Usare l'energia elettrica per far ruotare un asse meccanico: le prime applicazioni pratiche di questa idea risalgono alla fine dell'ottocento. Da allora ad oggi l'industria ha sviluppato una grande varietà di motori elettrici, diversi tra loro per il tipo di corrente utilizzato (continua o alternata), per i principi fisici di funzionamento e per molti altri aspetti. I motori elettrici, inoltre, hanno conquistato un'enorme varietà di settori applicativi caratterizzati da valori di potenza estremamente piccoli o estremamente grandi - dal movimento delle lenti nelle fotocamere fino alla trazione nei treni ad alta velocità. Difficile, quindi, individuare tendenze univoche in un panorama così variegato. A un livello molto generale, tuttavia, è possibile rilevare una direzione evolutiva che ci interessa direttamente: il ruolo dell'elettronica nel controllo dei motori elettrici è divenuto fondamentale. La linea di demarcazione che segna l'ingresso del silicio in questo settore può forse essere fissata intorno agli anni sessanta del secolo scorso, con la diffusione dei primi motori senza spazzole (brushless): in queste macchine, infatti, l'inversione del senso della corrente - indispensabile per far muovere il rotore - è ottenuta tramite interruttori a semiconduttore, pertanto senza l'elettronica il motore non gira. Da allora la complessità dei controlli è aumentata enormemente, al punto che oggi uno dei principali terreni di confronto tra i produttori di semiconduttori è rappresentato dall'offerta di soluzioni capaci di semplificare il lavoro dei progettisti e ridurre il tempo di sviluppo necessario per “far girare il motore”.
Gli obiettivi dell'evoluzione
Negli ultimi anni le nuove possibilità offerte dal continuo progresso dei semiconduttori sono state sfruttate nel controllo dei motori elettrici per perseguire una serie di obiettivi, tra cui:
1) l'aumento dell'efficienza energetica, cioè la percentuale di energia elettrica che viene effettivamente convertita in energia meccanica, con conseguente riduzione dei consumi;
2) la correzione del fattore di potenza, cioè (nei motori alimentati dalla rete elettrica in corrente alternata) la riduzione dello sfasamento tra corrente e tensione e della distorsione armonica;
3) il miglioramento delle prestazioni, per quanto riguarda la riduzione delle vibrazioni e del rumore acustico, la precisione del controllo di velocità o di posizionamento, la reazione alle variazioni del carico meccanico ecc.
Tutti questi obiettivi vengono perseguiti modellando opportunamente le forme d'onda delle correnti e delle tensioni fornite al motore. In effetti, oggi si può pensare a un controllo elettronico per motori elettrici come a un vero sistema di conversione, nel quale l'energia fornita dalla fonte (rete elettrica o batteria) non è che la materia prima utilizzata per scolpire - istante per istante - la forma d'onda desiderata.
Un sistema sofisticato
Un controllo per motori è però un sistema di conversione particolarmente sofisticato, perché deve essere in grado di pilotare carichi elettrici di tipo complesso, non noti a priori, e in condizioni variabili. La complessità del carico si deve al fatto che il motore elettrico effettua due conversioni energetiche: l'energia elettrica viene convertita in energia magnetica, e quest'ultima si trasforma in energia meccanica. Ciascuna delle due conversioni è influenzata da numerosi parametri, tra cui la posizione istantanea del rotore rispetto allo statore, l'inerzia delle masse ecc. Il carico elettrico del convertitore, inoltre, non è noto a priori, perché lo stesso controllo può essere utilizzato per pilotare una varietà di motori diversi. Lo stesso motore, infine, cambia il proprio comportamento a seconda della velocità di rotazione e del carico meccanico a cui è sottoposto. Per tutti questi motivi, generalmente il controllo ha la necessità di acquisire dal motore - tramite sensori oppure sulla base di calcoli - vari tipi di informazioni, sia in fase di sviluppo, sia nel corso del suo normale funzionamento. La complessità di queste funzioni è il motivo per cui il controllo dei motori, benché ricada nel campo dell'elettronica di potenza, è oggi uno dei settori applicativi più importanti per i microcontrollori e altri dispositivi digitali tra cui gli Fpga. Questi ultimi, in particolare, possono essere utilizzati per ottenere un'accelerazione hardware degli algoritmi di controllo nelle applicazioni che richiedono il determinismo dei tempi di risposta.
Una grande varietà di soluzioni
Come si è detto, esistono molte diverse tipologie di motore. Altrettanto vario è il panorama dei possibili algoritmi di controllo, che comprende controlli scalari, sinusoidali, trapezoidali, Pwm e vettoriali. Tra i controlli vettoriali, l'algoritmo più noto oggi è il Foc (Field Oriented Control), che consente di mantenere sempre la relazione angolare ottimale tra il flussi magnetici dello statore e del rotore. Per determinare i giusti valori di tensione da applicare alle diverse fasi del motore, il Foc richiede una serie di operazioni matematiche complesse, tra cui la trasformata di Clarke e la trasformata di Park. Il calcolo richiede anche di conoscere la posizione del rotore, il che imporrebbe l'uso di sensori, ma in realtà questa informazione può essere dedotta dai valori di corrente e tensione. Oltre ad aumentare l'efficienza energetica, il Foc consente di migliorare la reattività del motore ai comandi e di ridurne la rumorosità acustica. L'algoritmo Foc può essere utilizzato sia per i motori a induzione in corrente alternata, sia per i motori senza spazzole in corrente continua.
Esiste inoltre una grande varietà di configurazioni per i circuiti di potenza, incaricati di modellare l'energia fornita dalla rete elettrica o dalla batteria per creare le forme d'onda calcolate dall'algoritmo prescelto. Il controllo dei motori elettrici, pertanto, è una materia talmente vasta da rendere pressoché impossibile in questo articolo, una sintesi significativa. Ci limiteremo quindi a esaminare alcune tendenze che riguardano non tanto le prestazioni del motore in senso stretto, quanto le caratteristiche dei controlli elettronici: in particolare l'aumento del livello di integrazione e la riduzione dei tempi di sviluppo.
Maggiore livello di integrazione
L'aumento del livello di integrazione dei controlli consente ovviamente di ridurne gli ingombri. Alcuni esempi interessanti giungono da STMicroelectronics: tra essi i dispositivi PowerSpin e dSpin, che riuniscono in un unico chip in tecnologia Bcd tutte le funzioni necessarie per pilotare vari tipi di motore, compresa la parte di potenza. Sempre STMicroelectronics realizza moduli Igbt “intelligenti” che riuniscono in un unico contenitore Dbc (Direct Bonded Copper) i componenti di potenza necessari per pilotare motori Ac fino a 2 kilowatt: oltre agli Igbt, anche i diodi, i circuiti integrati di pilotaggio e varie funzioni di protezione. Questi, ovviamente, sono solo due dei tanti possibili esempi, poiché tutti i principali produttori di semiconduttori offrono una grande varietà di dispositivi specificamente rivolti al controllo dei motori elettrici, dai microcontrollori ai componenti di potenza.
Facilità di sviluppo
Un'altra tendenza interessante riguarda le soluzioni che consentono di facilitare lo sviluppo e la realizzazione dei controlli. Uno degli esempi più significativi giunge dalla società statunitense LineStream, che ha stretto una partnership con Texas Instruments. L'approccio di LineStream si basa su un'analisi delle difficoltà poste oggi dal controllo dei motori: se non si dispone dei necessari blocchi di software, sviluppare in proprio una soluzione per un singolo motore può richiedere mesi di lavoro a un esperto del settore. Le dimensioni del mercato dei semiconduttori rivolti a queste applicazioni sono quindi limitate dal numero di esperti disponibili. Più nello specifico, lo sviluppo di una soluzione di controllo comprende cinque aspetti interdipendenti:
- l'identificazione del sistema (cioè principalmente la misura della sua inerzia), che tradizionalmente richiede numerosi cicli di test sul motore e presuppone che il produttore del motore fornisca dati tecnici corretti;
- la messa a punto (tuning), che richiede ulteriori cicli di test per misurare e regolare numerosi parametri;
- la definizione del profilo di movimento, solitamente caratterizzato da curve inflessibili e da un'attività intensiva di programmazione manuale, con limitazioni per quanto riguarda i movimenti complessi;
- il collaudo e l'analisi, che soffrono della limitata possibilità di conoscere i parametri del sistema per verificarne le prestazioni ed effettuare il debugging;
- la fase del controllo, cioè del funzionamento a regime, spesso affetta da scarse prestazioni alla massima velocità o al massimo carico, con la necessità di nuove calibrazioni.
Il software di LineStream, invece, consente - secondo la società - di misurare automaticamente l'inerzia del motore, effettuare il tuning con un unico parametro, ottimizzare le curve di movimento in modo intuitivo, accedere facilmente ai dati necessari per il collaudo e l'analisi, infine ottimizzare il controllo per tutti i valori di velocità e di carico (anche grazie a una funzione di reiezione attiva dei disturbi). Come spiega Texas Instruments, nel controllo dei motori Bdlc la tecnologia LineStream determina il momento giusto per la commutazione monitorando il flusso magnetico del motore, mentre nelle soluzioni tradizionali sensorless viene monitorato l'attraversamento dello zero da parte della forza elettromotrice inversa. Il software di LineStream comprende inoltre un'interfaccia grafica che consente di visualizzare l'andamento del flusso e fissare la soglia per la commutazione, mentre la visualizzazione delle onde di tensione e corrente permette di determinare l'istante di commutazione ottimale. Secondo TI, inoltre, la tecnica basata sull'attraversamento dello zero della forza elettromotrice inversa usa informazioni passate per determinare i tempi delle commutazioni future, mentre il monitoraggio del flusso avviene in tempo reale e quindi consente una maggiore robustezza nei confronti delle perturbazioni della velocità. Infine, l'ampiezza della forza elettromotrice inversa diminuisce alle basse velocità, con un peggioramento del rapporto segnale/rumore, mentre il segnale del flusso magnetico mantiene sempre la propria ampiezza. Il monitoraggio del flusso migliora quindi la stabilità del motore alle basse velocità. Il software LineStream è basato sulle ricerche svolte da Zhiqiang Gao alla Cleveland State University.
