Utilizzare il controllo vettoriale senza sensori con i motori BLDC e PMS per fornire un controllo preciso del movimento

La necessità di un controllo preciso del movimento sta crescendo in applicazioni di robotica, droni, dispositivi medici e sistemi industriali. I motori c.c. brushless (BLDC) e i motori sincroni a magneti permanenti (PMSM) azionati in c.a. possono fornire la precisione richiesta e soddisfano anche la necessità di un'alta efficienza in un fattore di forma compatto. Tuttavia, a differenza dei motori c.c. a spazzole e dei motori a induzione c.a., che sono facili da collegare e far funzionare, i BLDC e i PMSM sono molto più complessi.

Ad esempio, tecniche come il controllo vettoriale senza sensori (chiamato anche controllo a orientamento di campo o FOC), in particolare, offre un'eccellente efficienza insieme al vantaggio di eliminare l'hardware del sensore, riducendo così i costi e migliorando l'affidabilità. Il problema per i progettisti è che il controllo vettoriale senza sensori è complicato da implementare, quindi il suo uso può allungare i tempi di sviluppo, aggiungendo costi e possibilmente sforando le previsioni del time-to-market.

Per risolvere questo dilemma, i progettisti possono rivolgersi a piattaforme di sviluppo e schede di valutazione che hanno già il software di controllo vettoriale senza sensori, per concentrarsi sui problemi di progettazione del sistema e non impantanarsi nella codifica del software di controllo. Inoltre, questi ambienti di sviluppo includono tutto l'hardware per il controller del motore e la gestione della potenza in un sistema completo, accelerando il time-to-market.

Questo articolo descrive brevemente alcune delle esigenze per il controllo del movimento di precisione ed esamina le differenze tra motori c.c. a spazzole, a induzione c.a., BLDC e PMSM. Quindi riassume le basi del controllo vettoriale prima di introdurre diverse piattaforme e schede di valutazione di Texas Instruments, Infineon Technologies e Renesas Electronics, insieme alla guida alla progettazione che facilita lo sviluppo di sistemi di controllo del movimento di precisione.

Esempi di applicazioni di controllo del movimento di precisione

I droni sono complessi sistemi di controllo del movimento e tipicamente impiegano quattro o più motori. È necessario un controllo preciso e coordinato del movimento per permettere a un drone di librarsi, salire o scendere (Figura 1).

Figura 1: I droni usano di solito quattro o più motori, tipicamente BLDC o PMSM, a 12.000 giri al minuto o più, e sono guidati da un controller elettronico di velocità (ESC). Questo esempio mostra un modulo ESC in un drone che utilizza un motore brushless con controllo senza sensori. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

Per librarsi, la spinta netta dei rotori che fanno alzare il drone deve essere bilanciata ed esattamente uguale alla forza gravitazionale che lo tira verso il basso. Aumentando allo stesso modo la spinta (velocità) dei rotori, il drone può decollare in verticale. Al contrario, diminuendo la spinta del rotore, il drone scende. Inoltre, sono da tenere presenti l'imbardata (rotazione del drone), il beccheggio (volo avanti o indietro) e il rollio (volo a sinistra o a destra).

Il movimento preciso e ripetitivo è una delle caratteristiche di molte applicazioni robotiche. Un robot industriale multiasse stazionario deve fornire diverse quantità di forza nelle tre dimensioni per spostare oggetti di diverso peso (Figura 2). I motori all'interno del robot forniscono velocità e coppia variabili (forza di rotazione) in punti precisi, che il controller del robot usa per coordinare il movimento lungo diversi assi per una velocità e un posizionamento esatti.

Figura 2: Un robot industriale multiasse stazionario deve fornire diverse quantità di forza nelle tre dimensioni per spostare oggetti di diverso peso e coordinare le sue attività con altri robot della catena di montaggio. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

Nel caso dei robot mobili su ruote, può essere utilizzato un preciso sistema di azionamento differenziale per controllare sia la velocità che la direzione del movimento. Due motori servono per fornire il movimento lungo una o due ruote per bilanciare il carico. I due motori sono azionati a velocità diverse per ottenere la rotazione e i cambiamenti di direzione, mentre la stessa velocità per entrambi i motori si traduce in un movimento in linea retta, sia in avanti che all'indietro. Mentre i controller per motori sono più complessi rispetto a un sistema di guida convenzionale, questo approccio è più preciso, meccanicamente più semplice e quindi più affidabile.

Scelte del motore

I motori c.c. di base e i motori a induzione c.a. sono relativamente poco costosi e semplici da pilotare. Sono ampiamente utilizzati in una vasta gamma di applicazioni, dagli aspirapolvere ai macchinari industriali, alle gru e agli ascensori. Tuttavia, se sono poco costosi e facili da guidare, non possono fornire il funzionamento di precisione richiesto da applicazioni come la robotica, i droni, i dispositivi medici e le attrezzature industriali di precisione.

Un semplice motore c.c. a spazzole genera la coppia commutando meccanicamente la direzione della corrente di concerto con la rotazione usando un commutatore e una serie di spazzole. I difetti dei motori c.c. a spazzole includono la necessità di manutenzione dovuta all'usura delle spazzole e la generazione di rumore elettromeccanico. Un azionamento a modulazione della larghezza di impulso (PWM) può aiutare a controllare la velocità di rotazione, ma il controllo di precisione e l'alta efficienza sono difficili a causa della natura intrinsecamente meccanica dei motori c.c. a spazzole.

Un BLDC elimina il commutatore e le spazzole dei motori c.c. a spazzole, e a seconda di come sono avvolti gli statori, può anche essere di tipo PMSM. Le bobine dello statore sono avvolte trapezoidalmente in un motore BLDC e la forza controelettromotrice (f.c.e.m.) prodotta ha una forma d'onda trapezoidale, mentre gli statori PMSM sono avvolti sinusoidalmente e producono una f.c.e.m. sinusoidale (E_bemf) (Figura 3).

Figura 3: Un motore PMSM genera una E_bemf sinusoidale, mentre un BLDC genera un'onda E_bemf trapezoidale. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

La coppia nei motori BLDC e PMSM è una funzione della corrente e della f.c.e.m. I motori BLDC sono azionati con corrente a onda quadra, mentre i motori PMSM sono azionati con corrente sinusoidale.

Caratteristiche del motore BLDC:

• Più facile da controllare con correnti c.c. a onda quadra a sei passi
• Produce un significativo ripple di coppia
• Ha costi e prestazioni inferiori rispetto ai PMSM
• Può essere implementato con sensori a effetto Hall o con controllo senza sensori

Caratteristiche dei PMSM:

• Controllo più complesso mediante un PWM sinusoidale trifase
• Nessun ripple di coppia
• Maggiore efficienza, alta coppia e costi superiori rispetto ai BLDC
• Può essere implementato con encoder ad albero o con controllo senza sensori

Che cos'è il controllo vettoriale?

Il controllo vettoriale è un metodo di controllo dell'azionamento del motore a frequenza variabile in cui le correnti statoriche di un motore elettrico trifase sono identificate come due componenti ortogonali che possono essere visualizzate con un vettore. Una componente definisce il flusso magnetico del motore, l'altra la coppia. Al centro dell'algoritmo di controllo vettoriale ci sono due trasformazioni matematiche: la trasformazione di Clarke modifica un sistema trifase in un sistema a due coordinate, mentre la trasformazione di Park converte i vettori del sistema stazionario bifase in vettori del sistema rotante e il loro inverso.

L'uso delle trasformazioni di Clarke e Park porta le correnti statoriche controllabili nel dominio del rotore. Ciò permette a un sistema di controllo del motore di determinare le tensioni che dovrebbero essere fornite allo statore per massimizzare la coppia alle variazioni dinamiche del carico.

Il controllo di velocità e/o della posizione ad alte prestazioni richiede una conoscenza precisa e in tempo reale della posizione e della velocità dell'albero del rotore per sincronizzare gli impulsi di eccitazione di fase alla posizione del rotore. Queste informazioni sono di solito fornite da sensori come encoder assoluti e resolver magnetici montati all'albero del motore. Questi sensori hanno diversi svantaggi nel sistema: minore affidabilità, suscettibilità al rumore, costo e peso superiori e maggiore complessità. Il controllo vettoriale senza sensori elimina la necessità di sensori di velocità/posizione.

I microprocessori ad alte prestazioni e i processori di segnali digitali (DSP) permettono di incorporare la moderna ed efficiente teoria del controllo nella modellazione avanzata del sistema, garantendo una potenza ottimale e l'efficienza del controllo per qualsiasi sistema a motore in tempo reale. Ci si aspetta che, come risultato della crescente potenza di calcolo e del calo dei costi dei microprocessori e dei DSP, il controllo senza sensori sostituirà quasi universalmente il controllo vettoriale sensoriale, così come il semplice ma meno performante controllo scalare monovariabile V/f.

Comando di motori trifase PMSM e BLDC per la robotica industriale e consumer

Per aggirare la complessità del controllo vettoriale, i progettisti possono usare schede di valutazione già pronte. Ad esempio, DRV8301-69M-KIT di Texas Instruments è un modulo di valutazione basato su scheda madre DIMM100 che i progettisti possono utilizzare per sviluppare soluzioni di comando motore PMSM/BLDC trifase (Figura 4). Include il gate driver trifase DRV8301 con doppi amplificatori a shunt di corrente e un regolatore buck e una scheda microcontroller (MCU) Piccolo TMS320F28069M abilitata per InstaSPIN.

Figura 4: I progettisti possono sviluppare soluzioni di comando motore PMSM/BLDC trifase utilizzando il kit motore DRV8301-69M-KIT che comprende un DRV8301 e una scheda MCU Piccolo TMS320F28069M abilitata per InstaSPIN. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

DRV8301-69M-KIT è un kit di valutazione di controllo motori basato sulla tecnologia InstaSPIN-FOC e InstaSPIN-MOTION di Texas Instruments per la rotazione di motori trifase PMSM e BLDC. Con InstaSPIN, DRV8301-69M-KIT permette agli sviluppatori di identificare rapidamente, sintonizzare automaticamente e controllare un motore trifase, fornendo un sistema di controllo del motore stabile e funzionale "istantaneamente".

Insieme alla tecnologia InstaSPIN, DRV8301-69M-KIT fornisce una piattaforma FOC ad alte prestazioni, efficiente dal punto di vista energetico e conveniente senza sensore o con sensore encoder, che accelera lo sviluppo per un più rapido time-to-market. Le applicazioni includono motori sincroni a 60 V e 40 A per l'azionamento di pompe, cancelli, ascensori e ventilatori, così come la robotica e l'automazione industriale e consumer.

Caratteristiche hardware di DRV8301-69M-KIT:

• Una scheda base inverter trifase con interfaccia per accettare controlCARD DIMM100
• Una scheda base modulo di potenza integrato inverter trifase DRV8301 (con convertitore buck integrato da 1,5 A) che supporta fino a 60 V e 40 A continui
• Le schede TMDSCNCD28069MISO InstaSPIN-FOC e InstaSPIN-MOTION
• La capacità di funzionare con MotorWare supportato TMDXCNCD28054MISO (venduto separatamente) e TMDSCNCD28027F + emulatore esterno (venduto separatamente)

Azionamenti per motori PMSM e BLDC ad alte prestazioni e alta efficienza

EVAL-IMM101T di Infineon Technologies è uno starter kit completo che include uno Smart IPM IMM101T (modulo di potenza integrato) che fornisce una soluzione di comando motore ad alta tensione completamente integrata, chiavi in mano, che i progettisti possono utilizzare con motori PMSM/BLDC ad alte prestazioni e alta efficienza (Figura 5). EVAL-IMM101T include anche altri circuiti necessari per la valutazione immediata degli Smart IPM IMM101T, come un raddrizzatore e uno stadio di filtro EMI, nonché una sezione debugger isolata con connessione USB a un PC.

Figura 5: La scheda di valutazione IMM101T è una soluzione completa che comprende un motore di controllo del movimento (MCE 2.0), un gate driver e un inverter trifase in grado di pilotare motori PMSM e BLDC utilizzando FOC senza sensori. (Immagine per gentile concessione di Infineon Technologies)

EVAL-IMM101T è stato sviluppato per supportare i progettisti durante i primi passi nello sviluppo di applicazioni con uno Smart IPM IMM101T. La scheda di valutazione è dotata di tutti i gruppi di montaggio per il FOC senza sensori. Contiene un connettore c.a. monofase, un filtro EMI, un raddrizzatore e un'uscita trifase per collegare il motore. Lo stadio di potenza contiene anche uno shunt di sorgente per il rilevamento della corrente e un divisore di tensione per la misurazione della tensione del circuito intermedio.

IMM101T di Infineon offre diverse opzioni di configurazione di controllo per sistemi di azionamento PMSM/BLDC in un contenitore a montaggio superficiale compatto di 12 x 12 mm, minimizzando il numero di componenti esterni e l'area sulla scheda a circuiti stampati (PCB). Il contenitore ha un profilo termico ottimizzato per il funzionamento con o senza un dissipatore di calore. Il contenitore presenta una distanza di isolamento superficiale di 1,3 mm tra le piazzole ad alta tensione al suo disotto per facilitare il montaggio superficiale e aumentare la robustezza del sistema.

La serie IMM100 integra un FredFET da 500 V o un CoolMOS MOSFET da 650 V. A seconda dei MOSFET di potenza impiegati, la serie IMM100 copre applicazioni con una potenza di uscita nominale da 25 a 80 W con una tensione c.c. massima di 500 V/600 V. Nelle versioni da 600 V, la tecnologia Power MOS è classificata a 650 V, mentre il gate driver è classificato a 600 V, il che determina la massima tensione c.c. ammissibile del sistema.

Sistema di valutazione del controllo motore a 24 V

I progettisti di comandi di motori PMSM/BLDC a 24 V possono rivolgersi al sistema di valutazione RTK0EM0006S01212BJ di Renesas per microcontroller RX23T (Figura 6). I dispositivi RX23T sono microcontroller a 32 bit adatti al controllo di singoli inverter con un'unità a virgola mobile (FPU) integrata che ne permette l'uso per elaborare algoritmi complessi di controllo degli inverter. Questo aiuta a ridurre notevolmente il lavoro necessario per lo sviluppo e la manutenzione del software.

Figura 6: Il sistema di valutazione di controllo motore a 24 V di Renesas per il microcontroller RX23T include una scheda inverter per pilotare il PMSM incluso nel pacchetto di valutazione. (Immagine per gentile concessione di Renesas Electronics)

Inoltre, grazie al nucleo, la corrente consumata in modalità standby del software (con mantenimento dei dati in RAM) è di soli 0,45 μA. I microcontroller RX23T funzionano nell'intervallo da 2,7 a 5,5 V e sono del tutto compatibili con la linea RX62T a livello di disposizione dei pin e di software. Il kit comprende:

• Scheda inverter 24 V
• Funzione di controllo PMSM
• Funzione di rilevamento della corrente con tre shunt
• Funzione di protezione dalle sovracorrenti
• Scheda CPU per microcontroller RX23T
• Cavo USB mini B
• PMSM

Conclusione

I motori BLDC e PMSM possono essere utilizzati per fornire soluzioni di controllo del movimento di precisione compatte e altamente efficienti. L'uso del controllo vettoriale senza sensori con i motori BLDC e PMS ha il vantaggio di eliminare l'hardware del sensore, riducendo così i costi e migliorando l'affidabilità. Tuttavia, il controllo vettoriale senza sensori in queste applicazioni può essere un processo complesso e lungo.

Come mostrato, i progettisti possono rivolgersi a piattaforme di sviluppo e schede di valutazione fornite complete del software di controllo vettoriale senza sensori. Inoltre, questi ambienti di sviluppo includono tutto l'hardware per il controller del motore e la gestione della potenza in un sistema completo, accelerando il time-to-market.

Letture consigliate

1. Il controllo di campo aumenta l'efficienza di un motore c.a.
2. Il prossimo passo evolutivo nella progettazione dei droni