Una tecnologia per l’Industria 4.0

Il controllo motore è una tecnologia che da lungo tempo è nell’attenzione degli sviluppatori sia di componenti che di sistemi e che attualmente, nel momento dello sviluppo tecnologico legato all’Industry 4.0 assume una importanza strategica. È sufficiente considerare che nello scenario di sviluppo industriale, il consumo di energia elettrica sta crescendo in maniera esponenziale e oltre il 40% di questo incremento è dovuto alla richiesta elettrica dei motori elettrici industriali. È ovvio che con tali presupposti di sviluppo, la ricerca di soluzioni efficienti nell’ambito del controllo motore è una priorità per tutti, sviluppatori e produttori di componenti. La complessità di sistema del controllo motore è elevata e coinvolge molte tecnologie elettroniche, alcune allo stato dell’arte, altre innovative che hanno richiesto uno sforzo di sviluppo tecnologico a tutti i principali attori del settore. Dal punto di vista funzionale il controllo motore consiste di vari livelli, ognuno supportato da un’adeguata tecnologia elettronica. Per esempio, il controllo del movimento è una funzionalità che necessita dell’esecuzione di algoritmi di controllo molto sofisticati e computazionalmente intensivi, per cui le tecnologie di computing di ultima generazione sono la soluzione più appropriata (per esempio quella offerta da core processori ottimizzati per l’esecuzione di algoritmi di controllo numerico computazionalmente intensivi come l’Arm Cortex M4 e lo Sharc di Analog Devices). Il controllo motore è una metodologia e una tecnologia che copre un’ampia gamma di applicazioni che spaziano dal semplice controllo di ventole e pompe, alla più complessa problematica del controllo industriale, inclusa la robotica e i servo meccanismi. Il principio del controllo è basato sul feedback sensoriale, su cui si basano i modelli di regolazione automatica. Si tratta di una metodologia molto complessa che si è sviluppata nel tempo in funzione della diversificazione della tipologia dei motori: motori in corrente continua (Dc), motori in corrente continua senza spazzole (Brushless Dc) e motori a induzione in corrente alternata. Queste tipologie di motori, pur essendo tutte basate su principio dell’induzione elettromagnetica, si caratterizzano per modalità di funzionamento che implicano modelli di controllo specifici e una elettronica di controllo ad hoc.

Modelli e tecniche di controllo del motore

I motori Dc sono i più comuni in quanto più economici e consistono di uno statore (parte fissa) cioè il magnete permanente e di una parte mobile (il rotore) che porta l’avvolgimento collegato al commutatore che fornisce la corrente in modo che arrivi in modalità continua all’avvolgimento. Il controllo della velocità del motore viene ottenuto tramite la regolazione della corrente continua. A questo scopo e in funzione della natura dell’applicazione per pilotare il motore Dc vengono utilizzati i full-bridge, gli half bridge o gli step-down converter. Questi contengono degli switch che utilizzano la tecnica Pwm (Pulse width modulation) per ottenere la tensione desiderata. A tale scopo sono necessari specifici circuiti integrati cosiddetti bridge driver per pilotare i Fet nei circuiti bridge. Quando utilizzati nella realizzazione di servomeccanismi (servomotori), l’aspetto più complesso del controllo riguarda l’accuratezza del controllo della velocità. Questa viene ottenuta attraverso l’esecuzione di algoritmi di controllo ad anello chiuso da parte di un microcontrollore utilizzando l’informazione di posizione del rotore catturata attraverso un sensore ad effetto Hall. I motori Ac sono particolarmente diffusi in ambito industriale per le caratteristiche di semplicità e robustezza. Un motore Ac consiste fondamentalmente di un trasformatore con sezione primaria connessa alla tensione Ac e la sezione secondaria collegata in modo da condurre la corrente secondaria indotta, da cui il nome motore Ac a induzione. In questo motore è assente l’avvolgimento del rotore, da cui risulta un’elevata affidabilità di questa tipologia di motore. Per controllare la velocità di questo motore viene utilizzata un’elettronica basata su microprocessore, un inverter e un condizionatore di segnale. L’inverter consiste di tre half bridge, che a loro volta richiedono specifici driver per essere controllati in maniera flessibile. L’algoritmo di controllo a ciclo chiuso richiede la misura della corrente trifase del motore e la posizione del rotore. Sono necessari in questa controllo amplificatori di corrente high-side e low-side, sensori ad effetto Hall e convertitori Adc capaci di lavorare con precisione in ambienti difficili come quelli delle applicazioni industriali. Infine, i motori Brushless Dc si caratterizzano per l’assenza di spazzole di commutazione, quindi per un’elevata affidabilità e una manutenzione economica, e per il loro controllo richiedono un forma di sensing della posizione. Il sensore di posizione del rotore è un effetto Hall integrato nello statore del Bldc.

Sensori, convertitori e interfacce

I sensori sono parte del loop di controllo in retroazione del motore. Ulteriore elettronica è necessaria per la misura basata su sensore della posizione. L’interfaccia a due fili di sensore a effetto Hall MAX9641 di Maxim Integrated è una soluzione single chip che interfaccia a microprocessore due sensori a effetto Hall consentendo di semplificare significativamente il sistema di controllo e di controllare in maniera efficace la corrente di sensing e di derivare il segnale logico di controllo. La conversione Adc sincrona (simultaneous sampling) è alla base del cosiddetto controllo Foc (Field oriented control). Convertitori come il MAX125 sono stati sviluppati proprio a questo scopo per realizzare il sensorless Foc tipico di controllo di motori dove il feedback non è disponibile per le particolari condizioni applicative del motore (per esempio le pompe sottomarine delle piattaforme petrolifere). In questa modalità di controllo la simultaneità di determinate misure è fondamentale per garantire il successo del controllo. Gli Adc normalmente sequenziano i campionamenti producendo un ritardo tra le misure dei singoli canali che in alcuni casi non è compatibile con la natura dell’algoritmo di controllo (quando per esempio i segnali campionati sono sensibili alla fase). Il MAX125 consente di implementare a basso costo quella modalità di conversione sincrona dei canali in ingresso al Adc che prima si otteneva configurando in parallelo tanti Adc singoli (uno per ogni canale), in quanto MAX125 consente di campionare simultaneamente 4 di 8 canali analogici in ingresso con la precisione dei 14 bit ad alta velocità.

Dal sensore Hall agli shunt resistor

È in atto una significativa tendenza a migrare dalla soluzione Hall di sensing della corrente a quella dei resistori shunt, motivata da una maggiore accuratezza ed economicità della soluzione. Un vantaggio della resistenza è di non essere sensibile ai campi magnetici, particolarmente rilevanti nel caso dei motori elettrici a induzione magnetica, nonché alle vibrazioni meccaniche. Le prestazioni di misura sono condizionate a quelle dell’amplificatore isolato e del convertitore Adc. A questo scopo i modulatori sigma-delta isolati sono una soluzione conveniente ed effettiva come per esempio l’AD7403 di Analog Devices, un sigma-delta isolated modulator a 16 bit che funziona da soluzione ideale per le misure resistive shunt. L’input analogico viene campionato con continuità dal modulatore analogico e codificato in digitale come densità di uno. L’informazione (zero-uno) viene quindi ricostruita tramite un apposito filtro digitale per ottenere 88 dB di rapporto segnale rumore a 78.1 kcampioni al secondo. L’AD7403 è provvisto di isolamento digitale on-chip basato sulla tecnologia iCoupler della stessa Analog, quindi operativo in condizioni di monitoraggio shunt voltage a elevata tensione dove è richiesto l’isolamento galvanico e quando l’optoisolamento non è una soluzione praticabile.

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