Mcu Real-time per un motore efficiente

CONTROLLO MOTORE –

Sono disponibili delle innovative soluzioni scalabili per motori elettrici a basso consumo energetico e a costi ridotti.

Numerosi fornitori di motori elettrici stanno pensando di estendere il proprio portafoglio prodotti. Con la tendenza verso una migliore efficienza energetica, che genera una maggiore domanda per motori a velocità variabile, le ragioni sono evidenti. Questa considerazione vale sia per le soluzioni consumer nel segmento low-end, dove i produttori possono migliorare i loro margini con motori elettrici a maggior valore aggiunto, sia per i fornitori nel segmento high-end, che stanno cercando di utilizzare il loro know-how tecnologico per realizzare soluzioni innovative per il segmento più basso con i corrispondenti elevati volumi. Con i suoi nuovi microcontrollori real time di segnali XE16xL e XE16xU, Infineon sta supportando questi clienti, e in particolare quelli che stanno cercando di estendere la propria offerta con una gamma più ampia di prestazioni, ma che preferiscono non utilizzare piattaforme multiple per i microcontrollori. I motori elettrici hanno un ruolo chiave nel consumo di energia. Secondo uno studio del 2008 dell´associazione Vde, in Germania la sola industria consuma 240 TWh/anno di energia elettrica, le famiglie 140 TWh/anno, le aziende di servizi 130 TWh/anno e i trasporti 16 TWh. I motori elettrici utilizzati nell'industria e nel settore domestico i rappresentano da soli il 50% del totale dell'energia elettrica consumata. Secondo Vde i motori trifase più efficienti nella gamma di potenza da 1,1 a 37 kW offrono il maggior potenziale per il risparmio di energia elettrica. La maggior parte dei circa 100 milioni di elettrodomestici gestiti da piccoli motori elettrici ha rendimenti tra il 40% e il 75%. Vde stima tuttavia che si potrebbe arrivare all'85% e colloca il potenziale di risparmio associato di energia a 8,2 TWh all'anno. In Germania ci sono anche circa 30 milioni di pompe di ricircolo per impianti di riscaldamento con una potenza inferiore a 200 W che sono circa il 3,5% del totale dell'energia elettrica consumata in Germania. Le pompe di ricircolo controllate elettronicamente consumano fino al 50% in meno rispetto alle pompe standard con motori asincroni e fino al 70% in meno rispetto alle pompe a velocità fissa, e queste si possono ancora spesso trovare negli edifici. Il fattore decisivo è che le pompe vengano fatte funzionare sempre con la velocità ottimale, dal momento che una pompa che funziona a metà velocità richiede solo 1/8 dell'energia rispetto a quando funziona a piena velocità.

Motori elettrici
a basso consumo energetico
e a costi contenuti

In molte applicazioni che comportano l'uso di motori elettrici è necessario elaborare rapidamente i numerosi segnali esterni. In altre parole sono richieste elevate prestazioni real-time. Con i suoi brevi tempi di latenza per la risposta agli interrupt e il veloce contest-swtiching, la famiglia XE166 è ottimizzata proprio per questo tipo di applicazioni. Il core della Cpu, il Pec (Peripheral event controller) e le funzioni delle periferiche sono progettati di conseguenza per una efficiente gestione degli interrupt. I vantaggi in termini di un’implementazione semplice, rapida e a basso consumo energetico sono importanti soprattutto nelle applicazioni che coinvolgono più motori. Un’efficiente unità di capture/compare (CCU6E) con due timer per la generazione del segnale permette un design efficiente, indipendentemente dal tipo di motore da azionare e dall'algoritmo di controllo. La gamma di applicazioni indirizzate dagli Mcu a 16 bit della famiglia XE166 si estende dai compiti di controllo relativamente semplici in pompe, ventilatori, compressori e tecnologia Hvac fino alle soluzioni più sofisticate per servomotori, macchine Cnc, controlli di processo e robotica. Un campo di applicazione particolarmente importante per i prodotti XE166 è il controllo efficiente degli inverter. Questo permette di realizzare soluzioni ad elevato risparmio energetico in settori come il trasporto (carrelli elevatori, macchine edili, macchine agricole, tram, ecc) così come per le energie rinnovabili (fotovoltaico, energia eolica, celle a combustibile, ecc.). I controller real-time di segnali XE166 sono stati appositamente progettati per le applicazioni citate in precedenza. A questo riguardo essi offrono prestazioni di elaborazione scalabili da 66 a 160 Mips, da 32 KB fino a 1,6 MB di memoria flash integrata, da 12 a 138 KB di Ram, unità Pwm per un massimo di quattro motori, convertitori A/D con risoluzioni di 8, 10 e 12 bit, da 10 a 30 canali, fino a sei nodi Can e da 2 a 10 interfacce seriali configurabili. Le opzioni per il package spaziano da 38 a 176 pin, e i microcontrollori sono disponibili per gli intervalli di temperature sia industriali che per autoveicoli fino a 125°C di temperatura ambiente. Ulteriori funzioni integrate, come un regolatore di tensione, emulazione Eeprom con moduli flash aggiuntivi, oscillatore, watchdog e la rilevazione brown-out riducono il numero di componenti esterni e, quindi, i costi del sistema.

Le nuove serie XE16xU e XE16xL
Le nuove serie di Mcu sono destinate a unità di controllo motore economiche che, ad oggi, sono state appannaggio di Mcu high-end a 8 bit oppure di Dsp di fascia bassa. A questo riguardo esse offrono prestazioni real-time e elevata potenza di calcolo a basso costo. Gli elementi chiave comprendono un Dsp ad alte prestazioni, un convertitore A/D a 12 bit ad alta velocità con funzionalità di sincronizzazione, un’efficiente unità di capture/compare ed una unità Pwm ad alta velocità con impulso minimo di 12,5 ns. Le nuove serie low-end della famiglia XE166 forniscono una potenza di calcolo di 66 Mips, da 32 a 160 KB di flash integrata ed un convertitore Sar a 12 bit ottimizzato con un tempo di conversione di soli 600 ns. Le offerte per il package comprendono versioni con 38, 48 e 64 pin. Dal punto di vista delle prestazioni, queste serie estendono la famiglia di microcontrollori Infineon a 8 bit grazie ad un’efficiente unità Mac per le operazioni di Dsp. Il convertitore A/D e l'unità Pwm (CCU6) sono mantenuti per tutta la piattaforma, in modo che si possa facilmente riutilizzare anche il codice più complesso. Il nuovo XE16xU e la variante low-end XE16xL sono compatibili a livello di linguaggio macchina e di periferiche e quindi consentono una scalabilità semplice e il riutilizzo del software esistente.
Le principali differenze tra le serie XE16xL (L sta per low-end) e XE16xU (U sta per ultra-low-end) sono la capacità della memoria flash (160 KB contro 64 KB), il convertitore A/D a 12 bit (19 canali contro 10 canali) e le unità Pwm (due invece di una). Inoltre i microcontrollori XE16xL dispongono di un modulo ad alta velocità Multican.

Design efficiente
La famiglia XE166 è supportata da una serie completa di tool di sviluppo che comprendono board di valutazione, debugger, compilatori e la relativa documentazione. Per la configurazione, l'inizializzazione e la generazione di codice è disponibile DAvE (Digital Application virtual Engineer). Utilizzando DAvE Drive auto-code generator, è possibile generare automaticamente e velocemente anche il più complesso codice di controllo motore. In combinazione con i kit per applicazioni personalizzate è possibile, per esempio, generare in soli 15 minuti il codice per un controllo sensorless field-oriented di un motore Pmsm. Occorre considerare anche che, se gli utenti esperti possono semplicemente riutilizzare il codice esistente, gli sviluppatori meno esperti della famiglia XE166 possono iniziare immediatamente a scrivere codice per questi dispositivi. Gli strumenti di configurazione come DAvE aiutano nella programmazione del microcontrollore anche grazie a configurazioni guidate intelligenti. DAvE genera automaticamente il codice C con le funzioni corrette per i driver delle periferiche integrate nel chip e il controllo degli interrupt interagendo direttamente con il compilatore. Il tool genera algoritmi completi in codice sorgente (C o Assembler) che può quindi essere compilato e testato con l'aiuto di ambienti di sviluppo standard (ad esempio, Keil o Tasking). I generatori automatici di codice sono uno strumento importante per permettere rapidamente a un motore di funzionare in modo efficiente. Con DAvE Drive il codice di controllo motore è generato automaticamente tramite una interfaccia grafica, evitando la scrittura di migliaia di righe di programma da zero. Per di più, il generatore di codice sfrutta completamente le prestazioni dei microcontrollori associati. Inoltre è disponibile una completa piattaforma hardware che comprende una evaluation board e un motore Pmsm. DAvE Drive supporta sia i motori di tipo Bldc che Pmsm, in aggiunta a vari algoritmi di controllo: commutazione a blocchi con sensori di Hall e senza, in aggiunta al sensorless Foc (Field-oriented control). Questo permette ai progettisti di concentrarsi nella fase iniziale sullo sviluppo del software specifico dell’ applicazione e di accelerare in modo significativo la realizzazione dei prototipi. Rispetto ad altri strumenti di configurazione, il software DAvE Drive genera algoritmi completi e non si basa su librerie. Inoltre è possibile la generazione flessibile del codice anche per motori non standard costruiti su specifica del cliente; questo comporta una riduzione significativa del tempo di sviluppo, così come è semplificata anche la differenziazione del sistema. Tutti i compilatori per la famiglia XE166 offrono anche un debugger Ocds e supportano la nuova interfaccia di debug single-pin in questa famiglia. Alcuni compilatori dispongono anche di un kernel real-time e un simulatore. Inoltre, in collaborazione con Infineon, Altium offre gratuitamente il compilatore C Tasking XE166 con una licenza rinnovabile di 12 mesi. La versione dei tool del compilatore Altium Tasking C166 è stata appositamente sviluppata per la famiglia XE166 ed offre funzioni efficienti. L'ambiente di sviluppo integrato semplifica l'accesso a livello sorgente con CrossView Pro che a sua volta, facilita il collegamento con ogni evaluation board EasyKit XE166. Gli esempi preinstallati, le istruzioni passo-passo e gli strumenti avanzati come un codice di start-up generato automaticamente, facilitano l'inizio del design.

Soluzioni scalabili
Oltre alle prestazioni e alle periferiche, c'è un altro aspetto per quanto riguarda la scalabilità , ossia, l'integrazione nelle reti industriali. Reti come queste hanno almeno tre livelli: il livello di campo, il livello di controllo e il livello delle operazioni. In questo contesto la famiglia XE166 offre una vasta gamma di interfacce e soluzioni personalizzate per il livello di campo e il livello di controllo. A titolo esemplificativo, sono disponibili fino a sei interfacce seriali come Spi, Uart e I2C per la comunicazione con sensori e attuatori. Inoltre Infineon offre un kit di valutazione per lo sviluppo di sistemi di comunicazione sulla base dello standard IO-Link V1.1. Il kit IO-Link consente una semplice valutazione della funzionalità di una configurazione completa di un dispositivo master IO-Link-based. Grazie alle prestazioni in tempo reale delle Mcu XE166 (per la parte master) e la convenienza dei moduli XC800 (sul lato del dispositivo), questo kit è la prima soluzione in tutto il settore che mette a disposizione fino a otto canali IO-Link per master e buffer Fifo per ogni canale. Una soluzione Can open che può utilizzare fino a sei nodi Can del controller XE166 è concepibile come un efficace collegamento a livello delle operazioni.

Ogni punto percentuale è importante
La nuova serie low-end estende ulteriormente la scalabilità della famiglia XE166 a un'ampia gamma di applicazioni ad alta efficienza energetica di controllo dei motori, dall'uso di semplici motori per pompe fino ad arrivare ai servomotori più potenti. A questo proposito vale la pena di “spremere” ogni punto percentuale in termini di efficienza energetica, in quanto, come detto all'inizio, i motori elettrici sono i consumatori principali di energia elettrica. Un ultimo aspetto della scalabilità è il tempo! In quanto focalizzati sui mercati industriale e automobilistico, i cicli di vita dei microcontrollori Infineon sono progettati per le esigenze di disponibilità a lungo termine che caratterizzano le rispettive industrie.

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