Guida introduttiva al controllo di motori BLDC a orientamento di campo senza sensori e Infineon

I motori elettrici sono onnipresenti: nelle nostre case, nei luoghi dove lavoriamo e nei nostri veicoli. Una tipica automobile moderna, ad esempio, contiene mediamente circa 35 motori. Sia i motori standard c.c. sia quelli c.c. brushless (BLDC) sono utilizzati per applicazioni che vanno dalle pompe del carburante al sollevamento dei finestrini (Figura 1).

Figura 1: Tipiche applicazioni dei motori c.c. e c.c. brushless (BLDC). (Immagine per gentile concessione di Infineon)

Con la crescita dei veicoli elettrici e ibridi, si prevede che il numero di motori presenti in ciascun veicolo aumenterà ulteriormente. Oltre all'utilizzo nel comparto automotive, i motori c.c. e BLDC sono largamente presenti nelle applicazioni di automazione industriale, di controllo e di robotica.

I motori BLDC sono normalmente utilizzati nelle applicazioni più impegnative a causa dei vantaggi che offrono in termini di prestazioni rispetto ai motori c.c. a spazzole. I motori BLDC offrono maggiore efficienza, durata e coppia in rapporto al peso rispetto ai motori c.c. Tra gli svantaggi dei motori BLDC vi sono il costo più alto e la necessità di circuiteria aggiuntiva per il controller.

Personalmente, di recente ho aggiornato il mio trapano a batteria e l'avvitatore a percussione passando da un motore c.c. con tecnologia con spazzole a quella brushless. Il miglioramento in termini di coppia e di durata della batteria è stato straordinario e ne è davvero valsa la pena.

Motori BLDC

I motori BLDC sono una variante dei motori c.c. standard tradizionali. La differenza fondamentale è che nei motori BLDC la commutazione deve avvenire con mezzi elettronici anziché con le spazzole meccaniche. Il rotore di un motore BLDC consiste di magneti permanenti e lo statore è avvolto con un insieme corrispondente di poli. Per mettere sotto tensione gli avvolgimenti e generare un campo rotante viene utilizzato un circuito di controllo. Il movimento e la coppia vengono generati quando i magneti del rotore cercano di allinearsi al campo dello statore in rotazione.

Controllo a orientamento di campo (FOC) senza sensori

Il controllo a orientamento di campo (FOC) senza sensori è uno dei metodi utilizzati per controllare la velocità e la coppia di un motore BLDC. Il controllo a orientamento di campo (noto anche come controllo vettoriale) è una tecnica utilizzata per generare una modulazione sinusoidale a 3 fasi che può poi essere controllata in frequenza e ampiezza. Vengono utilizzati dei calcoli per trasformare i segnali trifase in segnali bifase, più facili da controllare e implementare nel circuito di controllo del motore. Il controllo senza sensori elimina i sensori di posizione e misura invece la forza controelettromotrice (f.e.m.) per determinare la posizione del rotore.

Implementazione del FOC senza sensori in un microcontroller

L'implementazione del FOC senza sensori richiede la misurazione dei segnali e l'esecuzione di calcoli matematici. Un microcontroller dotato delle prestazioni necessarie e di una serie di periferiche è una buona soluzione per implementare questa funzionalità. TLE9879QXA40 di Infineon è un driver SoC a singolo chip per motori trifase che integra un core Arm® Cortex®-M3 (Figura 2).

Figura 2: Diagramma a blocchi dell'applicazione di TLE9879x (Immagine per gentile concessione di Infineon)

Comprende sei driver NFET completamente integrati ottimizzati per azionare un motore trifase tramite sei NFET di potenza esterni, una pompa di carica che consente il funzionamento a bassa tensione e corrente programmabile, oltre al controllo della pendenza della corrente per un comportamento EMC ottimizzato. Il suo set di periferiche include un sensore di corrente, un ADC ad approssimazioni successive sincronizzato con l'unità di acquisizione e comparazione per il controllo PWM e timer a 16 bit. Sono integrati un transceiver LIN per consentire la comunicazione con il dispositivo e una serie di I/O per uso generale. Include un regolatore di tensione lineare su chip per alimentare carichi esterni.

TLE9879QXA40 di Infineon è una buona soluzione per l'implementazione del controllo orientato sul campo di motori BLDC. Offre l'insieme di prestazioni e di funzionalità che servono a implementare il driver di un motore BLDC economico e ad elevate prestazioni in uno spazio su scheda minimo. L'approfondita nota applicativa "Controllo orientato sul campo (FOC) senza sensori con SoC di potenza embedded" spiega la teoria del FOC e le modalità di implementazione dell'algoritmo.

Come iniziare

La scheda di valutazione a basso costo BLDC_SHIELD_TLE9879di Infineon è un buon modo per iniziare a sperimentare il FOC senza sensori. È basata su TLE9879QXA40 e progettata per pilotare motori BLDC in associazione con una scheda base compatibile con Arduino. Con l'aggiunta di una Arduino Uno e di un motore BLDC compatibile, potrete avviare il motore in meno di un'ora (Figura 3).

Figura 3: BLDC_SHIELD_TLE9879 montata su una scheda base Arduino Uno. (Immagine per gentile concessione di Infineon)

Gli schemi elettrici, la libreria Arduino e la documentazione completa per BLDC_SHIELD_TLE9879 sono disponibili all'indirizzo https://github.com/Infineon/TLE9879-BLDC-Shield. Mentre studiavo per scrivere questo blog ho dedicato un po' di tempo a lavorare con la scheda Uno e lo shield per acquisire familiarità con il pilotaggio di un motore BLDC. I passaggi per la configurazione, il codice di prova e i riferimenti bibliografici sono riportati nel mio progetto Pilotaggio di un motore BLDC con la shield per driver di motori trifase TLE9879Qx di Infineon pubblicato sul TechForum di DigiKey.

Lo sviluppo di applicazioni

Infineon mette a disposizione risorse aggiuntive per coloro che sono interessati ad approfondire la progettazione e lo sviluppo basati su TLE9879Qx. Per iniziare, il codice sorgente per il firmware che viene scritto sullo shield del BLDC è disponibile sotto forma di file di progetto Keil uVision. I file di progetto sono inclusi nel software, scaricare "BLDC Shield for Arduino with TLE9879QXA40" al link BLDC_SHIELD_TLE9879 di Infineon sulla pagina del progetto dello shield. Oltre allo shield BLDC, DigiKey mette a disposizione il progetto di riferimento per la pompa REF_WATERPUMP100W e per la ventola REF_ENGCOOLFAN1KW.

Conclusione

La scheda di valutazione BLDC_SHIELD_TLE9879 di Infineon è uno strumento veloce ed economico per iniziare a usare il FOC senza sensori per il pilotaggio di motori BLDC. La scheda rappresenta anche una valida risorsa per utenti più avanzati, interessati alla valutazione di TLE9879QXA40 e che iniziano con il codice sorgente fornito.

Riferimenti esterni

1 – Infineon. "Motor Handbook"

https://www.infineon.com/dgdl/Infineon-motorcontrol_handbook-AdditionalTechnicalInformation-v01_00-EN.pdf