Migliorare l'efficienza energetica degli elettrodomestici e ridurre il rumore udibile sono le principali priorità per gran parte dei produttori di elettrodomestici. Spesso, l'esigenza di efficienza è determinata da normative stringenti dei governi, oltre che dai consumatori che sono disposti a pagare di più per avere macchine più ecologiche. La sfida per i produttori di apparecchiature consiste nel trovare un modo per aumentare l'efficienza e per ridurre il rumore udibile senza impattare in modo significativo sui costi complessivi a livello di sistema. Le tecniche avanzate di controllo dei motori, come il Foc (Field-Oriented Control) o controllo vettoriale, possono aiutare ad ottenere questi obiettivi.
Il controllo delle lavatrici
In una tipica lavatrice, il motore è il principale responsabile per i consumi, dato che è responsabile per l'85% dei consumi totali; di conseguenza, qualsiasi miglioramento introdotto sul controllo del motore Pmsm comporterà risparmi considerevoli in termini di energia e di costi. Gran parte delle lavatrici sono basate su un'unità a cassa con un motore Bldc o Pmsm, una scheda per il controllo del motore, e una scheda per l'interfaccia utente con un tastierino e un'unità display. I comandi per controllare il carico di lavaggio, la velocità di risciacquo e altre azioni, sono inviati dalla scheda dell'interfaccia utente alla scheda per il controllo dei motori attraverso una connessione seriale, di tipo Uart, Spi o basata su protocolli seriali proprietari. La scheda per il controllo dei motori in seguito apporta le correzioni più importanti alla velocità e alla coppia del motore.
Il controllo efficiente del motore costituisce quindi un aspetto chiave nel rendere gli elettrodomestici più efficienti dal punto di vista energetico.
I Dsc prendono il controllo
In precedenza, solo alcune soluzioni hardware custom e alcune tecniche di controllo erano applicabili agli elettrodomestici, ma lo sviluppo dei Dsc (Digital Signal Controller) e degli interruttori di potenza hanno reso i controlli a velocità variabile un'alternativa fattibile. In particolare, l'ultima generazione di Dsc dsPIC offre periferiche che sono ottimizzate per le applicazioni di controllo dei motori, consentendo ai sistemi di ottenere risparmi significativi nei consumi energetici e nei costi. Queste periferiche specializzate includono la modulazione MCPwm (Motor-Control Pulse-Width modulation), un convertitore analogico-digitale ad alta velocità, e una memoria di programma Flash scalabile. L'unità Dsp del dsPIC supporta anche le operazioni matematiche veloci che sono essenziali per eseguire anelli di controllo ad alta intensità di calcolo. I Dsc dsPIC possono essere usati come controllore di segnale sulla scheda per il controllo dei motori, mentre l'interfaccia utente può essere gestita da un microcontrollore a 8 bit, come quelli delle famiglie PIC16 o PIC18 di Microchip. L'algoritmo Foc può essere realizzato per un motore Acim (ad induzione AC trifase), per un motore Bldc (DC Brushless trifase) o per un motore Pmsm (sincrono a magneti permanenti). La struttura dei motori Pmsm li rende intrinsecamente più efficienti rispetto agli Acim. L'esempio seguente, quindi, illustra come sia possibile mettere a punto l'algoritmo Foc sensorless per un motore Pmsm in una lavatrice. Ma perché si usa un algoritmo Foc? Il controllo tradizionale Bldc fa uso di un metodo a sei fasi per pilotare lo statore, generando oscillazioni sulla coppia. Con un controllo a sei fasi o trapezoidale, un paio di avvolgimenti sono alimentati fino a quando il rotore non raggiunge la posizione successiva; in seguito il motore è commutato verso la fase successiva. Vengono usati dei sensori a effetto Hall per determinare la posizione del rotore per commutare elettronicamente il motore. La risposta dinamica del controllo a sei fasi non è adatta per pilotare una lavatrice, dal momento che il carico cambia dinamicamente all'interno di un ciclo di lavaggio, e varia con diversi carichi e cicli di lavaggio. Inoltre, in una lavatrice con carico frontale, la forza gravitazionale agisce in senso opposto rispetto al carico del motore quando il carico si trova sul lato superiore del cestello. Solo gli algoritmi avanzati, come quello Foc, possono gestire queste variazioni dinamiche del carico.
La teoria del controllo Foc
L'algoritmo Foc genera una tensione trifase sotto forma di vettore per controllare la corrente trifase allo statore. Trasformando la corrente fisica in un vettore rotazionale usando le trasformate di Clarke e di Park, i componenti della coppia e del flusso diventano invariati nel tempo, consentendo il controllo con tecniche convenzionali come i controllori Proporzionali e Integrali (PI) usati con i motori DC. I motori DC a spazzole sono realizzati di modo che il flusso allo statore e al rotore siano mantenuti a 90 gradi l'uno dall'altro, generando di conseguenza la coppia massima possibile dal motore. Usando la tecnica Foc, le correnti del motore sono trasformate in vettori a due assi confrontabili con quelli di un motore DC. Il processo inizia misurando le correnti del motore trifase. In pratica, dal momento che la somma dei tre valori istantanei di corrente sarà nulla, solo due delle tre correnti necessitano di essere misurate e il valore della terza corrente è calcolato a partire dalle misure risultanti. Questo fornisce una riduzione immediata nei costi per l'hardware perché sono richiesti solo due sensori di corrente.
La trasformata di Clarke
La prima trasformata ad essere realizzata è la trasformata di Clarke. Questa muove un sistema di coordinate a tre assi bidimensionale riferito allo statore, su un sistema a due assi basato sullo stesso riferimento. A questo punto, il fasore della corrente allo statore può essere rappresentato su un sistema ortogonale a due assi con l'asse chiamato _-_. La fase successiva consiste nel trasformare verso un altro sistema a due assi detto asse d-q che ruota con il flusso del rotore. Questo è compiuto ad opera della trasformata di Park. Quando una corrente sinusoidale in ingresso è applicata allo statore, essa genera un flusso magnetico rotante. La velocità del rotore è legata direttamente al vettore di flusso di rotazione. Quest'ultimo deve essere mantenuto allineato con i poli magnetici del rotore in ogni istante, di modo che il motore possa produrre la coppia massima.
L'intero processo, incluse le trasformazioni di coordinate, l'iterazione PI, la nuova trasformata e la generazione del Pwm, che descrive anche le funzioni richieste per il controllo Foc. I segnali di errore sono generati usando Id, Iq e i valori di riferimento per ciascuno di essi. La corrente Id di riferimento controlla il flusso di magnetizzazione al rotore.
è importante ricordare che Id e Iq (che rappresentano la coppia e il flusso) sono solo invariati nel tempo in condizioni stazionarie di carico. Il riferimento Iq controlla l'uscita della coppia del motore, mentre le uscite del controllore PI forniscono Vd e Vq, che rappresentano il vettore di tensione il quale è inviato al motore. Un nuovo angolo della trasformata viene stimato in base alle tensioni generate dalla trasformata di Park inversa, mentre le correnti sono generate dalla trasformata di Park. L'algoritmo Foc usa un nuovo angolo per posizionare il vettore di tensione successivo. I valori delle uscite Vd e Vq dai controllori Pi sono ruotati verso l'ambiente di riferimento stazionario, usando il nuovo angolo. Questo calcolo fornisce i valori di tensione di quadratura, v_ e v_. Successivamente, i valori v_ e v_ sono trasformati nuovamente nei valori trifase: va, vb e vc. I valori delle tensioni trifase sono usati per calcolare i nuovi valori del duty cycle Pwm che genera il vettore di tensione richiesto. Nel metodo basato sull'algoritmo Foc, i segnali Pwm trifase separati sono modulati con la forma d'onda a seno, usando la modulazione dello spazio dei vettori o Svm (Space Vector Modulation), ed è applicata agli avvolgimenti trifase del motore. I resistori di shunt sono usati per monitorare la corrente in ciascun avvolgimento e per confrontarla ad un modello elettrico che è basato sulle caratteristiche del motore. Queste caratteristiche sono generalmente fornite dal produttore dei motori, sebbene esse possano essere misurate usando i valori di induttanza e di resistenza degli avvolgimenti. Il calcolo per determinare la posizione del rotore è effettuato misurando indirettamente la forza controelettromotrice, in base al modello del motore. La forza controelettromotrice è estratta dal modello del motore ricavando le correnti stimate di modo che eguaglino la corrente misurata. L'approccio Foc fornisce molti vantaggi alla gestione della potenza nel motore Pmsm. Ad esempio, il Foc migliora la risposta dinamica dei motori Pmsm, a giovamento di elettrodomestici come le lavatrici, che devono rispondere rapidamente alle variazioni di velocità che implicano i processi sia di agitazione sia di rotazione. Il Foc rende possibile questo consentendo di produrre la coppia ottimale, usando meno corrente, controllando l'ampiezza e la fase delle correnti e mantenendo i campi magnetici dello statore e del rotore a 90 gradi. Inoltre, dal momento che il Foc consente di controllare le correnti del motore ad ogni ciclo Pwm, la corrente è intrinsecamente limitata.
Il controllo dei motori diventa semplice
con i Dsc dsPIC
I Dsc come quelli della famiglia dsPIC di Microchip costituiscono la soluzione naturale per il controllo Foc sensorless del motore Pmsm. L'Adc veloce e flessibile integrato nei dsPIC supporta la misura della corrente ed offre opzioni utili di triggering. Ad esempio, la conversione Adc prodotta dal modulo Pwm attiva un circuito economico per la misura della corrente misurando gli ingressi a tempi specifici, dove i transistor di commutazione consentono alla corrente di fluire attraverso i resistori di misura. L'Adc del dsPIC possiede la capacità critica di catturare più segnali simultaneamente, il che aiuta ad eliminare il ritardo nelle misure della corrente sul motore fra i due campioni di fase. In base all'algoritmo Foc, l'algoritmo di controllo del Dsc determina il duty cycle del Pwm e lo schema dell'uscita. Le caratteristiche più importanti del Pwm sono canali complementari con tempi morti programmabili. I Pwm possono essere edge-aligned o centre-aligned; questi ultimi offrono il vantaggio di ridurre la quantità di rumore elettromagnetico. Tutti i dispositivi della famiglia di Dsc dsPIC forniscono interfacce per la diagnostica e la gestione guasti che includono le linee in ingresso con la capacità di arrestare i moduli Pwm in caso di guasti catastrofici. Potrebbe, ad esempio, impedire al motore di ruotare se la centrifuga di una lavatrice si blocca nel caso in cui un panno rimanga attorcigliato nel cestello. Questo bloccaggio può essere rilevato sotto forma di sovracorrente all'interno del sistema di controllo dei motori e un pin guasto può essere usato per determinare una risposta per arrestare il motore. Utilizzando le funzionalità diagnostiche, i guasti possono essere registrati, visualizzati o trasferiti ad un Pc per un'ulteriore ricerca guasti che potrebbe aiutare a prevenire problemi hardware e a ridurre il tempo di fermo del prodotto.
Un progetto Foc sensorless
L'alimentazione variabile è prodotta convertendo l'alimentazione AC in continua usando un rettificatore a ponte di diodi a singola fase e filtrando il ripple di tensione per mezzo di un banco di condensatori. Questa tensione DC è convertita in una tensione variabile con frequenza variabile, per alimentare gli ingressi principali del motore. Usando una tecnica Pwm, il bus DC è modulato verso la tensione sinusoidale in uscita a partire dal ponte dell'inverter.
Un ponte di rettificazione nella sezione di ingresso di un convertitore converte la tensione AC dall'alimentazione dalla presa a muro in una tensione DC. In relazione all'elettrodomestico, potrebbe anche esserci un blocco di soppressione delle Emi. Normalmente, viene usato un resistore Ntc (Negative Temperature Coefficient) per proteggere contro le correnti di picco, mentre gli impulsi ad alta tensione sono soppressi usando un varistore ad ossido metallico. Al lato dell'uscita del ponte di diodi, un banco di condensatori filtra il ripple in continua. Anche la sezione di conversione in ingresso presenta un blocco attivo per la correzione del fattore di potenza che aiuta a rispettare le normative europee per l'energia. Questo blocco Pfc (Power Factor Correction) attivo comprende un induttore, un interruttore di potenza ed un diodo. Gli Adc del Dsc sono usati per misurare i valori di corrente e di tensione dal bus DC e, in base a questi ingressi, il Dsc controlla l'alimentatore di potenza usando un modulo Pwm. Questo è ottenuto eseguendo un anello Pid all'interno del Dsc per mantenere il valore PF prossimo all'unità. All'interno della sezione inverter in uscita, un inverter alimentato in tensione presenta due switch di potenza per fase con diodi di ricircolo connessi a ciascuno switch, e con gli avvolgimenti del motore connessi al centro degli interruttori. La tensione DC dal blocco di conversione all'ingresso viene sintetizzata, usando questo inverter in uscita, per ottenere una tensione variabile e un'alimentazione in frequenza per controllare il motore.
L'interfacciamento verso il Dsc
L'accesso alle periferiche on chip specializzate del Dsc consente una semplice realizzazione degli algoritmi di controllo. I canali Adc del Dsc possono essere usati per misurare la corrente del motore, la temperatura del motore e del dissipatore connesso agli interruttori di potenza. Gli ingressi e uscite (I/O) di tipo general-purpose sono usati per interfacciare gli interruttori e per i display Lcd o a Led. Alcune applicazioni potrebbero scegliere di usare un singolo dsPIC per gestire il controllo del motore ed altri controlli a livello di sistema. Le porte seriali nel dsPIC possono anche essere usate per la calibrazione a livello di sistema e per la ricerca guasti.
