Semplificare il controllo dei motori Bldc

Dai piccoli motori per la vibrazione dei telefoni cellulari fino ai più complessi motori delle lavatrici domestiche e dei condizionatori, i motori sono ormai diffusissimi nel mondo consumer. I motori rappresentano anche una componente essenziale nel settore industriale, dove vengono usati per ventole, pompe e altre tipologie di macchinari in una larghissima varietà di applicazioni. L'energia consumata da tutti questi motori è notevole: alcuni studi hanno dimostrato che solamente in Cina i motori sono responsabili del 60-70% del consumo industriale di energia, mentre ventole e pompe assommano a quasi un quarto dell'intero consumo elettrico nazionale cinese. Altrove i numeri potrebbero non essere così elevati, ma ridurre la quantità di energia consumata dai motori nei sistemi elettronici è divenuta una priorità a livello globale. I tradizionali motori a corrente alternata diffusi da oltre un secolo sono la tipologia di motori a induzione più semplice da progettare, ma possono sprecare una quantità significativa di energia. Questo perché il loro funzionamento avviene a velocità costante senza possibilità di regolarsi autonomamente per rispondere ai cambiamenti delle condizioni di lavoro. Esistono alcuni semplici metodi per regolare la velocità di un motore Ac (pensiamo ai classici ventilatori domestici che offrono tre diverse velocità di funzionamento), ma si tratta di metodi con un ambito applicativo limitato e che possono essere difficili da integrare in sistemi più sofisticati.
Nei motori a corrente continua, invece, la velocità può variare ed essere controllata modulando la tensione per aumentarla o rallentarla a seconda delle esigenze dell'applicazione. Questo può far risparmiare parecchia energia, dato che il motore lavora tanto quanto la situazione richiede. In generale, i motori Dc sono più efficienti rispetto ai motori Ac.

I vantaggi del motori BLDc
I motori Dc possono essere progettati per funzionare con o senza spazzole. I motori Bldc (BrushLess Dc) rappresentano solitamente la scelta migliore per la maggior parte delle applicazioni: sono più affidabili, silenziosi, producono meno emissioni elettromagnetiche e sono più sicuri perché eliminano le scintille associate alla spazzola e al suo commutatore. I motori Bldc sono anche più compatti ed efficienti, e ciò significa che consumano meno energia.
La temperatura operativa di un motore Bldc è inferiore rispetto a quella di un motore Ac dal momento che la superiore efficienza del design produce meno calore nelle parti interne. Questo accorgimento prolunga la vita utile dei cuscinetti e migliora l'affidabilità del sistema elettrico e di raffreddamento ad aria. Anche la densità di potenza di un motore Bldc è superiore rispetto a quella di un motore Ac. A parità di potenza in uscita, il volume e il peso del motore Dc sono inferiori rispetto a quelli di un motore Ac: ciò rende i motori Bldc più semplici e meno costosi da trasportare e installare. Il rovescio della medaglia dei motori Bldc è tuttavia la necessità di una parte elettronica più complessa per la gestione del motore stesso. Il controllo del motore non sempre costituisce un'area seguita con attenzione dai progettisti elettrici, e molti sviluppatori non possiedono l'esperienza o le competenze adatte per disegnare facilmente la circuiteria di controllo necessaria. Il tempo e il know-how supplementari richiesti per supportare un motore Bldc possono portare a cicli di sviluppo più lunghi e a costi di sistema più elevati, e questo può rendere più difficile per i fabbricanti abbandonare i motori Ac cui sono ormai abituati. Per un crescente numero di fabbricanti, tuttavia, la superiore complessità legata all'impiego di un motore Bldc è più che compensata dalla sempre maggiore richiesta di prodotti capaci di risparmiare sui consumi di corrente. Da una recente indagine risulta che il 40% dei condizionatori cinesi adotta un motore Bldc a controllo di frequenza variabile: si tratta di una tendenza che sembra aver preso piede, aiutata anche dalla disponibilità di circuiti dedicati appositamente progettati per il controllo di motori Bldc.

Azionamenti Foc sensorless
per funzionalità Bldc avanzate

Il modo tradizionale di controllare un motore Bldc utilizza un processo in sei passi per azionare lo statore e quindi generare ondulazione sulla coppia prodotta. La cosiddetta "onda quadra a 6 passi" utilizza sensori a effetto Hall per rilevare la posizione del magnete permanente nel motore Bldc. Tale processo è relativamente diretto, ma può essere suscettibile di produrre rumore acustico e non è sufficientemente reattivo per applicazioni più avanzate che devono variare rapidamente la velocità del motore a fronte dei cambiamenti di condizione operativa. Nel caso di una lavatrice, ad esempio, il carico cambia a seconda del ciclo di lavaggio selezionato, e quindi varia ancora nel corso del ciclo stesso. Questo caso diventa ancora più estremo nelle lavatrici a carica frontale, dove la gravità agisce contro il motore quando i panni si spostano verso la parte superiore del tamburo. In queste situazioni occorre un algoritmo maggiormente avanzato. L'azionamento Foc (Field oriented control) garantisce i tempi di risposta necessari per rapidi cambi di velocità ed è diventato il metodo di controllo più diffuso nei moderni elettrodomestici a risparmio di energia. Esistono modalità diverse per implementare la tecnica Foc. Una soluzione è quella di usare sensori (un metodo simile al processo dell'onda quadra a 6 passi), ma i sensori possono essere difficili da montare e mantenere, specialmente se l'applicazione prevede un cablaggio complesso o se il motore risulta esposto all'acqua. Il modo più semplice ed economico per implementare il controllo Foc è quello di eliminare i sensori. L'azionamento Foc di tipo sensorless si basa su un campo magnetico rotante costante prodotto da un magnete permanente situato sul rotore, ed è un metodo di controllo altamente efficiente. Il controllo field-oriented lascia che il motore funzioni sull'intera scala di velocità, permette di generare la coppia massima a velocità zero, ed è in grado di eseguire accelerazioni e decelerazioni rapide. I numerosi vantaggi di questa soluzione ne hanno decretato il successo nelle applicazioni con minori richieste di performance per via delle dimensioni compatte del motore, dei suoi bassi costi e dei suoi consumi limitati. Ciononostante l'implementazione del controllo Foc sensorless richiede algoritmi matematici avanzati che non fanno parte del bagaglio standard del progettista medio. In passato i designer intenzionati a implementare questa tecnica hanno dovuto appoggiarsi a complessi chip Dsp. L'integrato FCM8531 di Fairchild mette a disposizione una soluzione dedicata che semplifica significativamente lo sviluppo di un'applicazione Foc sensorless.

Una soluzione dedicata
Per i sistemi che adottano il controllo field-oriented (Foc) sensorless, Fairchild propone l'unità FCM8531, un dispositivo di controllo application-specific dotato di processori paralleli. Il dispositivo FCM8531 è composto da un processore Amc (Advanced Motor Controller) e da una Mcu a 8 bit compatibile 80C51. L'Amc è un processore appositamente progettato per il controllo dei motori; integra un core di elaborazione configurabile e circuiti periferici per implementare il controllo field-oriented senza bisogno di sensori. Il controllo di sistema, l'interfaccia utente, l'interfaccia di comunicazione e l'interfaccia di input/output possono essere programmati attraverso l'80C51 interno secondo le diverse applicazioni desiderate. Il vantaggio dei processori paralleli del dispositivo FCM8531 è che possono funzionare indipendentemente complementandosi reciprocamente. L'Amc processa i task dedicati al controllo del motore, come gli algoritmi di controllo motore, i controlli Pwm, il rilevamento di corrente, la protezione in tempo reale da sovracorrenti e il calcolo dell'angolo motore. La Mcu interna fornisce invece i comandi per il controllo motore all'Amc attraverso una interfaccia di comunicazione. Questo approccio riduce il lavoro di stesura del software e semplifica il programma di controllo dal momento che i complessi algoritmi per il controllo del motore vengono eseguiti nell'Amc. Fairchild fornisce un kit di programmazione e un Ide Mcds (Motor Control Development System) che permettono di sviluppare software, compilare programmi ed eseguire il debugging on-line. Attingendo a una libreria di parametri, il progettista può compilare rapidamente le funzioni per il controllo di processo e i protocolli di comunicazione per ottenere risultati precedentemente raggiungibili solo con un Dsp di alto livello.

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