Elettrodomestici intelligenti: l’ecologia traina l’innovazione

MERCATI –

La necessità di ridurre i consumi e l’impatto ambientale degli elettrodomestici sta spingendo verso una più diffusa adozione dei sistemi di controllo elettronici, e ad un aumento del contenuto di silicio in tutti gli apparecchi normalmente utilizzati tra le mura domestiche.

Secondo IMS Research, il mercato degli elettrodomestici varrà quest'anno oltre 920 milioni di dollari, contro i circa 500 milioni di dollari nel 2003. La penetrazione dell'elettronica negli elettrodomestici, pari a meno del 30% solo cinque anni fa, è ora pari ad oltre il 60%, ed é destinata a crescere fino all'80% nel giro dei prossimi anni.
La ragione principale che spinge verso l'adozione dei controlli elettronici negli elettrodomestici è la necessità di aumentare l'efficienza energetica di questi ultimi. Infatti, il maggiore contenuto di elettronica negli elettrodomestici di ultima generazione si traduce direttamente in un miglioramento dei consumi, con un impatto notevole sui consumi di energia elettrica, e quindi sulla bolletta pagata dalle famiglie e sulla necessità di aprire nuove centrali elettriche o di ampliare quelle esistenti, con una conseguente riduzione delle emissioni di anidride carbonica.

Basti pensare che circa il 31% dell'elettricità consumata in Italia è impiegata nelle abitazioni, pari a oltre 3 MWh in media per abitante. L'uso degli elettrodomestici di classe B (o superiori), oltre che delle lampadine classiche ad incandescenza (le quali sono responsabili del 15% del fabbisogno totale di energia elettrica e convertono in luce meno del 10% dell'energia richiesta), può raddoppiare la spesa per l'elettricità. Si stima che il consumo utile degli elettrodomestici meno efficienti sia di appena il 30%: il resto costituisce uno spreco. Fra i maggiori responsabili dei consumi figurano i condizionatori ed i frigoriferi, i quali devono rimanere in funzione 24 ore su 24. I consumatori Europei potrebbero risparmiare 3,4 miliardi di euro passando ai modelli più efficienti, e sarebbero ripagati completamente dell'investimento iniziale per il loro acquisto nel giro di due o tre anni, grazie ai risparmi sulla bolletta elettrica.

Oggi, grazie ai controlli elettronici, una lavatrice di ultima generazione consuma circa il 15% di elettricità in meno e quasi il 90% di acqua in meno di 10 anni fa. I frigoriferi più efficienti attualmente disponibili in commercio consumano solo un quarto dell'elettricità rispetto ai modelli del 1990. Le lavastoviglie moderne consumano 13 litri di acqua, rispetto ad oltre 90 litri di 20 anni fa.
Le normative sull'efficienza energetica stanno avendo un grosso impatto sull'adozione dei sistemi di controllo elettronici per gli elettrodomestici.
A livello europeo sono state adottate o sono al vaglio misure che introducono incentivi fiscali e monetari per la rottamazione dei vecchi elettrodomestici. Secondo una stima effettuata dal produttore svedese di elettrodomestici Electrolux, sostituendo con modelli nuovi ben 188 milioni di elettrodomestici in Europa vecchi più di 10 anni (su un totale di 630 milioni di elettrodomestici), si abbatterebbero le emissioni di anidride carbonica di 18 tonnellate e si contribuirebbe in modo decisivo a raggiungere l'obiettivo prefissato dall'Unione Europea di ridurre entro il 2020 le emissioni complessive di almeno il 20 % rispetto ai livelli del 1990, in linea con il protocollo di Kyoto.
Il Ceced (European Committee of Manufacturers of Domestic Equipment) ha proposto di recente la sostituzione dello schema di marcatura volontario, che classificava le fasce di consumo degli elettrodomestici, in senso crescente, con le lettere dalla A alla G, con uno schema numerico (con classi di efficienza dalla 1 alla 8) ritenuto più restrittivo ed affidabile, e sollecita la completa messa fuori commercio dei frigoriferi e dei freezer di classe A entro il 2013.

Inquinamento, interferenze e rumorosità

Anche le prescrizioni sulla riduzione dell'inquinamento delle acque di scarico, delle interferenze elettromagnetiche e della rumorosità degli apparecchi, influiranno considerevolmente sulla progettazione dei sistemi elettronici per elettrodomestici. Ad esempio, la necessità di avere elettrodomestici più silenziosi sta spingendo verso l'utilizzo dei motori brushless, i quali richiedono sistemi di controllo elettronici più complessi. Anche i requisiti sulla correzione del fattore di potenza (Power Factor Correction), come quelli importi dallo standard IEC 1000-3-2 in Europa, costituiscono un driver molto importante. In base a quest'ultimo, che è stato adottato dall'Unione Europea dal gennaio 2001, gli apparecchi che consumano più di 75 W devono soddisfare i requisiti di correzione del Pfc. Di conseguenza, i produttori di elettrodomestici includono, in alcuni modelli, dei dispositivi di controllo del fattore di potenza, i quali sono comunemente usati anche in applicazioni industriali che fanno uso di un grande numero di motori elettrici.

Migliorare l'efficienza energetica negli elettrodomestici

I progressi più sensibili nel risparmio energetico sono prodotti dal controllo del movimento. Ad esempio, invertire la direzione di un motore a induzione di una lavatrice consente di bilanciare il carico automaticamente, aumentando la velocità di rotazione del cestello e riducendo i consumi.
Oggi più del 50% degli elettrodomestici contiene almeno un motore, il quale è usato per muovere il cestello delle lavatrici, o le pompe delle lavastoviglie, oppure il compressore dei condizionatori e dei frigoriferi. Tali motori possono essere azionati da schede inverter, usate fino ad oggi solo nei grossi azionamenti industriali. Queste, combinate ad algoritmi software ottimizzati, possono migliorare l'efficienza energetica degli elettrodomestici di almeno il 30% rispetto a quelli tradizionali, soprattutto dei condizionatori, fra i maggiori responsabili del consumo energetico in abitazioni ed uffici. Questo, considerando che i sistemi inverter saranno usati in Europa in circa 5 milioni di nuovi elettrodomestici nel giro dei prossimi 5 anni, si traduce in un risparmio di 1GW, pari alla potenza fornita da almeno due centrali elettriche.
Secondo IMS Research, il numero degli elettrodomestici che saranno dotati di inverter e di soluzioni di controllo a velocità variabile dovrebbe quadruplicare dal 2003 al 2008, passando rispettivamente da 25 milioni a circa 100 milioni di unità. Nello stesso periodo, il contenuto di elettronica negli elettrodomestici più diffusi dovrebbe aumentare di pari passo. Gran parte della crescita sarà determinata dai frigoriferi, dai condizionatori e dalle lavatrici.

L'adozione degli inverter è trainata, da un lato, dalla richiesta, da parte dei consumatori, di prestazioni migliori e di una efficienza energetica superiore, dall'altro, della diminuzione del costo delle soluzioni basate su inverter. Il Giappone è in assoluto il Paese con la maggiore diffusione di soluzioni di controllo a velocità variabile negli elettrodomestici. Altri Paesi caratterizzati da un alto tasso di crescita sono l'Europa Occidentale, il Nord America e persino al Cina.
Per ridurre i consumi sono anche allo studio tecniche che prevedono il controllo da remoto degli elettrodomestici. Il Ceced ha messo a punto una piattaforma per assicurare l'interoperatività fra gli elettrodomestici, nota come Chain (Ceced Home Appliances Interoperating Network), la quale definisce un protocollo per connettere gli elettrodomestici (frigoriferi, freezer, lavatrici, lavastoviglie, forni, condizionatori e forni a microonde) in un singolo sistema per il controllo remoto e l'automazione di funzioni, allo scopo di ridurre i consumi energetici, di ottimizzare i carichi e la diagnostica e di effettuare la manutenzione a distanza. Le connessioni all'interno dell'abitazione useranno le linee dell'alimentazione elettrica o le tecnologie radio per essere il più possibile non invasive. Il gruppo di lavoro che ha messo a punto le specifiche per l'interoperatività comprende i maggiori produttori di elettrodomestici, fra cui Candy, De Longhi, Electrolux, Indesit, Miele e Whirlpool.

La necessità di un approccio basato su piattaforma

Le sfide principali di progetto relative alla realizzazione degli elettrodomestici intelligenti, dotati cioè di sistemi di controllo elettronici, sono legate al costo. Gli elettrodomestici sono soggetti a forti pressioni sui prezzi, quindi è necessario minimizzare il costo della soluzione. Un altro aspetto molto importante è dato dalla flessibilità; infatti occorre introdurre un nuovo modello di elettrodomestico almeno ogni anno. Per questo motivo è necessario usare piattaforme hardware e software aperte e facilmente aggiornabili. Inoltre i produttori di elettrodomestici, che in genere sono grandi multinazionali, devono poter adattare una piattaforma comune alle esigenze dei mercati locali.
Questo determina anche grandi pressioni sui progettisti di sistemi elettronici per elettrodomestici, che devono rendere gli apparecchi più intelligenti, funzionali, affidabili, efficienti e facili all'uso, e al contempo mantenere i prezzi bassi, in linea con le aspettative dei consumatori.
Indesit, il secondo produttore di elettrodomestici in Europa, ha adottato un approccio di progetto basato su piattaforma per la realizzazione dei sistemi di controllo, ideale anche per facilitare il passaggio dai sistemi tradizionali di tipo elettromeccanico a quelli elettronici. Attualmente, metà degli elettrodomestici prodotti dell'azienda integra componenti elettronici, tra cui la totalità delle lavatrici, delle lavastoviglie e dei forni, ad eccezione dei prodotti in cui è difficile essere competitivi con i componenti elettromeccanici per via dei costi. La scheda di controllo sviluppata dalla società integra tutte le funzioni di controllo dei motori, le interfacce utente, i sensori e le risorse di memoria, e costituisce potenzialmente una piattaforma unica per tutti i modelli di elettrodomestici, customizzabili attraverso il firmware. Questo approccio ha consentito di migliorare la riusabilità, la standardizzazione, il time-to-market, la flessibilità e la velocità nel realizzare nuove funzionalità, l'affidabilità e soprattutto i costi, dato che la società prevede di usare il 50 % di componenti in meno nel giro dei prossimi 2 anni. Inoltre, il maggiore grado di standardizzazione semplifica notevolmente l'approvvigionamento dei componenti e il second sourcing. A partire da una piattaforma inoltre è possibile aggiungere in modo semplice nuove funzionalità avanzate, come il controllo remoto degli elettrodomestici, il quale sarà possibile anche dal televisore, e l'analisi di grandi quantità di dati raccolti dai sensori integrati negli elettrodomestici, che ne consentirà di migliorarne ulteriormente l'efficienza.

Più efficienza nel controllo del movimento

Molti dei motori usati tradizionalmente negli elettrodomestici sono di tipo trifase a induzione. I modelli di ultima generazione sono motori sincroni in continua senza spazzole e a magneti permanenti (Pmsm o Permanent Magnet Synchronous Motor), che sono più piccoli del 30 % e dal 10 al 15 % più efficienti, oltre a costare quasi 1,4 volte meno dei motori a induzione. Operando a velocità più basse, i motori Pmsm consumano meno; sono anche intrinsecamente più efficienti perché, a differenza dei tradizionali motori ad induzione, non funzionano a velocità fissa. Il Giappone è stato il primo Paese ad usarli in modo diffuso nei condizionatori. I motori Pmsm richiedono degli schemi di pilotaggio della corrente che alimenta il motore e di posizionamento e di sincronizzazione del rotore.
Il tradizionale controllo scalare, una tecnica elementare comune per il pilotaggio dei motori, applica una determinata tensione al motore, la quale quindi produce una velocità e una direzione di movimento note. Richiede una capacità di calcolo contenuta che può essere eseguita da un singolo microcontrollore.

Un metodo di controllo vettoriale del movimento sempre più diffuso è il Foc (Field Oriented Control), che offre un'efficienza nettamente superiore rispetto alle tecniche di controllo standard scalari, riducendo le vibrazioni, l'instabilità e aumentando la precisione del movimento.
Un grosso vantaggio offerto dal controllo Foc è che può essere realizzato in modalità “sensorless”, cioè senza richiedere la presenza di sensori di posizione o di velocità: l'uso di tali sensori comporta infatti delle difficoltà progettuali, dato che il motore costituisce di per sé un ambiente ostile.

L'algoritmo Foc migliora la risposta dinamica dei motori in elettrodomestici come le lavatrici, che hanno la necessità di variare rapidamente la velocità di rotazione del cestello durante un ciclo di lavaggio. Attraverso l'algoritmo Foc è possibile determinare la coppia ottimale del motore usando meno corrente, grazie al controllo delle ampiezze di fase delle correnti nel motore e al fatto che i campi magnetici del rotore e dello statore sono mantenuti sfasati di 90 gradi. Questo assicura inoltre che la corrente nel motore sia intrinsecamente limitata.

Il ruolo della componentistica elettronica

Dato che gli elettrodomestici diventano sempre più complessi, sono richiesti più dispositivi elettronici intelligenti per le funzioni di controllo. Oltre al controllo del movimento, un elettrodomestico richiede almeno un altro microcontrollore per l'interfaccia utente e un altro per le funzioni di controllo generali dell'apparecchio. Molti di questi microcontrollori stanno gradualmente sostituendo i componenti discreti ed elettromeccanici.
I microprocessori, i microcontrollori e soprattutto i Dsc (Digital Signal Controller) sono usati per controllare in modo efficiente il movimento e per pilotare i motori e i compressori e per supportare anche gli algoritmi vettoriali di controllo più avanzati.
Sebbene siano disponibili sul mercato soluzioni proprietarie realizzate su Asic, i Digital Signal Controller di ultima generazione offrono un'alternativa a basso costo per mettere a punto l'algoritmo Foc. I Dsc sono ideali per elettrodomestici quali le lavatrici, perché presentano un'ampia gamma di periferiche su misura per il controllo del movimento, come blocchi Pwm (Pulse Width Modulator) e convertitori A/D veloci e flessibili.

I Digital Signal Controller a 16 bit 56F8000 di Freescale sono ad esempio ideali per il controllo accurato e a basso costo dei compressori dei frigoriferi e delle lavastoviglie, e forniscono una potenza di calcolo di 32 Mips; integrano 64 Kbyte di Flash, un Pwm e un convertitore A/D a 12 bit ad alte prestazioni.

I Digital Signal Controller dsPIC30F20xx di Microchip offrono prestazioni da 30 Mips. Tutte le istruzioni Dsp supportate dal dispositivo sono eseguite in un solo ciclo di clock. Le periferiche disponibili includono degli I/O ad alta corrente, che tollerano fino a 25 mA, sia in ingresso, sia in uscita, timer/contatori a 16 bit e un convertitore A/D a 12 bit con una velocità di conversione di 200 Ksps e fino a 10 canali in ingresso.

I nuovi microcontrollori V850ES/Hx3 di NEC, ideali per le applicazioni a 5 V che richiedono un grande numero di canali A/D, offrono ben 24 canali per la conversione A/D a 10 bit. Includono inoltre diverse interfacce e tagli di memoria flash e Ram per migliorare le prestazioni nel controllo dei motori trifase.

I microcontrollori a 16 bit ad alte prestazioni H8S/Tiny di Renesas sono pensati per i sistemi embedded a basso costo, come gli elettrodomestici. La serie, disponibile dal primo trimestre di quest'anno, comprende in tutto 24 dispositivi, i quali sono disponibili anche in package miniaturizzati che misurano appena 7 x 7 mm. I componenti sono i successori della serie H8/Tiny, e offrono maggiori prestazioni di calcolo, delle funzioni periferiche on-chip aggiuntive e ulteriori tool di supporto, oltre a mantenere la piena compatibilità con i dispositivi di generazione precedente. Sono basati sulla tecnologia flash embedded Monos (Metal Oxide Nitride Oxide Silicon) ad alta velocità e supportano il funzionamento completamente deterministico senza latenze a 65 Mips. Il core Risc SH2 a 32 bit Risc è dotato di 16 registri general purpose a 32 bit e di 64 moltiplicatori hardware 32x32.

I microcontrollori STR750F di STMicroelectronics a 32 bit sono basati sull'architettura ARM7, e sono ottimizzati per la messa a punto di algoritmi vettoriali per il controllo del movimento negli elettrodomestici, e in particolare nei condizionatori. Supportano una potenza di calcolo di 54 Mips, (a 60 MHz), sia a 3,3 V, sia 5 V, ed integrano un ricco insieme di periferiche, che includono un timer Pwm, un convertitore A/D ad alta velocità, tre interfacce Uart che operano fino a 2 Mbit/s, con il supporto al protocollo Lin, e un'interfaccia di memoria seriale per l'uso eventuale di una memoria flash esterna.

I controllori Dsc TMS320C2000 di Texas Instruments sono pensati per eseguire l'algoritmo Foc per il controllo dei motori negli elettrodomestici. Essi forniscono prestazioni da 40 Mips ed integrano un convertitore A/D a 16 canali con risoluzione da 12 bit, due timer general purpose, 13 I/O digitali, un sensore della posizione e della velocità del motore, un'interfaccia di comunicazione seriale, e fino a 8 kWord di memoria flash on-chip in grado di memorizzare i profili di movimento dei motori e altre informazioni necessarie per il controllo del movimento.
Per il controllo degli elettrodomestici sono state anche realizzate delle soluzioni di tipo System-on-Chip, come la piattaforma iMotion di International Rectifier, la quale offre in un unico circuito integrato un sistema di controllo completo di un elettrodomestico, incluso il blocco di correzione del fattore di potenza. La piattaforma iMotion consente di ridurre i consumi degli elettrodomestici, offrendo un'efficienza anche del 95 %, e di effettuare il controllo di corrente sinusoidale a velocità variabile dei motori senza la necessità di sensori di posizione. Essa integra tre blocchi di controllo: un microcontrollore 8051 da 60 Mips, un Mce (Motion Control Engine), costituito da blocchi di controllo configurabili; infine un blocco Ase (Analog Signal Engine), per l'elaborazione e la conversione A/D dei segnali.

Sono anche disponibili sul mercato moduli di potenza integrati, che integrano tutta l'elettronica necessaria per il pilotaggio dei motori. I nuovi moduli altamente integrati CiPoS (Control Integrated Power System) di Infineon contengono tutti i componenti su semiconduttore richiesti per pilotare in modo efficiente i motori elettrici a velocità variabile con potenza fino a 3 kW negli elettrodomestici, come le lavatrici, assicurando un'efficienza anche del 94 %. I moduli sono basati sulla tecnologia Igbt proprietaria TrenchStop di Infineon e incorporano uno stadio inverter di potenza con un driver realizzato in processo Soi (Silicon-On-Insulator), oltre a diodi e condensatori di bootstrap; eliminano la necessità di 23 componenti discreti. In questo modo riducono i costi, lo spazio su scheda e le interferenze elettromagnetiche, migliorando l'affidabilità del sistema. I moduli CiPoS sono semplici da interfacciare con un microcontrollore e da usare in schemi con retroazione.
Anche i sensori costituiscono dei componenti fondamentali per migliorare l'efficienza energetica degli elettrodomestici. In una lavatrice, ad esempio, essi misurano il livello dell'acqua, la durezza e la temperatura per consentire di scegliere automaticamente il ciclo ottimale, oltre a consentire di minimizzare la rumorosità ed i consumi. Per realizzare queste funzioni, occorre elaborare i dati raccolti da più sensori in tempo reale.

I sensori Minisens FHS 40-P/SP600, forniti dalla società svizzera LEM, sono in grado di sostituire i tradizionali shunt elettromeccanici negli elettrodomestici, che sono commercializzati a prezzi imbattibili, ma che richiedono dei circuiti esterni per la lettura dei segnali. Essi possono misurare valori di corrente compresi fra 5 A e 70 A e sono caratterizzati una banda passante di 100 KHz. Non necessitano di altri componenti per il funzionamento e possono essere connessi direttamente al microprocessore del sistema che legge ed elabora i dati acquisiti.

Sebbene i loro costi siano ancora troppo elevati per essere competitivi con i tradizionali sensori elettromeccanici, nel giro dei prossimi anni saranno progressivamente adottati anche i sensori Mems per le funzioni di controllo negli elettrodomestici. Ne costituiscono un esempio i dispositivi Mems di Analog Devices, di Freescale, di STMicroelectronics e di Sensata Technologies (ex spin-off di Texas Instruments).
I Mems possono essere usati all'interno degli elettrodomestici per controllare il movimento, le vibrazioni e la distribuzione del carico nel cestello per evitare vibrazioni e possibili guasti, effettuando così la manutenzione preventiva, e per misurare la quantità di acqua e di detergente.

I sensori Mems di pressione sono in grado di determinare automaticamente la quantità di sporco residuo nel bucato o se un capo nel cestello necessita di un programma delicato. Possono essere usati per il ciclo di sbrinamento dei frigoriferi, per i pannelli di controllo dei forni e per la misura del livello dell'acqua e del carico nelle lavatrici. Negli aspirapolvere segnalano quando il sacchetto è pieno, o adattano la potenza di aspirazione al tipo di pavimento o di superficie. Gli accelerometri Mems sono anche in grado di rilevare la posizione orizzontale o verticale di un ferro da stiro, e quindi di spegnerlo automaticamente quando non è in uso.

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