I motori preferiti dagli elettrodomestici

ELETTRODOMESTICI –

Il motore brushless in corrente continua con controllo ad orientamento di campo sta diventando la soluzione preferita nelle nuove apparecchiature ad elevato risparmio energetico. È necessario però un approccio intelligente alla progettazione degli azionamenti.

I motori brushless in corrente continua o Bldc (BrushLess Direct Current) migliorano l'efficienza e le prestazioni delle apparecchiature elettriche sia domestiche che industriali. Le aziende che producono semiconduttori e azionamenti hanno accumulato un importante bagaglio di proprietà intellettuale riguardante i metodi di controllo ad orientamento di campo o Foc (Field-Oriented Control) per motori Bldc, ma per progettare gli azionamenti del futuro occorre una piattaforma di sviluppo versatile che permetta agli odierni azionamenti, con algoritmi di controllo vettoriale, di combinarsi con sistemi proprietari innovativi in grado di offrire vantaggi in termini di prestazioni, costi e tempi di commercializzazione.

Elettrodomestici più efficienti
Progettisti di apparecchiature diverse, da ventilatori, pompe e compressori industriali a frigoriferi e lavatrici per la casa, stanno indirizzando le proprie scelte verso i motori brushless in corrente continua. Rispetto ai tradizionali motori a induzione in corrente alternata, i motori Bldc offrono tutta una serie di vantaggi, come una migliore efficienza energetica e una coppia costante su un ampio intervallo di velocità. Ciò consente di progettare apparecchiature elettrodomestici più silenziosi che consumano meno potenza, offrono maggiori prestazioni, nuove funzioni e nuove modalità operative. Inoltre, generalmente, i motori Bldc hanno il vantaggio di avere dimensioni ridotte a parità di potenza nominale e, grazie a una diffusione sempre crescente e alle economie di scala che ne derivano, i motori Bldc sono oggi disponibili a prezzi competitivi.
Rispetto al motore in corrente continua dotati di spazzole, il motore brushless genera meno rumore elettrico e meno rumore acustico e richiede anche meno manutenzione; si tratta di un vantaggio che può rivelarsi molto importante in tutti i casi in cui risulterebbe problematico o costoso accedere al motore per controllare o sostituire le spazzole.

Gli azionamenti elettronici
La commutazione elettronica di un motore brushless avviene eccitando in sequenza gli avvolgimenti di statore secondo la posizione del rotore. L'elettronica che gestisce questo processo può anche controllare la velocità e la coppia del motore manipolando le forme d'onda di tensione e di corrente applicate. I progettisti possono utilizzare dispositivi ad effetto Hall per rilevare la posizione del rotore, o possono optare per un approccio sensorless (senza sensori) che calcoli la posizione del rotore sulla base della misura della forza contro-elettromotrice. Il controllo sensorless permette di risparmiare sui sensori Hall e sui relativi collegamenti e può anche migliorare l'affidabilità del sistema, visto che occorre un minor numero di componenti. In un motore Bldc, la velocità del rotore dipende dal valore della tensione applicata. È quindi possibile variare la velocità cambiando il valor medio della tensione tramite modulazione di larghezza di impulso. La coppia massima dipende da parametri fissi del motore, come le dimensioni del rotore e il numero di avvolgimenti di statore, ma anche dalla corrente che circola nello statore stesso. Poiché la potenza assorbita dal motore è il prodotto della tensione per la corrente, il motore consuma meno potenza alle basse velocità, ma può comunque continuare a fornire la coppia nominale fino alla velocità nominale. Per ottimizzare la coppia, il campo di statore deve essere in quadratura con il campo di rotore. Il controller del motore deve quindi generare le corrette forme d'onda di statore in relazione alla posizione del rotore. Questo è più difficile da ottenere a velocità elevate, dal momento che un ritardo qualsiasi nella forma d'onda produce una componente di campo che agisce direttamente sul rotore. Questa componente “diretta” riduce la coppia massima che può essere prodotta dal motore, consuma i cuscinetti del rotore e aumenta il rumore acustico. Il controllo vettoriale, o controllo ad orientamento di campo, sta crescendo di popolarità come metodo per generare in tempo reale le forme d'onda di statore desiderate al fine di ottenere la migliore curva di coppia possibile su un ampio intervallo di velocità. Il metodo Foc elimina di fatto i limiti di banda delle tradizionali tecniche di controllo sinusoidale, trasformando le correnti di statore rilevate in un vettore in fase e in un vettore in quadratura rispetto al rotore, e poi confrontando il vettore in fase con lo zero. I risultati vengono quindi ritrasformati nel dominio dello statore per generare gli impulsi di controllo Pwm richiesti. Da quando il controllo ad orientamento di campo è stato proposto per la prima volta sul mercato come tecnica di controllo motori, progettisti di azionamenti, produttori di processori di controllo motori e sviluppatori di terze parti hanno accumulato un’ingente quantità di proprietà intellettuale sotto forma di algoritmi software, hardware e firmware. Oggi i progettisti di sistemi di controllo e di azionamento possono optare per diverse alternative Bldc a velocità variabile utilizzando tecniche Foc. Gli sviluppi futuri dipenderanno da quanto si vorrà investire nei sistemi Foc proprietari e dall'impiego delle nuove tecnologie al fine di aumentare efficienza e prestazioni, riducendo costi e tempi di commercializzazione.

Migrazione all’hardware
Le attività finalizzate ad aumentare prestazioni ed efficienza energetica hanno modificato l'approccio alla progettazione degli azionamenti, passando da un controllo Foc effettuato completamente a livello software (un metodo che consuma preziosi cicli di Cpu e richiede frequenze di lavoro relativamente alte) a un controllo di tipo hardware. In questo modo, si eliminano gli aspetti più onerosi del Foc dal punto di vista computazionale e si lascia libera la Cpu di svolgere le sole funzioni legate all'applicazione, come la manipolazione dei segnali di posizionamento del rotore e la generazione dei comandi di velocità. Tutto ciò offre agli sviluppatori l'opportunità di ridurre la frequenza operativa del nucleo di elaborazione principale, al fine di migliorare l'efficienza energetica e la gestione termica, nonché la possibilità di usare il microcontrollore per compiti applicativi supplementari, come i controlli dell'interfaccia utente. Ma gli sviluppatori che hanno già i propri algoritmi di controllo Foc potrebbero decidere, per svariate ragioni, di continuare ad utilizzare le rispettive proprietà intellettuali. La nuova generazione di processori ad alte prestazioni, come l'Arm Cortex-M3 a 32 bit, offre ai progettisti una piattaforma economica per realizzare un controllo Foc interamente di tipo software. I microcontrollori per motori, come i dispositivi della serie TMPM37x di Toshiba, offrono prestazioni Foc accettabili per molte apparecchiature domestiche e industriali quando utilizzati a una frequenza del nucleo di 80 MHz.

L’approccio firmware
In effetti, la particolare architettura dei microcontrollori TMPM37x consente agli sviluppatori di scegliere se usare i propri sistemi o sfruttare l'accelerazione hardware dei blocchi funzionali sviluppati Toshiba. Questa flessibilità si deve all'impiego di due blocchi funzionali proprietari separati per controllare un motore Bldc trifase: un azionamento programmabile (Pmd) e un motore vettoriale (Ve). L'approccio firmware di Toshiba a questi due blocchi permette agli sviluppatori di utilizzare i propri sistemi di controllo quando lo desiderano, senza spese inutili dovute a parti hardware inutilizzate del microcontrollore. Il blocco Pmd del TMPM37x realizza un generatore Pwm trifase, un controller del tempo morto, un circuito di protezione e una rete di temporizzazione dell'Adc. Gli sviluppatori sono liberi di combinare le funzioni del blocco Pmd con qualsiasi sistema proprietario di controllo motore, se lo desiderano. In alternativa, il motore vettoriale Toshiba opera in combinazione con le funzioni Pmd, agendo come coprocessore per alleggerire la Cpu principale. Nel Ve, uno schedulatore di eventi con controllo delle priorità, un nucleo di calcolo con decoder, un'unità operativa, un'unità di moltiplicazione-accumulazione e dei moduli di controllo vettoriale gestiscono l'elaborazione dei segnali trifase provenienti dall'Adc della Mcu ed eseguono l'algoritmo Foc. Quando il Pmd e il Ve vengono utilizzati insieme, bastano solo alcune semplici impostazioni del registro per gestire tutte le funzioni di controllo del motore, tra cui la generazione delle forme d'onda trifase Pwm alla risoluzione di 16 bit, il controllo della velocità e la stima della posizione. Rispetto al tipico Foc di tipo software (che richiede alla Cpu di generare dati in ciascun periodo del segnale Pwm), questo approccio riduce il carico sul processore rendendo sufficiente un calcolo ad ogni nuova posizione del rotore, ossia, solo a intervalli di 60°. Il microcontrollore TMPM37x contiene inoltre un Adc a 12 bit, per una conversione ad alta velocità sincronizzata al segnale Pwm, e un comparatore integrato, per rilevare condizioni di arresto di emergenza.

Per una veloce progettazione
Per agevolare e sveltire il progetto di azionamenti elettrici con i dispositivi TMPM37x, lo starter kit TMPM370STK di Toshiba fornisce una scheda elettronica dotata del microcontrollore TMPM374. La scheda trasferisce segnali Pwm e altri segnali di controllo a un connettore terminale, consentendo di collegare una scheda di potenza separata. Ciò permette agli sviluppatori di utilizzare eventualmente il proprio stadio di potenza. Come parte del kit, sono anche disponibili un circuito di potenza Toshiba e un motore Bldc trifase da 18 V. La scheda del microcontrollore fornisce un collegamento Usb al Pc host e può essere utilizzata in uno dei validi ambienti di sviluppo integrati come Keil MDK con μVision Ide/Debugger, IAR Kickstart Edition oppure Atollic TrueStudio Lite. Inclusa nello starter kit TMPM37x vi è un'applicazione basata su Pc con interfaccia grafica per il controllo del motore. Questa interfaccia offre uno strumento intuitivo per configurare i parametri del motore, regolare le impostazioni di velocità e monitorare lo stato in tempo reale tramite un display grafico che visualizza la velocità finale, la velocità attuale e la coppia. L'applicazione comprende inoltre un oscilloscopio a memoria digitale con impostazioni di trigger avanzate. Il kit può essere utilizzato insieme ad altre risorse online, tra cui una guida descrittiva di primo utilizzo che definisce le impostazioni hardware e software, le applicazioni e i codici campione, e istruzioni applicative su argomenti come il collegamento dei sensori Hall. Sono anche disponibili gli schemi di sistemi come la scheda Cpu e il modulo di potenza, agevolando e semplificando ulteriormente il processo di realizzazione del prodotto.

Pubblica i tuoi commenti