Nelle automobili moderne trovano sempre maggiore impiego motori elettrici per l'azionamento delle pompe dell'acqua, dell'olio, della benzina, delle ventole o degli impianti di climatizzazione. In questi ambiti i motori Bldc, insieme ad efficienti algoritmi di regolazione di cui si avvalgono microcontrollori ottimizzati, rappresentano la soluzione più efficiente. Per i motori brushless sono disponibili diversi schemi di regolazione, compreso il controllo vettoriale a orientamento di campo o Foc (Field oriented control). Tuttavia, la realizzazione di una regolazione moderna ed efficiente dei motori tipicamente può richiedere svariate settimane. Ora, grazie ad un nuovo kit di sviluppo, Infineon permette la completa realizzazione del pilotaggio motori completo in un solo giorno. Maggiore efficienza energetica, dinamica più elevata e minore rumorosità costituiscono attualmente gli elementi essenziali di cui la progettazione del pilotaggio motori deve tenere conto. È per questo che nei dispositivi di comando destinati all'elettronica dell'auto vengono impiegati sempre più diffusamente concetti di regolazione evoluti come il controllo vettoriale ad orientamento di campo. D'altro canto, l'implementazione e la realizzazione effettiva di questi innovativi concetti di regolazione necessitano l'ottimizzazione dell'architettura dei microcontrollori e strumenti di semplice utilizzo. Alla luce di tutto ciò, Infineon propone un'offerta completa di kit di applicazione con reference design scalabili per il pilotaggio di motori, forniti di tutti i componenti hardware e software necessari per un design "plug and play". Le soluzioni complete comprendono microcontrollori, semiconduttori di potenza e componenti passivi, corredati di relativa documentazione che offre, ad esempio, suggerimenti sulla progettazione dell'hardware. I kit di applicazione contengono inoltre il software di riferimento ed un ambiente completo di test “real-time”.
Il controllo vettoriale a orientamento di campo
Con il Foc l'efficienza di un motore elettrico può essere incrementata fino al 95%, ottenendo al tempo stesso una minore potenza assorbita, una rumorosità più ridotta e una migliore dinamica. In questo modo l'efficienza dell'inverter aumenta, mentre diventa possibile l’utilizzo di stadi di potenza e motori di dimensioni inferiori, mantenendo lo stesso numero di giri. L'algoritmo Foc libera dalla dipendenza dal tempo e dalla velocità, consentendo così la regolazione diretta e indipendente del flusso magnetico e della coppia. Ciò è possibile attraverso la conversione matematica dello stato elettrico del motore in coordinate di rotazione indipendenti dal tempo. Le formule matematiche corrispondenti sono note come trasformate di Clarke e Park. Il Foc trova un utilizzo sia nei motori Ac a induzione che nei motori Dc brushless.
L’Automotive Bldc Motor-Drive-Kit
Con il nuovo kit di sviluppo è possibile realizzare rapidamente soluzioni scalabili per la regolazione efficiente di inverter trifase con motori Bldc. A tale scopo il kit fa affidamento su due potenti microcontrollori automotive, l’XC886 a 8 bit e l'XC2236N a 16 bit, che supportano concetti di regolazione basati sia su sensore che sensorless. Come interfaccia dei sei Mosfet a canale n viene impiegato un nuovo driver a ponte B6, il TLE7184F, ad elevata integrazione, che oltre agli stadi pilota completi, contiene anche funzioni complementari e di protezione potenziate, che riducono al minimo possibile il fabbisogno di ulteriori circuiti esterni. Il kit comprende la TLE 7184F Power-Board, un motore Bldc/PMSM, un alimentatore Ac/Dc, una scheda driver con XC886, una scheda driver con XC2236N, un Usb Drive-Monitor, il Cd-Rom contenente software e documentazione, i cavi e i connettori per il collegamento a motori custom del cliente. Il circuito di applicazione viene realizzato con le schede driver con XC886 o XC2238N ed un inverter trifase dotato di Mosfet a canale n e regolatori di tensione progettati per l'elettronica del settore automobilistico, insieme a un motore Bldc fornito con il kit. L'interfaccia fra il microcontrollore e lo stadio di potenza viene realizzata con un driver a ponte TLE7184F. Il nuovo circuito integrato della famiglia di driver a ponte trifase di Infineon può gestire fino a sei Mosfet esterni a canale n. Numerose ulteriori funzioni, come la regolazione del tempo morto e dei valori soglia di corto circuito, nonché le funzioni di diagnostica e di protezione, rappresentano delle utili caratteristiche che riducono notevolmente la necessità di dispositivi esterni. Queste caratteristiche assicurano inoltre un’elevata affidabilità del sistema. Per proteggere il sistema contro l'inversione di polarità è stato integrato anche un Mosfet a canale p, l'IPD90P03. Sia il motore Bldc fornito in dotazione, che motori custom utilizzati dal cliente da 12 V fino a 24 V (fino a 20 A), possono essere pilotati senza problemi. Fanno parte del kit anche un pacchetto software completo con software per il pilotaggio motori ottimizzato e uno strumento di monitoraggio in tempo reale (isolato digitalmente). Il kit contiene inoltre strumenti di sviluppo gratuiti e un ambiente di sviluppo integrato con compilatore Sdcc e debugger. Attraverso il software per il controllo motori è possibile configurare i parametri di un motore in modo semplice e rapido. Il software comprende il codice sorgente ottimizzato per il controllo vettoriale sensorless ad orientamento di campo del motore Bldc. Inoltre, viene supportato il controllo V/f per i motori ad induzione per una rapida valutazione. Il DriveMonitor consente di richiamare e modificare in tempo reale i parametri di regolazione, mentre la funzione oscilloscopio offre una rappresentazione grafica della velocità e della corrente di fase. Il DriveMonitor è una chiavetta Usb con interfacce Jtag, Vcom e Can. Mentre l'interfaccia Jtag viene utilizzata per il download del software e il debug con Ocds, il collegamento Can consente il monitoraggio in tempo reale e l'impostazione dei parametri durante l’esecuzione dell’applicazione.
Microcontrollori ottimizzati e circuiti integrati di potenza
Con la famiglia XC800 a 8 bit e i microcontrollori XC2000 a 16 bit, Infineon offre soluzioni scalabili per molteplici configurazioni di regolazione del motore, da utilizzare in ambito auto motive. La gamma va dalla commutazione in blocco con sensori Hall fino al controllo vettoriale duale sensorless a orientamento di campo. La famiglia XC800 si basa sull'architettura standard 8051. I microcontrollori offrono memorie flash di diverse dimensioni (da 2 a 64 KByte) e integrano l’oscillatore, il regolatore di tensione, l’Eeprom, i circuiti di monitoraggio e diagnostica al fine di ridurre i costi del sistema. Le periferiche ottimizzate supportano svariate configurazioni per la regolazione del motore o conversione di potenza. Il microcontrollore contiene anche un’efficiente Capture compare unit per la generazione flessibile di segnali Pwm, un convertitore analogico-digitale a 10 bit ad alta velocità per misurazioni precise e la sincronizzazione hardware con l'unità Pwm, nonché il modulo MultiCan con un massimo di due nodi Can. La famiglia XC800 dispone di un processore vettoriale a 16 bit per calcoli trigonometrici, necessario per il controllo vettoriale ad orientamento di campo. La famiglia XC800 è disponibile in package scalabili da 16 fino a un massimo di 64 pin, sviluppati per essere utilizzati oltre esteso range di temperatura fino a 150 °C, permettendone l’utilizzo in applicazioni automotive. L'XC2236N appartiene ai microcontrollori a 16 bit della famiglia XC2000, con una performance equivalente a quella degli Mcu a 32 bit. La famiglia XC2000 è stata sviluppata appositamente per applicazioni in ambito automotive e si basa sulla comprovata architettura C166. Grazie ad efficienti funzioni di periferica come i due moduli CAPCOM6 e fino a due rapidi convertitori analogico-digitali a 12 bit, il microcontrollore a 80 MHz è ideale per svariati tipi di funzioni motorizzate presenti nelle applicazioni automotive. A tale scopo è disponibile , oltre ad una potente unità Mac, anche una memoria flash da 32 fino a 1600 Kbyte e 136 KByte di Ram, in package scalabili da 38 fino a 176 pin. Il circuito integrato del driver a ponte TLE7184F prevede, oltre alle funzioni già menzionate, anche un regolatore di tensione fissa a 5 V e un amplificatore differenziale, che semplificano estremamente il collegamento ad un Mcu a 8 bit, come l'XC886. Allo stesso modo, l'amplificatore operazionale integrato consente di ridurre al minimo la circuiteria necessaria per la misurazione della corrente di shunt. Il risultato è l’ottimizzazione del design dal punto di vista dei costi e delle dimensioni.
