Il controllo a orientamento di campo di piccoli motori c.c. fa decollare i droni

I motori c.c. brushless (BLDC) sono ampiamente utilizzati nei progetti di apparecchiature elettroniche come i dischi rigidi dei computer, le ventole di raffreddamento e i lettori DVD, sia per la loro lunga aspettativa di vita che per i loro costi relativamente contenuti, oltre che per il fatto che vengono azionati in corrente continua. In genere, velocità e coppia dei motori BLDC sono controllate da MCU basati su tecniche scalari.  

Oggi, sta emergendo una nuova tipologia di applicazioni rappresentata in particolare da droni, velivoli in genere multirotore, particolarmente popolari tra gli hobbisti. I droni stanno prendendo piede anche in numerose applicazioni commerciali, ad esempio la sorveglianza. In tali applicazioni sono particolarmente importanti la risposta dinamica del controller e la sua capacità di controllare i BLDC senza sensori e in modo stabile a bassa velocità.

Le tecniche scalari non sono sufficientemente precise per applicazioni con variazioni dinamiche del carico. La precisione può essere notevolmente migliorata utilizzando tecniche di controllo a orientamento di campo (FOC), impiegate normalmente per pilotare apparecchiature industriali sofisticate in corrente alternata. Con l'implementazione del FOC, i BLDC possono garantire un'estrema precisione di controllo dei droni e di altre applicazioni ad alte prestazioni come robot medicali, sistemi Gimbal e veicoli autonomi, a costi ragionevoli.

In passato, la progettazione di prodotti di questo genere era difficile. Per questi progetti occorre comprendere la tecnica FOC o altre tecniche sofisticate di controllo dei motori come il controllo diretto della coppia (DTC), oltre ad avere una buona conoscenza operativa di sistemi di sviluppo software. Quando un'applicazione deve anche affrontare problematiche di budget, ad esempio un drone con una videocamera per la sorveglianza destinato alle forze dell'ordine, anche le specifiche di economici motori BLDC presentano delle difficoltà.

Controllo a orientamento di campo (FOC)

La tecnica di controllo scalare convenzionale per i motori BLDC è nota come controllo trapezoidale (a sei gradini). Lo statore viene pilotato in un processo a sei gradini che genera oscillazioni nella coppia prodotta. Ogni coppia di avvolgimenti viene alimentata fino a che il rotore non raggiunge la posizione successiva. A quel punto il motore viene commutato sul gradino seguente. Per applicazioni senza sensori, la f.e.m. di ritorno generata nell'avvolgimento dello statore viene spesso utilizzata per determinare la posizione del rotore.

La risposta dinamica del controllo scalare non è in grado di gestire applicazioni in cui si verificano rapide variazioni dinamiche del carico. Di conseguenza si è venuto a diffondere maggiormente il controllo vettoriale per un'ampia gamma di applicazioni: elettrodomestici azionati da motori c.a. come le lavatrici, ma anche per dispositivi alimentati a batteria.

Per il controllo vettoriale, una delle tecniche più utilizzate è il FOC. Il funzionamento è basato sulla gestione degli avvolgimenti dello statore per mantenere ortogonale il flusso generato dai magneti permanenti del rotore rispetto al campo statorico.

Il FOC nacque per controllare motori trifase in corrente alternata. Posto che la fonte di energia per un motore BLDC di un piccolo drone è in genere una batteria a 21 V (LiPo a cinque celle), i componenti elettronici devono includere un inverter trifase a bassa tensione. Tra gli altri componenti principali troviamo un driver per motori, un MCU e, forse ancora più importante, il software per l'esecuzione degli algoritmi del FOC.

L'elaborazione del FOC viene eseguita nel dominio d-q (diretto-in quadratura), che è uno spazio di riferimento rotante. Le componenti dirette e in quadratura sono la dissociazione del vettore dello stato di concatenamento di flusso magnetico: le componenti che producono il flusso (d) e la coppia (q). Il rapporto viene illustrato graficamente nella Figura 1. La corrente negli avvolgimenti dello statore del motore viene controllata in modo tale da mantenere ortogonale (90°) il flusso generato dai magneti permanenti del rotore rispetto al campo statorico. Oltre a garantire un controllo preciso del motore, questa tecnica permette un controllo estremamente accurato della coppia, che è poi il reale vantaggio di operare nello spazio di riferimento d-q.

Figura 1: Componenti della forza diretta-in quadratura (d-q).

Il FOC implica tre trasformazioni di dominio: (1) le correnti di fase misurate nello statore vengono trasformate da uno spazio di riferimento statico a 3 fasi in un riferimento statico a 2 fasi (, ); (2) lo spazio di riferimento statico a 2 fasi viene trasformato in un sistema di riferimento a 2 fasi rotante (d-q) allineato con il flusso del rotore; (3) per pilotare effettivamente il motore, le componenti d-q vengono ritrasformate in uno spazio di riferimento statorico e utilizzate per la generazione della modulazione a larghezza di impulsi con vettore spaziale (SVPWM). Questo processo viene illustrato nella Figura 2.

Figura 2: Immagine della trasformazione del dominio richiesta per il controllo FOC.

Per allineare lo spazio di riferimento d-q al rotore sono necessarie informazioni dettagliate sulla posizione del rotore.  Le tecniche di stima della posizione del rotore sono varie, da quelle abbastanza semplici, come il rilevamento del punto di passaggio per lo zero dell'f.e.m. di ritorno, a quelle più complesse come gli osservatori dello scorrimento e i filtri di Kalman estesi.

Pilotaggio del motore

Le trasformazioni dallo spazio di riferimento a 3 fasi a quello d-q a 2 fasi risultano nelle componenti summenzionate: diretta e in quadratura. La componente diretta (d) non offre una coppia utile e in effetti tende ad aumentare l'usura dei cuscinetti del rotore. Un obiettivo è dunque quello di ridurre al minimo questa componente. La componente in quadratura (q) produce la coppia effettiva del motore ed è determinata dall'applicazione.

Le componenti d-q vengono applicate a due controller PI (Proporzionale-Integrale) con riferimento allo zero e all'impostazione di coppia dell'applicazione per produrre un'uscita vettoriale. L'uscita dei due controller PI sono le (nuove) componenti di tensione diretta e in quadratura del necessario vettore spaziale della tensione di statore. Come detto in precedenza, l'ultima fase è quella di ritrasformare le componenti d-q nello spazio di riferimento statorico per il pilotaggio effettivo del motore.

Il processo descritto è solo un riepilogo delle operazioni coinvolte nella tecnica FOC. L'implementazione richiede numerosi passaggi intermedi piuttosto sofisticati che esulano dall'ambito di questo articolo. Una trattazione più approfondita sull'argomento FOC applicato a droni di piccole dimensioni è reperibile in "High Performance Motor Control" di Patrick Fisher della Central Queensland University, Australia.¹

Tra i passaggi intermedi vale la pena menzionare i seguenti:

• Determinazione delle caratteristiche del motore (i motori BLDC raramente forniscono informazioni di targa oltre: numero di poli e portate di tensione e corrente).
• Stima della posizione del rotore (informazione fondamentale per l'implementazione del controllo FOC)
• Progettazione di uno schema di controllo della potenza idoneo
• Progettazione di controller basati su coppia e velocità

La progettazione da zero di un sistema funzionale di controllo motore basato su FOC è così scoraggiante che le aziende di semiconduttori, tra cui Texas Instruments, Atmel e NXP Semiconductors, hanno creato strumenti di sviluppo in grado di eliminare la maggior parte della complessità dalla progettazione di implementazioni più semplici del FOC. In generale, i fornitori di CI hanno anche deciso di proteggere le rispettive proprietà intellettuali memorizzando su ROM le librerie software utilizzate negli strumenti di sviluppo e rendendole disponibili solo su una selezione di MCU.

Texas Instruments, ad esempio, ha messo a disposizione la soluzione InstaSPIN-FOC in tre varianti della serie di MCU a 32 bit C2000 Piccolo: F2806x, F2805x, F2802x. Per applicazioni relative a piccoli droni, particolarmente sensibili ai costi, gli MCU più idonei sono quelli della serie F2802x tra cui il più diffuso e specifico dispositivo è TMS320F28027FPTT.

Come spiegato sopra, il controllo preciso del motore si affida alla creazione di un modello del motore accurato. InstaSPIN-FOC include un algoritmo software proprietario conosciuto come "osservatore" o "stimatore" che stima il flusso, l'angolo, la velocità e la coppia del rotore (FAST = Flux, Angle, Speed, Torque). InstaSPIN-FOC offre inoltre l'identificazione dei parametri del motore per estrarre i parametri prestazionali necessari offline durante lo sviluppo e per tenere traccia dei parametri online durante il funzionamento. 

Le informazioni sui parametri del motore sono utilizzate per regolare la larghezza di banda del controllo di corrente. Diversamente da altre tecniche, l'osservatore FAST di TI è totalmente autoregolante e non richiede messa a punto per il funzionamento. TI afferma che si tratta dell'unico FOC sul mercato senza sensori, immediatamente operativo e affidabile.

Come risultato, i progettisti possono contare su un osservatore completamente regolato e senza sensori e su un sistema di controllo della coppia FOC stabile e totalmente regolato in pochi minuti dall'inizio del progetto. In un'applicazione come il controllo di un propulsore a elica, l'unico compito lasciato al progettista è quello di testare e mettere a punto un singolo anello di controllo della velocità di un PI per le prestazioni e il funzionamento desiderati.

Una versione semplificata del sistema di azionamento base è illustrata nella Figura 3. L'uscita del controller PI di velocità viene immessa come segnale di riferimento per il controller PI di corrente.  Se la velocità è troppo bassa, la corrente del motore viene aumentata per produrre una coppia maggiore e aumentarla.  Viceversa, se il motore è troppo veloce, la coppia viene diminuita per rallentarlo. Assieme, questi due controller PI formano un anello di controllo in cascata, ovvero formano un sistema di controllo composto da un anello esterno con uno o più anelli interni. (Le variabili Kc, Kd, Ka e Kb nella figura sono coefficienti generati dal software di controllo del motore.)

Figura 3: Controller di velocità in cascata con un controller di corrente. (Per gentile concessione di Texas Instruments)

Componenti chiave

Oltre all'MCU, esistono alcuni altri componenti chiave, un inverter e un driver trifase.  Le applicazioni a bassa corrente, come quelle su droni a coppia contenuta, possono impiegare componenti della famiglia DRV83x2 di TI di driver motore integrati trifase (ad esempio, DRV8332DKDR). La serie DRV83x2 contiene circuiti di protezione avanzati progettati per facilitare l'integrazione del sistema e la facilità d'uso oltre che per salvaguardare il dispositivo da guasti permanenti dovuti a un'ampia gamma di condizioni di guasto, come cortocircuiti, sovracorrenti, sovratemperature e sottotensioni.

I sistemi con correnti maggiori che possono essere usati in applicazioni commerciali richiedono un pre-driver autonomo come DRV8301DCAR e FET individuali in una configurazione a inverter trifase. Un esempio potrebbe essere il MOSFET di potenza NexFET CSD18533Q5A.

Il software di sviluppo è fondamentale per ottenere buoni risultati con applicazioni di controllo motori basato su FOC. TI ha realizzato una suite software di sviluppo del comando di motori con il BoosterPack BOOSTXL-DRV8301. Si rivela la migliore scelta da 6 a 24 V e fino a 10 A continui. Richiede una scheda di controllo come C2000 Piccolo TMS320F28027F LaunchPad con InstaSPIN-FOC, ad esempio LAUNCHXL-F28027F. Per motori con meno di 3,5 A continui, DRV8312-69M-KIT è normalmente la scelta migliore.

L'offerta di prodotti di TI sembra essere più in sintonia con applicazioni a bassa tensione e a bassa coppia rispetto a quelle di altri fornitori, ma alcuni offrono anche kit di sviluppo per il controllo dei motori. NXP Semiconductors offre un kit di sviluppo per il controllo di motori BLDC. Il kit di controllo motori OM13068 LPC1549 LPCXpresso viene utilizzato con l'MCU LPC1549JBD48QL della stessa azienda. Questa piattaforma può essere usata per controllare motori BLDC, BLAC, passo-passo e dual-brushed in c.c.

Il progetto che usa questi componenti può essere paragonato in termini di prestazioni ai controller per motori disponibili sul mercato per motori BLDC di piccole dimensioni. La differenza più significativa tra il controller FOC personalizzato e i controller commerciali come Plush 40 sta nella capacità di commutare a bassissime velocità. Il controller FOC è in grado di controllare i quattro motori a velocità attorno a 100 giri/min. Inoltre, utilizzando l'anello di velocità di InstaSPIN, i motori sviluppano una coppia significativa anche a questi bassi regimi.

La scheda FOC personalizzata può inoltre portare il motore alla velocità massima più rapidamente dei controller commerciali. In media, il controller FOC personalizzato è il 35% più veloce nel portare un motore da zero alla velocità massima. Inoltre, la velocità a vuoto di ogni motore sotto il controllo FOC è superiore a quella di qualsiasi controller commerciale testato.¹

Conclusioni

Sta emergendo una nuova classe di applicazioni di controllo motori che richiede una risposta dinamica superiore dai motori BLDC di piccola taglia. Fra le applicazioni vi sono robot medicali, sistemi Gimbal e veicoli autonomi, oltre a piccoli droni. Anche se le tecniche di controllo di motori FOC sono usate da decenni nei motori degli elettrodomestici e industriali in corrente alternata, non erano state applicate a motori di piccola taglia alimentati da batterie, perché trattandosi di tecniche sofisticate richiedevano un MCU dalle prestazioni elevate. Negli ultimi anni, tuttavia, sono emersi prodotti nuovi grazie ai quali questa possibilità è diventata una realtà.

Per ulteriori informazioni sui componenti discussi in questo articolo, utilizzare i collegamenti forniti per l'accesso alle pagine di prodotto sul sito Digi-Key.

1. "High Performance Motor Control" tesi di Patrick Fisher della Central Queensland University, Australia.