnetici generati dalla commutazione dello switch di potenza. In particolare, è stata effettuata la simulazione del modello del dissipatore e il successivo confronto con i dati sperimentali. Ciò ha consentito di validare il modello proposto e quindi di realizzare uno strumento software di base, utile nella progettazione di sistemi a bassa emissione e per l’esecuzione degli studi successivi. Un altro obiettivo fondamentale del presente Workpackage è lo studio e la messa a punto di mezzi atti a rendere robusti i sistemi di telecomunicazione nei confronti dei disturbi prodotti dai sistemi di alimentazione elettronici di potenza, presenti nei sistemi di trasporto. Quest’obiettivo è stato perseguito con lo studio di nuove tecniche per il mascheramento degli errori ed il recupero di qualità delle trasmissioni di dati multimediali a seguito della perdita di pacchetti di dati. In tale campo è stata condotta dai ricercatori del gruppo di Telecomunicazioni del DIEE di Cagliari un’intensa attività di ricerca finalizzata allo sviluppo e alla messa a punto di strumenti software adatti a tale scopo.

 

Workpackage n° 3.3.

Il terzo Workpackage, indicato nel progetto esecutivo con l’espressione Workpackage n° 3.3, ha come obiettivo la produzione di strumenti software e programmi di calcolo automatico per il progetto di apparecchiature e di sistemi caratterizzati da ridotta emissione ed elevata immunità rispetto ai disturbi elettromagnetici. Come si può evincere dall’analisi del progetto esecutivo, questo workpackage è strettamente connesso al precedente e ne costituisce la naturale evoluzione. Alcuni argomenti precedentemente esposti hanno in questo contesto trovato le loro applicazioni software. In particolare, gli studi condotti sugli algoritmi sliding mode di ordine superiore per la riduzione del contenuto armonico di tali tipi di sistemi hanno condotto allo sviluppo e all’applicazione di un nuovo algoritmo VSS del terzo ordine caratterizzato da un riduzione del fenomeno del chattering. I risultati di tale attività sono stati oggetto di numerose pubblicazioni su riviste internazionali. Stesso discorso può esser fatto per quanto riguarda gli studi condotti sul mascheramento degli errori ed il recupero di qualità nelle trasmissioni di dati multimediali. Questi hanno permesso di sviluppare dei codici software dedicati al recupero di qualità nelle trasmissioni di dati multimediali. Sono stati, inoltre, sviluppati e testati, sulla base dei dati sperimentali ottenuti, dei codici software di modellizzazione in alta frequenza di dissipatori di calore per switches di potenza.  

  

1.2          Attività svolte

 Workpackage n° 3.1.

Il Workpackage n° 3.1, ha come obiettivo la realizzazione di un laboratorio di compatibilità elettromagnetica per prove EMC a tre metri. In questo contesto è stata completata la seconda fase dei lavori che consiste nella anecoicizzazione (per frequenze fino a 18 GHz) della camera schermata precedentemente realizzata ed parzialmente la terza fase che consiste nell’acquisizione della strumentazione. Le caratteristiche della camera semianecoica realizzata sono qui di seguito riportate. La camera semianecoica è collocata all'interno del Dipartimento di Ingegneria Elettrica ed Elettronica “DIEE” (Facoltà di Ingegneria di Cagliari) in un Laboratorio riservato per Misure di Compatibilità Elettromagnetica;

le dimensioni della camera semianecoica, escluso l’ingombro del materiale semianecoico, sono:

lunghezza :

7,9 m

larghezza:

4,0 m

altezza:

3,6 m

 Per gli aspetti attinenti:

·       all’attenuazione normalizzata di sito la camera semianecoica è risultata conforme alle normative di riferimento EN 50147-2, Marzo 1996 e ANSI C63.4 Giugno 2001,

·       alle perdite di trasmissione la camera semianecoica è risultata conforme alla normative di riferimento CISPR 16-1 e Draft CISPR /A/342/CD,

·       all’uniformità di campo la camera è risultata conforme alle normative di riferimento d EN 61000-4-3, 1996.

 

Per gli aspetti relativi alle procedure ed ai risultati delle misure di collaudo si rimanda al “Test report n°EH-H33/02” allegato.

 

Caratteristiche del pavimento della camera semianecoica

Al proprio interno la camera semianecoica è dotata di un idoneo piano di massa, con portata minima di 1000 kg/m2 che può essere, a seconda delle necessità, reso anecoico per mezzo di pannelli assorbenti mobili (ferriti e coni assorbenti). Tale piano di massa è montato su struttura sopraelevata e predisposto per il passaggio dei cavi di alimentazione, dei collegamenti in fibra ottica e quant'altro dovesse rendersi necessario installare (telecamera, alimentatori ecc).  Inoltre, è installato all’interno della camera (nella predisposizione opportuna) la tavola rotante del diametro di 1,5 metri con portata di 500 kg/m2  ed il palo d’antenna motorizzato. Entrambe i dispositivi sono controllati, tramite connessione ottica, da un controller esterno. Per una migliore pedonabilità e pulizia. questo piano è stato ricoperto con materiale tipo linoleum  L'altezza dei pavimento è tale da non costituire dislivello con la soglia delle porte di accesso.

 

Caratteristiche del materiale radio-assorbente

Il materiale radio-assorbente che ricopre le 4 pareti laterali e il soffitto e parzialmente il pavimento e costituito da mattonelle di ferrite, singolarmente avvitate alla struttura, e da piramidi di materiale poliuretanico. Queste ultime sono agganciate alla struttura portante (sopra le ferriti) in modo da poter facilmente sostituire le eventuali piramidi danneggiate. Il materiale radio-assorbente risulta così essere facilmente smontabile nel caso si decidesse di spostare la camera dall’attuale ubicazione. Per ottimizzare il rendimento della camera semianecoica le pareti laterali sono state sufficientemente ricoperte da materiale, tenendo conto della posizione della tavola rotante e dell'antenna. In particolare, il materiale utilizzato presenta un coefficiente di riflessione non inferiore a – 20 dB a 30 MHz (caratteristiche RF ampiamente documentate dal fornitore). Le prestazioni della camera semianecoica, dopo il montaggio del materiale anecoico dovranno essere le seguenti (come da test report allegato):

 

Attenuazione del sito (NSA)

Nell’intervallo di frequenze tra 30 MHz e 1 GHz il valore richiesto di deviazione dell’attenuazione del sito dal valore teorico nella zona di quiete dovrà risultare pari o inferiore al valore:

Range di frequenza

Deviazione

30- 40 MHz

± 7 dB

40 – 100 MHz

± 6 dB

100 – 1000 MHz

± 4 dB

  Le misure sono state effettuate in accordo con le norme ANSI C63.4, CISPR 16-1 EN 50147-2 con antenne a larga banda poste sia in polarizzazione verticale che orizzontale. Le misure sono state effettuate utilizzando i seguenti step di frequenza:

Step di frequenza

Range di frequenza

1 MHz

30- 100 MHz

5 MHz

100 – 500 MHz

10 MHz

500 – 1000 MHz

 

Infiammabilità:

Le caratteristiche di infiammabilità del materiale sono conformi alle seguenti normative specifiche per materiali assorbenti a radio frequenza:

·                                NRL Report 8093, Test 1-3

·                                NF P 92-501 – M2

·                                Airbus ATS 1000.001 (smoke toxicity)

·                                DIN 4102 – B2

·                                ISO 3582

 

Caratteristiche delle porte d'accesso alla camera schermata

La camera è dotata di porta per l'accesso degli EUT e del personale di dimensioni nette di 1.5 m (larghezza) e 2,0 m (altezza). La porta è munita di contatti striscianti per la continuità elettrica con il resto della camera ed è dotata di un dispositivo di sicurezza ("interlock") per lo spegnimento automatico degli amplificatori utilizzati durante la misura in caso di apertura della stessa. Sulla porta, già predisposta per l’anecoicizzazione (vedi rendicontazione 2° anno), è stato installato il materiale radio-assorbente.

 

Caratteristiche dei pannelli tecnici

La camera è dotata di due pannelli tecnici per il funzionamento degli strumenti e dell’EUT. Il primo pannello tecnico mette in collegamento la camera schermata con gli strumenti di misura; l'altro pannello tecnico mette in collegamento la camera schermata (zona EUT) con l'ambiente esterno. I due pannelli tecnici, dovendo garantire il mantenimento delle prestazioni di schermatura, sono stati coperti tramite pannelli di materiale assorbente amovibile.  

Accessori

La camera semianecoica è dotata dei seguenti accessori:

·        tavola rotante da 1,5 metri di diametro;

·        palo per antenna motorizzato (compreso il controllo della polarizzazione);

·        controllore di movimento comprensivo dei cavi di connessione in fibra ottica.

  

Tavola rotante

Le caratteristiche tecniche della tavola sono:

diametro: 1.5 m; carico massimo: almeno 500 kg; rotazione massima: almeno 370 gradi; accuratezza: migliore di ±1 grado. L’emissione dalla tavola rotante dovrà essere almeno 20 dBmV al disotto dei limiti imposti dalla EN 55022 per gli equipaggiamenti di classe B nell’intervallo di frequenze compreso tra 30 MHz e 1 GHz . La tavola dovrà consentire un efficiente connessione elettrica al ground plane in modo che le prestazioni della camera riguardo le misure d'emissione siano conformi alle (ANSI, EN). Inoltre, per ottimizzare il rendimento della camera nei riguardi della norma IEC 1000-4-3 è possibile coprire lo spazio occupato dalla tavola rotante con materiale radio-assorbente

 

  

Palo per antenna

L’antenna ricevente utilizzata per misure di emissione radiata sarà collocata su un palo non conduttivo, posto su carrello mobile, in grado di sostenere un’antenna di peso fino a 10 kg. La costruzione del palo d’antenna non dovrà presentare parti in metallo al di sopra dell’unità motrice. Il movimento di polarizzazione dell’antenna dovrà avvenire mediante il giro dell’antenna sul proprio asse per motivi di precisione di posizionamento della stessa. L’altezza e la polarizzazione dell’antenna devono poter essere variate elettricamente mediante apposito controllore. Il collegamento tra controllore e palo d’antenna dovrà essere realizzato mediante fibra ottica. L’altezza del centro dell’antenna dal suolo dovrà poter variare tra 1,0 m e 2,20 m (altezza massima netta all’interno della camera semianecoica). L’antenna dovrà essere posizionabile sia automaticamente che manualmente in polarizzazione orizzontale e verticale, con accuratezza di posizione inferiore o uguale a ± 2 cm.  Il palo è fornito con adattatore meccanico per l’antenna rice-trasmittente. L’emissione dal palo d’antenna dovrà essere almeno 20 dBmV al di sotto dei limiti imposti dalla EN 55022 per gli equipaggiamenti di classe B nell’intervallo di frequenze compreso tra 30 MHz e 1 GHz.

 

Controller

Il controllore, da porsi nella camera di controllo, è in grado di pilotare sia la tavola rotante che il palo d’antenna, oltre ad altri dispositivi ausiliari. Onde evitare interferenze, il collegamento deve essere realizzato per mezzo di un cavo in fibra ottica (con lunghezza non inferiore a 20 m). Inoltre il controllore dovrà essere dotato di idonei pacchetti software necessari al controllo in remoto tramite PC.

  

Workpackage n° 3.2. & Workpackage n° 3.3.

Le attività condotte nel Workpackage n° 3.2 hanno avuto il loro naturale proseguimento nel Workpackage n° 3.3. Per tal motivo si è ritenuto opportuno effettuare la descrizione contemporanea delle attività svolte nei due workpackage. Inoltre, vista la diversificazione tematica degli argomenti trattati, le attività svolte saranno descritte qui di seguito per temi, ciascuno caratterizzato da un specifico titolo.

 

Modellizzazione di fenomeni elettromagnetici in camere anecoiche

 L'attività di ricerca svolta quest’ultimo anno nell’ambito del cluster 13, è stata principalmente rivolta allo studio di due scenari elettromagnetici di particolare interesse non solo per le prove-test ma più in generale per la compatibilità elettromagnetica. Il primo tema ha riguardato la rappresentazione dello scattering polarimetrico di uno scenario il più generale possibile ovvero in cui si abbia un parziale grado di polarizzazione. L'approccio, basato sulla rappresentazione proposta da Shane Cloude, ha mostrato come sia possibile caratterizzare il grado di depolarizzazione introdotto dallo scattering in maniera non ambigua ed invariante per base di polarizzazione usata per rappresentare i campi. Una prima fase sperimentale, relativamente a strutture di campo bidimensionale, è già stata condotta mentre è in fase di sviluppo la generalizzazione al caso tri-dimensionale. Il secondo tema di attività ha riguardato un modello di campo elettromagnetico che unifichi, secondo una descrizione univoca, ambienti elettromagnetici in cui sia presente una componente di campo coerente sovrapposta ad una incoerente ed inoltre che quest'ultima sia generata da molti contributi di scattering (fading completamente sviluppato) o da un numero limitato (fading non completamente sviluppato). Le prime sperimentazioni hanno mostrato come questo modello di campo tri-parametrico sia effettivamente in grado di rappresentare un ottimo adattamento a campi elettromagnetici molto variegati e di interesse dei test di cui alla camera anecoica.

 

Trasmissione di contenuti multimediali attraverso canali di comunicazione reali e sviluppo di algoritmi di recupero e mascheramento dell'errore

 I disturbi di natura elettromagnetici (condotti ed irradiati) che interessano il canale di trasmissione dati, causano la perdita di informazione o l’introduzione di errori che degradano la qualità del segnale ricevuto. Pertanto, l’attività di ricerca è stata incentrata sullo studio degli errori nella trasmissione di segnali multimediali (immagini e sequenze video in particolare) su canali reali e sulle tecniche che consentono la riduzione percettiva di tali errori. In particolare, in questo secondo periodo, l'Unita' di ricerca ha focalizzato l'attenzione sullo sviluppo di alcune delle metodiche per il mascheramento degli errori ed il recupero di qualità nelle trasmissioni di dati multimediali a seguito della perdita di pacchetti di dati già individuate come potenzialmente efficaci durante la precedente fase del progetto. E' stata quindi ipotizzata una trasmissione su reti a pacchetto, sia wireless che by wire e costruito il relativo modello di simulazione. Inizialmente, e cioè nella prima fase della ricerca era stato affrontato il problema del recupero delle informazioni video per il caso di dati codificati mediante standard JPEG (immagini fisse) o MPEG-2 (video). In tale contesto, sono state sviluppate opportune tecniche di interpolazione, sia nel dominio spaziale che in quello della trasformata coseno, che hanno consentito di ricostruire i blocchi di immagine persi. Nel dominio spaziale era stata utilizzata una tecnica di interpolazione mediante spline, che aveva fornito risultati migliori rispetto alle classiche procedure di interpolazione bilineare. In questa seconda fase si è esteso lo studio al caso dei nuovi standard par codifica di immagini e video sequenze quali il JPEG 2000 e l’MPEG-4. Lo studio ed il relativo sviluppo delle tecniche è stato realizzato anche qui sia nel dominio spaziale sia in quello della trasformata Wavelet estendendo i concetti già acquisiti nella fase precedente. In particolare, nel caso di trasmissione di dati codificati JPEG 2000 si e' ricostruito il blocco perso/danneggiato nel dominio trasformato, interpolando opportunamente nelle diverse sottobande, consentendo in questo modo di eliminare gli effetti fastidiosi dovuti ad un eccessivo appiattimento dell'immagine. La qualità del segnale ricostruito, immagine o video, e' stata poi valutata mediante l'utilizzo di criteri sia soggettivi che oggettivi: in questo secondo caso e' stato impiegato, oltre alla classica misura basata su PSNR, un operatore innovativo in grado di misurare la distorsione a blocchi in una immagine/quadro. Le misure riportate hanno evidenziato un'ottima qualità del segnale ricostruito, in particolare nel caso di immagini codificate con lo standard JPEG2000. 

 

Modellizzazione in alta frequenza di un dissipatore di calore per switch di potenza.

Il crescente aumento delle velocità di commutazione degli switches statici di potenza ha certamente consentito la realizzazione di dispositivi (azionamenti elettrici, alimentatori switching ecc) caratterizzati da migliori prestazioni dinamiche, ma conseguentemente ha determinato anche un aumento delle emissioni elettromagnetiche del sistema. Il noise elettromagnetico (condotto ed irradiato) prodotto dalla commutazione degli switches di potenza disturba sia il dispositivo che lo produce che gli altri dispositivi sensibili “vicini”. Per tale ragione, nell’ambito del cluster 13, è stato, effettuato uno studio sia su la sorgente di disturbo che sul percorso (path) di accoppiamento. In particolare è stato sviluppato un modello in alta frequenza del dissipatore di calore “necessario per facilitare la dissipazione della potenza termica prodotta dallo switch a causa delle perdite sia per conduzione che per commutazione”.Infatti, dal punto di vista EMI, il dissipatore di calore funge da percorso di accoppiamento tra la sorgente e l’ambiente esterno.

L’analisi è stata condotta modellando il dissipatore rappresentato nella figura 1

Il modello utilizzato per l’analisi matematica del comportamento alle alte frequenze del dissipatore è stato derivato da quello utilizzato per lo studio dell antenne stampate. In particolare, è stato utilizzato il modello della microstriscia caricata periodicamente con le ammettenze d’ingresso delle linguette (alette).

Modello della linguetta

La struttura rappresentata in figura 2 è stata ottenuta applicando il teorema delle immagini a un solo cilindro rispetto al piano yz. Nel caso j=0, la struttura corrisponde alla linguetta rispetto al piano di massa. Se esiste un modo TEM rispetto alla direzione r, l’impedenza d’ingresso della linguetta potrà essere trovata applicando una generalizzazione della teoria delle linee di trasmissione. Per il calcolo dell’impedenza di ingresso delle linguette si utilizzano le seguenti semplificazioni:

-la struttura è chiusa da un CMP nei piani z=0, z=W e nella superficie r=L. In pratica non si tiene conto, in prima approssimazione, degli effetti di bordo tra linguette adiacenti e all’estremità della linguetta.

f0

                        y         

 

 

 

 

                       

                                                                                                                                                                                 x

 

 

 

                                            z            

 


 

Casella di testo: figura 2

 

 

 

Scegliendo un potenziale magnetico lungo l’asse z:

 

questo dovrà soddisfare l’equazione di Helmholtz:

 

Tramite le espressioni del campo elettrico, del campo magnetico si determina la soluzione per la funzione

  

Applicando le condizioni al contorno si determina dalla funzione  i parametri della linea di trasmissione che approssima l’elemento radiante e quindi la sua impedenza caratteristica:

A questo punto , per studiare la risonanza lungo la dimensione maggiore del dissipatore, si può utilizzare un modello basato su una linea di trasmissione caricata periodicamente con il parallelo di due ammettenze trovate con il metodo sopra descritto.  Studio e sviluppo di algoritmi di controllo Sliding Mode di ordine superiore per la riduzione del contenuto armonico dei segnali prodotti da sistemi a struttura variabile. L’attività di ricerca riguardante lo sviluppo di algoritmi di controllo di tipo “sliding-mode” con ridotto contenuto armonico (chattering-free sliding mode control) ha sempre visto gli sliding modes di ordine superiore come punto centrale, ed ha riguardato sia aspetti teorici che implementativi-sperimentali. In particolare, gli algoritmi sviluppati nel corso delle precedenti attività teoriche, sempre nell’ambito del cluster 13, sono stati provati mediante lo sviluppo di diversi set-up sperimentali: un azionamento in corrente continua di media potenza (800 W, Vbus = 180V) ed un prototipo di veicolo subacqueo.  Le prove sperimentali hanno messo in luce come, l’impiego di sliding modes di ordine superiore al primo, in combinazione con opportuni schemi per la stima delle derivate dello stato e per la compensazione di disturbi ed incertezze, permetta di migliorare la precisione steady-state e di ridurre significamene l’inquinamento armonico, e quindi i disturbi elettromagnetici irradiati e condotti rispetto alle tecniche classiche basate su sliding modes del primo ordine (che puo essere visto come una generalizzazione del controllo PWM classico). Il miglioramento della precisione ed il mantenimento di una soglia minima per la frequenza di commutazione dell’inverter risulta cruciale in applicazioni quali il controllo degli azionamenti per trazione, in cui la frequenza di modulazione è dell’ordine delle centinaia di Hertz e possono comparire armoniche inquinanti in media frequenza difficilmente filtrabili e causa di inquinamento elettromagnetico. Metodi sistematici per la scelta della superficie di sliding e dei suoi coefficienti, in rapporto alle non idealità dei sistemi di misura e di commutazione, principali cause delle oscillazioni a media frequenza che si desidera attenuare, rappresentano uno dei temi teorici correntemente sotto analisi. Nell’ambito di un PRIN sono state approfondite le analisi volte ad investigare l’applicabilità delle tecniche di controllo mediante sliding-modes di ordine superiore per il controllo della forza di contatto, e la riduzione di archi elettrici ed emissioni irradiate, in pantografi ferroviari per treni ad alta velocità.

 

·       Elenco Pubblicazioni Scientifiche

·          Bartolini G., Pisano A., Punta E., Usai E.  "A survey of applications of second-order sliding mode control to mechanical systemsInternational Journal of Control, in press.

·          Bartolini G., Pisano A., Pisu P.  "A Simplified Exponentially Convergent Rotor Resistance Estimator for Induction Motors", IEEE Trans. Automatic Control, in press.

·          Bartolini G., Damiano A., Gatto G.L., Marongiu I., Pisano A., Usai E.  "Robust Speed and Torque Estimation in Electrical Drives by Second Order Sliding Modes" IEEE Trans. on Control Systems Technology, vol. 11, n. 1, pp. 84-90, 2003.

·          Bartolini G., Pisano A..,Usai E. "Second Order Sliding Mode Control for Container Cranes", Automatica, vol. 38, pp. 1783-1790, 2002.

·          Bartolini G., Pillosu S., Pisano A., Usai E. "Time-Optimal Stabilization for a Third-Order Integrator: a Robust State-Feedback Implementation" in Dynamics, Bifurcations and Control, F. Colonius and L. Gruene eds., Lecture Notes in Control and Information Sciences, vol. 273, pp. 131-144, Springer Verlag, 2002.

·          Bartolini G., Levant A., Pisano A., Usai E. "Higher-Order Sliding Modes for Output-Feedback Control of Nonlinear Uncertain Systems" in Variable Structure Systems: Towards the 21-st century, X. Yu and J, Xu eds., Lecture Notes in Control and Information Sciences, vol. 274, pp. 83-108, Springer Verlag, 2002.

·          Pisano A. Usai E. “Output-feedback control of an underwater vehicle prototype: theory and experiments.”, Proceedings of the 4th IFAC Symposium on Robust Control Design (ROCOND 2003), Milano, 25-27Giugno 2003.

·          Bartolini G, Pisano A., Usai E. "Output-feedback control of container cranes: a comparative analysis",  Proc. of the 41th Conference on Decision and Control (CDC 2002), Las Vegas, US, December 2002.

·          Bartolini G., Pisano A., Pisu P. "Rotor Resistance Identification for an Induction Machine via Combined Adaptive and Sliding-Mode Technique", Proc. of the 41th Conference on Decision and Control (CDC 2002), Las Vegas, US, December 2002.

·          Levant A, Bartolini G., Pisano A., Usai E., "A Real-Sliding Criterion for Control Adaptation", Proc of the  2002  Workshop on Variable Structure Systems (VSS2002), pp. 205-213, Sarajevo, July 2002.

·          Piga-Carboni A., Pisano A, Usai E., "VSC Applied to a Brecknell-Willis High-Speed Pantograph”, Proc of the  2002  Workshop on Variable Structure Systems (VSS2002), pp. 319-326, Sarajevo, July 2002.

·          Piga-Carboni A., Pisano A, Usai E., “Robust control of the contact force of an asymmetric pantograph”, Computers in Railways VIII, J.Allan, R.J. Hill, C.A. Brebbia, G. Sciutto & S. Sone Eds, pp. 223-232, (Proc. COMPRAIL 2002, Lemnos, Greece), June 2002.

·          Damiano A., Gatto G.L., Marongiu I., Pisano A  "Second-Order Sliding-Mode Control of Permanent Magnet DC Drives” Submitted for publication

 

L’attività di ricerca sopra menzionata è stata condotta nel terzo anno da personale dipendente a tempo indeterminato afferente Dipartimento di Ingegneria Elettrica ed Elettronica. L’elenco del personale impegnato nelle suddette attività di ricerca è qui di seguito riportato:

Personale dipendente a tempo indeterminato afferente al Dipartimento di Ingegneria Elettrica ed Elettronica-Università degli Studi di Cagliari:

prof. Ignazio Marongiu, prof. Giorgio Corriga, prof. Giuseppe Mazzarella, prof. Daniele Giusto, prof. Mario Tosi, prof. Nicolino Locci, prof. Domenico Salimbeni, prof. Saverio Sanna, prof. Luigi Raffo, prof. Alfonso Damiano, prof. Fabrizio Pilo, prof. Carlo Muscas ing. Gianluca Gatto, ing. Gianni Celli.

Dall’analisi delle presenze del personale afferente al progetto è risultato, per il periodo in esame, un impegno orario complessivo del personale pari a 1200 ore.

 

Nella tabella 1 viene riportato il quantitativo di ore dedicata a ciascuna attività.

Tabella 1 - Impegno di personale.

OBIETTIVI

ATTIVITÀ

ORE DI PERSONALE

Ea

Ec

E2,5b

NE

Ext

Totale

Workpackage  3.1

Realizzazione di un laboratorio di compatibilità elettromagnetica

Progettazione e realizzazione di un laboratorio costituito da una camera schermata compatta per prove di compatibilità elettromagnetica

0

0

0

0

0

0

Workpackage  3.2

.Studi di modellistica e simulazione con verifiche sperimentali sul campo ed in laboratorio

Attività di ricerca, simulazione  e sperimentazione riguardante le cause e i meccanismi di trasmissione dei disturbi  condotti e irradiati generati dalle apparecchiature elettroniche di potenza dei sistemi di trazione

500

0

0

0

0

500

Workpackage  3.3

Progettazione di strutture con ridotta emissione, trasmissione e ricezione

Attività di ricerca e di produzione di strumenti software e programmi di calcolo automatico per il progetto di apparecchiature e di sistemi caratterizzati da ridotta emissione ed elevata immunità rispetto ai disturbi

700

0

0

0

0

700

 

TOTALE

1200

0

0

0

0

1200

 

1.3          Scostamenti

 Allo stato attuale, l’attività svolta fa ritenere raggiungibili gli obiettivi preposti relativamente al Workpackage 3.1-3.2-3.3 nel 1° periodo del 7° semestre come da proroga richiesta. Per quanto riguarda la diffusione dei risultati e l’organizzazione del supporto tecnico alle imprese previste dal workpage 4 questo si porterà a conclusione nel 2° periodo del settimo semestre.  

 

   1.4          Valutazione critica dell’iniziativa

        1.4.1   Prospettive di successo scientifico-tecnologico

La realizzazione di un laboratorio di compatibilità elettromagnetica nella Regione Sardegna costituisce sicuramente un indicatore di successo scientifico e tecnologico dell’iniziativa. Infatti, tale struttura sarà l’unica (civile) in grado di effettuare studi e misure di compatibilità elettromagnetica e supportare in maniera adeguata (pre-certificazione EMC) le imprese locali. Come è ben noto lo studio delle problematiche di compatibilità elettromagnetica sta assumendo oggigiorno un peso specifico sempre più rilevante nelle progettazione di dispositivi elettrici ed elettronici. Per tale motivo è auspicabile che la struttura in fase di realizzazione (laboratorio di compatibilità elettromagnetica), assuma, come è anche previsto dal progetto, le connotazioni di polo tecnologico di supporto e di servizio alle aziende sarde operanti nel settore. Inoltre, i risultati ottenuti nei tre anni di ricerca fanno ritenere di poter proporre nel prossimo futuro la realizzazione di programmi di calcolo automatico, basati sui modelli in alta frequenza dei diversi componenti elettrici/elettronici elaborati, per il progetto di apparecchiature e di sistemi caratterizzati da ridotta emissione ed elevata immunità rispetto ai disturbi, sia irradiati che condotti,  e di assolvere quindi alla prevista funzione di divulgazione dei risultati ottenuti alle PMI operanti nel settore. 

1.4.2   Giudizio sull’opportunità di continuare il progetto

Visto l’interesse che il laboratorio di compatibilità Elettromagnetica sta destando nell’ambito delle Piccole medie imprese locali, e per quanto sopra esposto, è pienamente giustifica l’opportunità di proseguire tutte le attività previste dal progetto e di concluderlo nei tempi stabiliti.

 

2.                STATO DI AVANZAMENTO ECONOMICO DEL PROGETTO

Il confronto tra la tabella di pianificazione economico temporale riportata nella precedente relazione scientifica (secondo anno) e la tabella consuntiva economico temporale (Tabella 2.2) mette in evidenza la presenza di una differenza tra le spese previste e quelle rendicontate alla fine di questo terzo anno. In, particolare le voci di spesa “viaggi e missioni” e “personale non dipendente”, sono confluite nei costi specifici. Questa operazione si è resa necessaria a causa dell’aumento dei prezzi delle apparecchiature del laboratorio EMC da acquistare; infatti, il costo delle stesse era stato preventivato nella fase iniziale del progetto del Cluster 13.

 

Tabella 2.2 Rendicontazione annuale periodo 3/02/2002 - 03/02/2003

Consuntivo

Dal 4/02/2002   al 3/02/2003

Personale dipendente

€ 45.462,15

Personale non dipendente

€ 0,00

Pesonale distaccato

€ 0,00

Attrezzature

€ 0,00

Materiali durevoli

€ 0,00

Materiali consumo

€ 0,00

Viaggi e Missioni

€ 579,28

Commesse interne

€ 0,00

Commesse esterne

€ 0,00

Consulenze

€ 0,00

Prestazione di terzi

€ 0,00

Opere edili

€ 0,00

Acquis. Immobili

€ 0,00

Costi specifici

€ 245.210,32

Spese generali

€ 18.239,42

Totale

€ 309.491,17

 

Nella tabella 2.3 sono riportate le spese sostenute relative al periodo di rendicontazione ripartite per Workpackage.

 

Tabella 2.3 Ripartizione delle spese di progetto relative al periodo 3/02/2002 – 3/02/2003

 

 

 

Workpackage 3.1

Attività  1

€ 245.210,32

Workpackage 3.2

Attività  1

€ 19.054,83

Workpackage 3.3

Attività  1

€ 26.407,32

 

TOTALE

290.672,47

 Nella tabella 2.4 sono state riportate per ogni singola voce di spesa i risultati della rendicontazione totale del progetto e delle previsioni di spesa per il prossimo semestre.

 

Tabella. 2.4 Tabella consuntiva

 

Pre consuntivo

 dal 5/12/’99 al 4/02/2003

Preventivo

semestrale

Preventivo

a finire

Totale

aggiornato

Personale dipendente

€ 371.333,03

€ 6.867,33

€ 6.867,33

€ 378.200

Personale non dipendente

€ 0,00

€ 0,00

€ 0,00

€ 0

Personale distaccato

€ 0,00

€ 0,00

€ 0,00

€ 0

Attrezzature

€ 0,00

€ 0,00

€ 0,00

€ 0

Materiali durevoli

€ 1.024,65

€ 0,00

€ 0,00

€ 1.025

Materiali consumo

€ 0,00

€ 0,00

€ 0,00

€ 0

Viaggi e Missioni

€ 1.659,71

€ 0,00

€ 0,00

€ 1.660

Commesse interne

€ 0,00

€ 0,00

€ 0,00

€ 0

Commesse esterne

€ 0,00

€ 0,00

€ 0,00

€ 0

Consulenze

€ 0,00

€ 0,00

€ 0,00

€ 0

Prestazione di terzi

€ 0,00

€ 0,00

€ 0,00

€ 0

Opere edili

€ 0,00

€ 0,00

€ 0,00

€ 0

Acquis. Immobili

€ 0,00

€ 0,00

€ 0,00

€ 0

Costi specifici

€ 357.151,84

€ 155.021,75

€ 155.021,75

€ 512.174

Spese generali

€ 148.979,96

€ 2.755,17

€ 2.755,17

€ 151.735

Totale

€ 880.149,18

€ 164.644,25

€ 164.644,25

€ 1.044.793

NB: I costi specifici sono quelli relativi alla realizzazione della camera semianecoica.

 

3.                AGGIORNAMENTO DELLE PREVISIONI DI PROGRAMMA E DI COSTO DEL PROGETTO

 Allo stato attuale, l’attività svolta fa ritenere raggiungibili, nei tempi prefissati, gli obiettivi preposti relativamente ai Workpackage 3.1-3.2-3.3-3.4. Si ritiene di poter raggiungere il completamento del laboratorio di compatibilità elettromagnetica così come le attività proposte nei Workpackage 3.2-3.3 entro il 1° trimestre del 2003 (proroga concessa). Inoltre, si ritiene di concludere il Workpackage 3.4 entro la fine del 1° semestre del 2003 (diagramma di GANTT allegato).

 

 

 

Cagliari li ___________________

Il Responsabile Scientifico

   Prof. Ignazio Marongiu

 

 

 

 

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