Tra i produttori di motori, per affrontare le sfide legate al miglioramento delle prestazioni e alla riduzione dei costi di sistema, vi è la tendenza a passare dall’uso di più dispositivi magnetici a effetto Hall di tipo latch a un singolo dispositivo di rilevamento angolare magnetico a effetto Hall per la commutazione tra le fasi del motore. È possibile riscontrare questa tendenza in particolare nei mercati automotive e industriali, dove l’uso di motori a corrente continua senza spazzole è sempre più diffuso. Allo stesso tempo, in alcune applicazioni automobilistiche e industriali, si tende a sostituire gli encoder ottici e i resolver, in genere costosi, voluminosi ed esigenti in termini di consumi, coi sensori di posizione angolari magnetici per la retroazione necessaria alla commutazione delle fasi del motore. Per le applicazioni di questo tipo nel settore automobilistico, la preferenza per i sensori discreti a effetto Hall di tipo latch sta scemando in favore dei sensori di posizione angolare magnetici, che permettono ai costruttori di soddisfare le prescrizioni sempre più stringenti in materia di consumi e sicurezza, migliorando l’affidabilità complessiva del veicolo. Eliminando più dispositivi magnetici di tipo latch all’interno di un motore i sensori di posizione angolare magnetici migliorano le prestazioni e l’affidabilità del motore, oltre ad aumentare la sicurezza del veicolo.
Sensori di posizione angolare magnetici
Di recente, sono stati lanciati sul mercato nuovi dispositivi magnetici per il rilevamento angolare, concepiti specificamente per i motori ad alta velocità. Questi sensori presentano caratteristiche innovative che aumentano le prestazioni del motore, come la coppia e le velocità di rotazione dell’albero, e riducono i costi di sistema. Per esempio, uno dei sensori di posizione angolare magnetici lanciati di recente da ams, l’AS5147P, include una funzione che permette ai controller del motore di non dover svolgere un compito che di norma dovrebbe essere affidato a sensori discreti a effetto Hall di tipo latch o sensori di posizione angolare magnetici competitivi. Utilizzando la funzione on-chip di compensazione dinamica dell’errore angolare o Daec (Dynamic angle error compensation) dell’AS5147P, un controller per motori non deve più adattarsi ai ritardi di propagazione a livello di sensori e di sistema. In genere, i controller per motori, o processori, devono tener conto dello sfasamento nella misurazione della posizione dell’albero del motore, dovuto alla differenza temporale tra la misurazione compiuta da uno o più sensori di retroazione per la commutazione del motore e la trasmissione effettiva del segnale al controller. Questo sfasamento, dovuto al ritardo di propagazione all’interno del sensore magnetico e al ritardo tra il sensore e l’interfaccia del processore, si traduce in un errore nella misurazione della posizione che, se non tenuto in conto in una qualche misura nel sistema di controllo del motore, comporta una riduzione delle prestazioni e dell’efficienza del motore. L’entità di questo problema è proporzionale ai giri/minuto del motore; più elevata è la velocità di rotazione di un motore, maggiore è il ritardo intrinseco di propagazione tra il sensore e l’interfaccia, quanto più lo sfasamento risultante inficia le prestazioni del motore. I controller tradizionali tengono conto di questo sfasamento temporale eseguendo un algoritmo software ogni volta che il controller riceve una misura aggiornata dal sensore di retroazione per la commutazione del motore. Avendo già un’idea abbastanza precisa della velocità angolare dell’albero motore in rotazione, e conoscendo il ritardo intrinseco di propagazione tra il sensore e l’interfaccia, l’algoritmo software del controller è in grado di approssimare la posizione angolare in tempo reale dell’albero motore in rotazione, rispetto al momento in cui riceve effettivamente i dati dal sensore. Questa operazione è svolta sommando la misurazione del sensore con un valore di sfasamento predefinito. Grazie alla funzione Daec, anche l’AS5147P è in grado di determinare la velocità dell’albero motore in rotazione e di conoscere i ritardi di propagazione interni, così come quelli dell’interfaccia. Sommando le misurazioni dei sensori con un valore di offset come fa un controller, può trasmettere le informazioni sulla posizione angolare in tempo reale dell’albero motore in rotazione al controller del motore, eliminando gli effetti negativi dovuti allo sfasamento temporale.
Prestazioni ed efficienza
L’AS5147P può svolgere questo compito più accuratamente rispetto a un controller, grazie alla circuiteria dedicata che permette di condurre le misurazioni e aggiungere l’offset nel suo dominio di clock sincrono. Quando un controller per motori esegue quest’attività, sussistono delle ambiguità temporali tra il sensore e il controller, poiché quest’ultimo e il sensore si basano sui rispettivi clock interni e asincroni, che si traduce in calcoli meno accurati dei tempi di offset da parte del controller e del software. Al contrario, l’AS5147P è in grado di fornire informazioni più precise sulla posizione al controllore del motore, permettendo una commutazione migliore e aumentando l’efficienza energetica e le prestazioni del motore. Inoltre, può svolgere quest’attività molto più rapidamente e frequentemente, riuscendo ad affrontare anche velocità di rotazione elevate. L’AS5147P, per esempio, può supportare motori che raggiungono un massimo di 28.000 giri/min. Un altro vantaggio ottenibile con i sensori di posizione angolare magnetici nelle applicazioni retroattive per la commutazione del motore è che questi possono essere progettati più facilmente per essere immuni ai campi di dispersione magnetica. I campi di dispersione magnetica, che influiscono su un sensore a effetto Hall per la commutazione del motore e sulle relative interconnessioni, possono degradare la precisione delle misurazioni condotte dal sensore e portare a malfunzionamenti o addirittura al fermo del motore. Quando si utilizzano i sensori di posizione angolare magnetici di tipo tradizionale, si può includere la schermatura nella progettazione del sistema motore per evitare che uno o più sensori e le loro interconnessioni siano influenzati dai campi di dispersione magnetica. In alternativa, esistono metodi di progettazione meccanica che, insieme a un posizionamento molto attento dei sensori a effetto Hall e delle loro interconnessioni, possono evitare il degrado delle prestazioni dei sensori. Esiste però una soluzione alternativa e più vantaggiosa per risolvere il problema dei campi di dispersione e dei costi di schermatura: ams offre sensori di posizione angolare magnetici totalmente immuni ai campi di dispersione magnetica, tra cui l’AS5147P. Optando per questa soluzione non è richiesta alcuna schermatura magnetica, né ci si deve preoccupare del posizionamento del sensore e delle interconnessioni. Questo si traduce nella riduzione dei costi del sistema motore e in misure di posizione precise e ripetibili.
