Oggi i requisiti richiesti ai motori elettrici sono sempre più elevati: devono dimostrare una silenziosità di funzionamento sempre maggiore, essere il più possibile compatti, funzionare anche in ambienti sfavorevoli e contenere al massimo il consumo di energia. L'ultimo punto rappresenta un requisito fondamentale: secondo il ministero tedesco per l'economia e la tecnologia, circa il 70% del consumo di energia elettrica degli impianti produttivi è da imputare ai sistemi a funzionamento elettrico. Una tematica questa affrontata anche dall'Unione Europea, che - sulla base della direttiva europea sulla progettazione ecocompatibile contenuta nel regolamento UE 640/2009 - ha definito i requisiti minimi relativi all'efficienza energetica dei motori elettrici, fissandoli passo per passo sino al 2017.
I limiti dei tradizionali sistemi di controllo Foc
Oggi la scelta del sistema di controllo è orientata alla classica soluzione di un sistema Foc con sensori, una scelta che implica un significativo aumento dei costi di progettazione per via del sensore del rotore: da un lato per il sensore in sé e per l'utilizzo di cavi e spine speciali che esso comporta, dall'altro per l'alimentazione elettrica, nonché per gli interventi di installazione e manutenzione. Ma i limiti dei motori con sensori del rotore si evidenziano anche in termini di affidabilità, ad esempio quando il motore viene impiegato in un ambiente sfavorevole quale può essere un padiglione di produzione. Le condizioni presenti in un tale ambiente, vale a dire temperature elevate o forti sbalzi termici, umidità e influssi elettromagnetici, mettono a dura prova il funzionamento del sensore. In taluni ambiti di utilizzo, come in motori particolarmente compatti, è assolutamente impraticabile l'uso di sensori. Inoltre, i sensori richiedono delle accurate operazioni di montaggio, che si riflettono in un maggiore impiego di tempo e di conseguenza in costi di fabbricazione più elevati.
La soluzione senza sensori: InstaSpin-Foc
Con InstaSpin-Foc, Texas Instruments ha presentato una tecnologia all'avanguardia nel campo dei sistemi di controllo del motore. Associata all'algoritmo di codifica del software Fast e al microcontrollore Piccolo della serie C2000, questa tecnologia consente ai progettisti di identificare, regolare e controllare in pochi minuti qualsiasi tipo di motore trifase, sincrono o asincrono con diversi valori di carico e di velocità. Rispetto ai procedimenti tradizionali quali l'osservatore di Lünberger o la sua evoluzione Sliding Mode Observer, InstaSpin-Foc offre al progettista una serie di vantaggi, tra cui la possibilità di sviluppare motori robusti a rotazione lenta con elevati valori di coppia, per un azionamento diretto compatto e silenzioso, impiegati ad esempio nelle biciclette elettriche. Un altro punto di forza della InstaSpin-Foc è la significativa riduzione del tempo di progettazione necessario per la regolazione del motore. Nel caso di sistemi di controllo senza sensori basati sui procedimenti tradizionali, ci possono volere settimane, o addirittura mesi, prima di portare a termine l'operazione di regolazione precisa del motore. Con la tecnologia sviluppata da Texas Instruments, grazie all'identificazione automatica del motore, è possibile eseguire tale operazione in meno di cinque minuti.
Prestazioni quasi a livello di un codificatore
InstaSpin-Foc offre anche altri vantaggi, fra cui:
• Elevate prestazioni - L'algoritmo di codifica Fast permette in ogni situazione di avere una stima affidabile del flusso magnetico, dell'angolo del rotore, dei valori di velocità e coppia, rendendo di fatto superfluo in molti casi il codificatore.
• Comunicazione diretta - I valori di flusso, velocità e coppia di torsione vengono comunicati direttamente da Fast e possono essere utilizzati insieme alle informazioni relative all'angolo per un'ulteriore differenziazione del prodotto da sviluppare.
• Potenza elevata con un basso numero di giri - Le informazioni relative all'angolo vengono mantenute anche in caso di valori nettamente inferiori a 1 Hz (tipico) con massima coppia di torsione, in caso di inversione del senso di rotazione e di blocco del motore (con agevole rimozione del blocco).
• Maggiore flessibilità - Il progettista può utilizzare un'unica funzione per la regolazione della coppia di torsione tramite Foc. In alternativa, ha la possibilità di personalizzare completamente la progettazione con l'algoritmo Fast come sensore del motore.
• Nessun problema di avviamento - Grazie alla disponibilità di tre sistemi di avviamento integrati. È necessario meno di un ciclo elettrico per stabilire l'angolo del rotore.
Semplice identificazione del motore
Per l'identificazione del motore è sufficiente caricare nell'intuitiva interfaccia utente del Fast i parametri contenuti nella targa del motore, senza la necessità di inserire le informazioni contenute nella scheda tecnica. Tutto ciò grazie al nuovissimo algoritmo di codifica del software Fast (flusso, angolo, velocità e coppia di torsione). Il software è integrato nella memoria di sola lettura del microcontrollore. I costi del software sono compresi nel prezzo del microcontrollore; un modello di licenza semplice, trasparete e privo di rischi per l'utente, che non comporta alcun investimento preventivo né vincoli contrattuali temporali. Grazie alle prestazioni del codificatore Fast, viene nettamente ottimizzato il grado di efficienza di tutti i tipi di motore. Inoltre, la modalità PowerWarp del Fast aumenta l'efficienza energetica dei motori a induzione. Anche con carichi inferiori, l'efficienza del motore risulta decisamente incrementata. Per mantenere la stabilità del sistema di controllo, la funzione PowerWarp attiva una correzione del momento dinamico e della velocità. La modalità impostata con la coppia di torsione nettamente inferiore e subito disponibile, consente una riduzione significativa delle correnti di magnetizzazione e delle perdite nel rame sia nello statore che nel rotore. In considerazione del fatto che anche nella progettazione dei motori diventa sempre più importante accorciare il “time to market”, nel software MotorWare sono disponibili per la progettazione e la valutazione nuove librerie relative ai sistemi di controllo del motore (moduli, driver, esempi di sistemi, documentazione). In esse sono stati considerati gli standard attuali di programmazione C orientata agli oggetti e della codifica basata sull'Api. Per le misurazioni di laboratorio Texas Instuments ha anche incluso lo strumento Gui Composer, con il quale l'utente esperto può produrre interfacce grafiche personalizzate per le valutazioni e i test. Per la valutazione o le prime fasi di sviluppo del software, Texas Instruments mette a disposizione tre diverse schede di progettazione.
Nuove prospettive
per i sistemi di controllo Foc senza sensori
Con la soluzione InstaSpin-Foc e l'algoritmo di codifica software Fast, Texas Instruments ha fatto un notevole passo avanti nel campo dei sistemi di controllo del motore a orientamento di campo senza sensori. Grazie a InstaSpin le aziende potranno sviluppare in modo rapido e intuitivo, con una spesa minima, dei motori senza sensori del rotore dagli elevati livelli di efficienza, con conseguente riduzione dei costi, aumento dell'affidabilità e, non da ultimo, diminuzione del consumo energetico, tutti vantaggi che contano, oggi più che mai.
