Controllo motore più efficiente con silicio programmabile ad alto livello di integrazione

CONTROLLO MOTORE –

Solo di recente le funzionalità di Asic custom e dei processori a 32 bit sono state integrate in singoli dispositivi a prezzi competitivi nel settore del controllo motore di fascia bassa in applicazioni industriale e negli elettrodomestici.

Il consumo di potenza e l’efficienza energetica sono divenute le priorità dei progettisti che operano nel settore della potenza. In ambito industriale, apposite commissioni hanno stabilito regole e linee guida relative agli aspetti energetici che riguardano settori quali centrali elettriche, automazione industriale, produzione di motori e di azionamenti. Poiché i motori elettrici incidono in maniera notevole sui consumi di energia elettrica – secondo alcune fonti oltre al 50% – rappresentano una delle aree su cui intervenire per progettare sistemi più efficienti. È risaputo che il controllo di un motore elettrico mediante qualsiasi configurazione di azionamento elettronico garantisce una migliore efficienza rispetto alla semplice operazione di accensione e spegnimento, ma il guadagno in termini di efficienza finora è stato un effetto secondario: l’obiettivo principale dei progettisti infatti era di migliorare la precisione nel controllo della velocità e del movimento. Alcuni miglioramenti in termini energetici si potevano ottenere specificando un motore di elevata qualità. Un incremento del prezzo del motore e il costo di un circuito di comando più sofisticato diventano più accettabili se si prendono in considerazione i costi del ciclo di vita totale. Schemi di controllo avanzati per motori elettrici, fino a non molto tempo fa, hanno implicato l’uso di processori veloci – solitamente Dsp a 32 bit – e circuiti Asic e solitamente venivano adottati per installazioni industriali di elevata potenza. Ma i motori di piccole dimensioni risultano essere i meno efficienti e possono trarre notevoli benefici dal miglioramento del controllo. Solo di recente le funzionalità di Asic custom e dei processori a 32 bit sono state integrate in singoli dispositivi offerti a prezzi che li rendono competitivi nel settore del controllo motore di fascia bassa in applicazioni in campo industriale e degli elettrodomestici. L’abbinamento del controllo vettoriale e della correzione del fattore di potenza attivo per motori asincroni o l’applicazione del controllo a orientamento di campo a motori sincroni garantiscono un miglioramento del controllo complessivo a fronte di un aumento dell’efficienza energetica.

Controllo sincrono e asincrono
Le applicazione dei motori asincroni spaziano dall’industria pesante agli elettrodomestici e comprendono quelle che richiedono una semplice variazione della velocità per arrivare a servomotori a controllo vettoriale. Per poter utilizzare macchine asincrone in applicazioni che richiedono valori di coppia elevati a velocità relativamente basse, oppure in applicazioni di posizionamento, di solito è richiesto il controllo vettoriale. Gli azionamenti vettoriali controllano la perpendicolarità dei vettori della tensione e della corrente di asse diretto e in quadratura sullo statore rispetto al campo magnetico indotto sul rotore. Questo tipo di algoritmo di controllo è più complesso e richiede la modellazione dei principali parametri del motore che influenzano l’allineamento di questi vettori, compresa la temperatura del rotore. Gli algoritmi di controllo delle macchine sincrone sono relativamente semplici da implementare rispetto agli algoritmi delle macchine asincrone in applicazioni che richiedono un controllo molto accurato. L’algoritmo più comunemente adottato è il metodo Foc (Field oriented control), utilizzato da oltre un quarto di secolo, che controlla le correnti di assi diretto e in quadratura rispetto ai campi magnetici del rotore. Grazie alla potenza di elaborazione attualmente disponibile, il controllo di tipo digitale è la sola strategia di controllo praticabile. Gli amplificatori lineari risultano estremamente inefficienti a causa della potenza dissipata dal controllore in condizioni diverse da quella di uscita a piena potenza, mentre la modulazione Pwm permette di ridurre la potenza dissipata a fronte di una precisione limitata.

Controllo di un motore a induzione in c.a.
Lo schema di controllo più ampiamente utilizzato nel caso di un motore a induzione in c.a., o macchina asincrona, è lo schema di controllo V/Hz. Esso non richiede un regolatore dell’anello di corrente, ma prevede solamente valori limite per la protezione del circuito. L’algoritmo di controllo incrementa la tensione di uscita e la frequenza nel momento in cui aumenta la potenza di uscita e richiede solamente la definizione di un valore di tensione massima di uscita e di una corrispondente frequenza fondamentale di uscita alla quale controllare quella frequenza: da qui il nome di controllo V/Hz. Molte applicazioni possono trarre vantaggio dalle caratteristici di soft-start (avviamento graduale) di un controllore di tipo V/Hz rispetto al semplice azionamento di un commutatore e l’applicazione di una tensione di 220 Vc.c./50 Hz al motore, operazione questa che può originare correnti di spunto di valore superiore di un fattore compreso tra 6 e 10 rispetto ai valori di funzionamento. Anche le sollecitazioni di natura meccanica possono essere di notevole entità. L’applicazione di questo tipo di controllo richiede un numero minimo di sensori.

Migliorare la precisione
Il controllo della coppia con un motore asincrono richiede il controllo vettoriale di flusso che a sua volta necessita il rilevamento della posizione del rotore. È possibile utilizzare un segnale di velocità che, una volta integrato, fornisce la posizione, anche se è necessario conoscere la posizione angolare dell’albero. Per il controllo vettoriale di flusso è necessaria la conoscenza di parametri che non possono essere misurati direttamente, come ad esempio il concatenamento del flusso magnetico all’interno del motore, che l’algoritmo è tenuto a derivare o stimare. Uno dei compiti più difficili legati a un efficiente controllo di una macchina asincrona utilizzando algoritmi di controllo vettoriale di flusso è la stima accurata dell’induttanza di magnetizzazione. L’algoritmo necessita di un modello accurato del motore per stimare in modo accurato i parametri più importanti come ad esempio la temperatura del rotore.

Controllo di motori sincroni a magneti permanenti
I motori sincroni a magneti permanenti rientrano in parecchie categorie che si differenziano in base a parametri quali prestazioni, velocità, densità di potenza e costante del motore. Le tipologie di motori più diffuse sono quelli a magneti superficiali, a magneti permanenti interni e a flusso assiale, mentre l’algoritmo più utilizzato per parecchi motori a magneti permanenti è quello di tipo Foc. Esistono parecchie similitudini tra questo algoritmo e il controllo vettoriale di flusso. L’algoritmo Foc suddivide in componenti i vettori della tensione e della corrente id e iq e chiude l’anello di controllo attorno a loro dopo averli sottoposti a opportune trasformazioni delle coordinate in modo da riferirli alla posizione angolare del rotore. I motori a magneti permanenti abbinati ad algoritmi di controllo efficaci rappresentano la migliore combinazione al momento disponibile. È facile capire la complessità degli algoritmi richiesti per l’implementazione di un algoritmo Foc relativamente a un motore Pmsm. Un sistema di controllo Foc è progettato in modo da mantenere la componente del flusso magneticoe quella della coppia ortogonali, in modo da assicurare un controllo dell’angolo ottimale e un miglior utilizzo della corrente nella generazione della coppia. Al fine di assicurare l’ortogonalità tra questi vettori, l’elaborazione dell’algoritmo deve avvenire in tempi brevi, in modo da minimizzare i ritardi imputabili appunto al processo di calcolo. In passato, l’implementazione di algoritmi Foc era possibile solo grazie a costosi Dsp di fascia alta, microprocessori programmati in linguaggio assembly o mediante logica cablata sotto forma di circuiti Asic, limitando pertanto l’uso di questa tecnica a installazioni di fascia alta ed escludendo molte applicazioni che avrebbero potuto trarre benefici dai vantaggi apportati in termini di gestione della coppia, controllo ed efficienza. L’avvento di microcontrollori che abbinano potenza di elaborazione e basso costo, Dsp economici ed Fpga ha contribuito a mutare questo scenario: in ogni caso, è stata l’introduzione di dispositivi su chip singolo che abbinano le caratteristiche di questi tre componenti a far segnare un passo in avanti di notevole portata. L’implementazione di un gran numero di strutture di controllo in HDL – da realizzare all’interno di una struttura logica programmabile – unitamente alla disponibilità di core di processori a basso costo, rappresenta un’eccellente opportunità per suddividere i processi di elaborazione in modo che questi possano essere svolti dai sottosistemi più appropriati presenti negli odierni SoC.

Correzione attiva del fattore di potenza
L’impiego congiunto di logica programmabile e processori dà la possibilità di aggiungere funzionalità che contribuiscono a migliorare l’efficienza e a aggiungere valore a un prodotto. Ad esempio, in un semplice azionamento V/Hz senza retroazione di corrente, la possibilità di effettuare un’elaborazione a 32 bit consente di implementare un front-end per la correzione attiva del fattore di potenza o Apfc (Active power factor correction) altrimenti impossibile con una Mcu a 8 bit. In alcune applicazioni si utilizza il controllo vettoriale di flusso semplicemente per migliorare il fattore di potenza e non è richiesta la retroazione mediante sensori di corrente (con il conseguente impatto economico). L’aggiunta di un front end Apfc a un controllore V/Hz potrebbe avere un impatto significativo sull’efficienza energetica grazie semplicemente al miglioramento del fattore di potenza. Quest’ultimo è il rapporto tra la potenza che viene effettivamente utilizzata per produrre lavoro nel carico (W) e la poyenza apparente rappresentata dai VA che fluiscono nel circuito. La somma vettoriale di questi due contributi è la potenza reattiva che produce il magnetismo attraverso l’induzione. Il fattore di potenza si misura mediante il rapporto W/VA*100 oppure tramite il coseno dell’angolo di fase tra W e VA. I fornitori di energia devono predisporre apposite infrastrutture per gestire i livelli di potenza reattiva nel caso peggiore, il che comporta un sovrastima della potenza reale erogata e l’applicazione di penalità tariffarie per gli utenti il cui carico è caratterizzato da un fattore di potenza inadeguato. La correzione attiva del fattore di potenza utilizza dispositivi elettronici di potenza e un controllore digitale per il condizionamento della corrente di ingresso. Lo schema più comunemente adottato prevede la presenza di un convertitore di tipo boost. Quando il segnale Pwm è nello stato di On l’induttore viene caricato, mentre nello stato di Off l’induttore si scaricherà lentamente erogando la sua energia al carico attraverso il diodo di carico. Il controllo digitale genererà forme d’onda Pwm monitorando il carico del sistema e ciò darà luogo a una tensione e una corrente fornita al carico che risultano più in fase l’una rispetto all’altra. Con la correzione attiva del fattore di potenza è possibile ottenere un fattore di potenza superiore a 0,95. Rispetto al carico computazionale richiesto da schemi di controllo quali quello a orientamento di campo, l’onere aggiuntivo della correzione del fattore di potenza non risulta di grande entità. L’anello di controllo opera in presenza di frequenze di alimentazione di 50 o 60 Hz, lente rispetto alle richieste in tempo reale del controllo motore, e le medesime risorse disponibili su silicio possono gestire la correzione attiva del fattore di potenza come funzionalità aggiuntiva. In definitiva, la convergenza di sistemi Mcu e di una struttura logica programmabile sul medesimo chip garantisce notevoli vantaggi a livello di sistema rendendo possibile l’impiego di tecniche di controllo sofisticate. Una suddivisione “intelligente” dei compiti permetterà ai progettisti di scegliere i processi da elaborare sfruttando la struttura logica programmabile: i risultati verranno successivamente trasferiti alla Mcu per ulteriori elaborazioni oppure resi disponibili in uscita.Tali tecniche forniscono un notevole valore aggiunto ai prodotti, rendendoli più efficienti in termini energetici e garantendo nel contempo una maggiore precisione per quel che concerne meccanismi di controllo e di risultati.

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