Più efficienza nel controllo motore

motori elettrici consumano quasi la metà dell’elettricità prodotta in tutto il mondo e non è difficile capire perché. Essi infatti forniscono la forza motrice necessaria per molte delle moderne attività essenziali e non essenziali. Motori, pompe e ventole sono presenti in una gamma di prodotti sempre più ampia, dai piccoli articoli di consumo ai grandi macchinari industriali. Ben radicati nelle applicazioni esistenti, questi prodotti sono destinati ad aumentare inesorabilmente e, con l’avvento di nuove applicazioni, come i veicoli elettrici, ne entreranno in funzione sempre di più negli anni a venire. L’efficienza collegata alla conversione di energia ha sempre avuto un ruolo importante e, nel caso dei motori elettrici, la conversione avviene due volte: prima per creare l’elettricità necessaria a controllare il motore, poi per convertire l’elettricità in forza motrice. Non c’è da stupirsi che l’inefficienza dei motori elettrici stia diventando una priorità per consumatori, industrie e perfino per i governi.

La legislazione promuove l’innovazione

L’efficienza energetica è sempre stata un aspetto importante del processo di sviluppo di un prodotto: compensare le inefficienze ha un costo in termini di rimozione del calore indesiderato, erogazione di un’energia maggiore di quanto sia strettamente necessario o aggiunta di altri materiali. Negli ultimi anni, tuttavia, la necessità di prodotti più efficienti, classificati come “connessi all’energia”, ha comportato la creazione di nuove leggi. Ad esempio, i prodotti connessi all’energia che soddisfano precisi criteri e sono destinati alla vendita nell’Unione Europea, devono essere conformi alle norme basate sulla direttiva quadro 2009/125/CE. Tra questi figurano i prodotti venduti in quantità superiori alle 200.000 unità annue, che hanno un considerevole impatto ambientale e presentano un notevole potenziale di miglioramento. Legislazione a parte, è chiaro che l’efficienza inizia dal progetto e, nel caso dei motori in c.c., dalla selezione del motore stesso. Il motore in c.c. più utilizzato è quello a spazzole, anche se, considerato il tipo di applicazioni emergenti, il numero dei motori brushless in c.c. o Bldc è in costante crescita. Il terzo tipo di motore in c.c. più utilizzato è quello passo-passo che è strettamente collegato al Bldc, ma il cui uso è limitato ad applicazioni con esigenze specifiche (ad esempio servosistemi). Probabilmente il tipo di motore più diffuso in assoluto è quello a induzione in c.a., mentre il motore sincrono a magneti permanenti o Pmsm potrebbe essere un suo eventuale sostituto. L’efficienza nel motore a induzione in c.a. è strettamente collegata alla correzione del fattore di potenza che può migliorare in modo significativo le prestazioni in applicazione tipiche, tra cui sistemi Hvac, elettrodomestici e applicazioni industriali. Nelle applicazioni a velocità fissa, controllare un motore a induzione in c.a. è relativamente semplice, la velocità è collegata direttamente alla frequenza della tensione di controllo. Invece per le applicazioni a velocità o coppia variabili è più adatto un Pmsm che, però, è più complesso da controllare, pur essendo più efficiente di un motore a induzione in c.a.

Controllo di segnali digitali

Il controllo del motore offre la possibilità di migliorare l’efficienza in fase di progettazione. Comprendere le esigenze di controllo di ogni tipo di motore e quale sia lo stile più adatto per una data applicazione può aiutare a garantire una maggiore efficienza in qualsiasi contesto. In pratica un motore è composto da tre parti: una parte che si muove (in genere ruota, ma esistono anche motori lineari), una parte fissa e una parte che genera il campo elettromagnetico. Tali parti sono denominate, rispettivamente, rotore, statore e commutatore, sebbene possano avere nomi e funzioni diverse, il che crea ancora più confusione. Nel motore in c.c. a spazzole gli avvolgimenti vengono eccitati per creare la forza elettromagnetica che fa muovere il rotore. Le spazzole servono a erogare la tensione e la corrente agli avvolgimenti mediante il commutatore. Quando il motore ruota, le spazzole aprono e chiudono continuamente il circuito, provocando due degli svantaggi che le caratterizzano: disturbi elettrici e usura meccanica. Sono comunque molto utilizzate perché costano poco e hanno un circuito di controllo relativamente semplice, la velocità viene controllata dalla tensione applicata, mentre la coppia è controllata dalla corrente. I moderni microcontrollori sono perfetti per fornire il livello di prestazioni e la funzionalità computazionale necessarie per sviluppare loop di controllo ad alta efficienza per motori in c.a. e c.c.. Molti Mcu supportano funzioni di elaborazione dei segnali che consentono di elaborare algoritmi complessi in tempo reale usando dati di posizionamento diretti o derivati. Questo è un aspetto importante perché sempre più applicazioni cercano di eliminare i sensori che forniscono dati di posizionamento. Tecniche come la misurazione della forza controelettromotrice fanno sì che i circuiti di controllo siano in grado di determinare la posizione del rotore senza utilizzare sensori, con conseguente riduzione dei costi e della complessità e miglioramento dell’efficienza. Mentre molte Mcu sono per natura destinate a impieghi generali e adatte per numerose applicazioni, è in continuo aumento il numero di dispositivi specializzati nel controllo dei motori, in grado di offrire livelli di integrazione maggiori. Tra questi figurano dispositivi che combinano la correzione del fattore di potenza con la generazione Pwm in un’unica unità. Esistono anche molte Mcu che presentano periferiche appositamente create per applicazioni di controllo motori. Questa complessità diventa sempre più prerogativa dei controllori di segnali digitali per applicazioni specifiche, una nuova classe di dispositivi che combinano la funzionalità di un processore di segnali digitali con la flessibilità di un Mcu per impieghi generali in unico prodotto. Un esempio è rappresentato dalla famiglia di microcontrollori PIC32MM0064GPL di Microchip, adatta per applicazioni di controllo motori a basso costo. Basato sul core UC MIPS32 microAptiv, questo dispositivo integra periferiche indipendenti dal core e comprende il modulo Multiple Capture/Compare/Pwm ottimizzato per l’azionamento e il controllo dei motori.

Driver dedicati

Nel caso di un motore Bldc, l’azionamento diventa più complesso. Per aprire e chiudere il circuito che alimenta gli avvolgimenti si utilizzano i transitori invece delle spazzole, mentre la velocità e la coppia sono controllate dal rapporto accensione/spegnimento/durata dei transitori, normalmente il tutto assume la forma di un segnale Pwm (Pulse width modulation) utilizzato per azionare gli avvolgimenti. Questa condizione viene ulteriormente complicata dall’uso di motori monofase, bifase e trifase, che trasmettono un movimento di rotazione progressivamente più regolare incrementando il numero di fasi (e, di conseguenza, di segnali Pwm) in ogni caso. Oggi esistono molti dispositivi integrati che offrono lo stadio di azionamento per diversi motori, tra cui quelli Bldc, Pmsm e passo-passo. Normalmente comprendono i gate driver necessari a pilotare Mosfet di potenza esterni utilizzati per eccitare fino a tre fasi di un motore. Un ottimo esempio è il dispositivo STK5C4U332J-E di ON Semiconductor, un modulo di potenza intelligente per il pilotaggio di motori trifase, adatto per motori Pmsm, Bldc e sincroni in c.a. La scelta dei Mosfet più adatti può influire molto sull’efficienza. Come nel caso della maggior parte delle applicazioni, i transistori con una resistenza di On inferiore sono la soluzione migliore e, nei circuiti di controllo motori, comportano l’uso di Mosfet a canale N che offrono una Rds(on) inferiore rispetto a quelli a canale P per un determinata area. Tuttavia è importante notare che un Mosfet più grande richiede, per l’attivazione, una carica di gate maggiore che impiega più tempo a formarsi e a disperdersi e può influire notevolmente sulla velocità di funzionamento del motore e, di conseguenza, sull’efficienza generale dell’applicazione. Un altro parametro in grado di influire sulla frequenza di commutazione massima è la cross-capacitance tra il drain e il gate. L’offerta di RS Components comprende una vasta gamma di Mosfet di potenza adatti per applicazioni di controllo motori. Ad esempio, il Mosfet StrongIRFET di Infineon, ottimizzato per una Rds(on) bassa e una capacità di corrente elevata.

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