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Drive PMSM Sensorless per pompe di lavastoviglie utilizzando il dispositivo Freescale MC56F8006 1/2

Drive PMSM Sensorless per pompe di lavastoviglie utilizzando il dispositivo Freescale MC56F8006

Questo articolo descrive un sistema di controllo a basso costo per la pompa della lavastoviglie. Questo nuovo tipo di pompa per lavastoviglie usa un motore magnetico a 3 fasi, il cosiddetto Permanent Magnet Synchronous Motor (PMSM), che consente di ottenere un funzionamento più efficiente ed affidabile rispetto alle soluzioni esistenti sul mercato.

Il PMSM richiede però componenti hardware e software più complessi rispetto al tradizionale motore AC per pompe. Per minimizzare pertanto il costo totale del sistema, è fondamentale quindi progettare il drive in modo che sia il più economico possibile. Il dispositivo Freescale MC56F8006 è un dispositivo a costo estremamente basso ed è la soluzione ideale per permettere ai progettisti di costruire un drive per pompe per lavastoviglie basato su un algoritmo sensorless che elimina pertanto l'utilizzo di un sensore di posizione relativamente costoso. Più precisamente, questo articolo descrive un drive PMSM che utilizza un osservatore EMF progettato per il motore della lavastoviglie.

Parole chiave: Pompa della lavastoviglie, PMSM, controlli di campo, osservatore EMF, Freescale DSC (Digital Signal Controller), stima della posizione del rotore.

L'innovazione tecnologica si sta estendendo anche alla progettazione dei moderni elettrodomestici di casa, per far sì che diventino energicamente più efficienti e molto più integrati nell'ambiente, ovviamente il tutto ai costi più bassi possibili. Un comune elettrodomestico di casa in cui sono state utilizzate queste innovazioni è la lavastoviglie. Le nuove lavastoviglie controllate da un microprocessore risparmiano acqua ed energia, per non parlare poi del fatto che sono molto più silenziose dei modelli precedenti. Microcontrollori avanzati permettono ai progettisti di implementare soluzioni ingegnose che riducono i costi di costruzioni permettendo contemporaneamente di realizzare sistemi più affidabili.

Un'applicazione dove i PMSM sono utilizzati è per comandare le pompe delle lavastoviglie. I PMSM richiedono un sistema di controllo che tipicamente include un microcontrollore potente per interpretare/riconoscere la posizione del rotore ed implementare cicli di controllo per guidare la rotazione del motore. Freescale ha rilasciato un dispositivo di basso livello (Digital Signal Controller .- DSC) chiamato MC56F8006 che riduce significativamente i costi dei sistemi di controllo PMSM, molto adatto ad applicazioni in cui i costi di costruzione sono rilevanti come ad esempio le macchine lavapiatti e le macchine asciugatrici.

A causa della mancanza di un commutatore (leggasi spazzole) nei PMSM, la tecnica di controllo del motore deve basarsi su sapere sempre dove il rotore si trova. La posizione del rotore può essere però sia misurata che stimata. Misurare precisamente la posizione del rotore richiede la presenza di un dispositivo come ad esempio un encoder ottico (un sensore ottico) montato sul motore, cosa che aumenta significativamente i costi dell'apparecchiatura. Questo sensore può essere eliminato implementando un metodo per stimare la posizione del rotore. Esistono varie tecniche che possono essere utilizzate per stimare la posizione del rotore, tecniche dipendenti dallo stato di funzionamento del motore (a velocità zero, a bassa velocità, ad alta velocità). Un osservatore può essere utilizzato durante il funzionamento ad alta velocità per ottenere un buon risultato in termini di piccoli errori inerenti all'angolo, oppure in termini di performance dinamica. Il tipo di osservatore usato nella soluzione descritta in questo articolo è il cosiddetto “back EMF observer”, che si basa su di un modello matematico di funzionamento del motore.

La tecnica ad elevata performance utilizzata per guidare il PMSM è basata sul metodo FOC (Field Oriented Control), a volte chiamato semplicemente “controllo di vettore”. Lo scopo di questa tecnica è controllare indipendentemente la coppia di torsione e il cambiamento continuo nell'air gap, in una maniera che tracci accuratamente le traiettorie. La tecnica FOC fornisce un complessivo miglioramento della performance della guida PMSM. Il miglioramento consiste in un'elevata efficienza, nel controllo completo della coppia di torsione, nel disaccoppiamento del controllo fra il cambiamento continuo e la coppia e nella dinamica del sistema in generale. Il metodo FOC assieme ad un osservatore EMF in grado di stimare la posizione del rotore è una soluzione ideale per una pompa per lavastoviglie basata su PMSM.

Usare un PMSM e il relativo sistema di controllo descritto in questo articolo per una pompa per lavastoviglie si traduce in un significativo risparmio di energia, in una importante riduzione del rumore di funzionamento e, inoltre, permette di realizzare cicli intelligenti di lavaggio tramite un'accurata variazione della pressione dell'acqua.

Pompe per lavastoviglie

I produttori di elettrodomestici per la casa hanno iniziato solo recentemente ad utilizzare dispositivi PMSM per il controllo delle pompe delle lavastoviglie. I parametri tipici di un PMSM sono:

    - tensione di linea di 230 V (questo in Europa)
    - 6 o 8 poli magnetici
    - 80W di Potenza Nominale
    - Caratteristiche della induttanza di fase dello statore negli assi d e q dove - Ld = Lq

L'algoritmo di controllo della pompa della lavastoviglie si applica nella corrente chiusa e nei cicli di velocità. La pressione dell'acqua all'interno della lavastoviglie è stabilita dal design del sistema idraulico (tubi, spruzzatori, etc) e può essere controllato variando la velocità di funzionamento della pompa.

Le tradizionali lavastoviglie hanno caratteristiche per cui la pressione dell'acqua resta nel range dai 103kPa (15psi) agli 827KPa (120psi) e la velocità della pompa meccanica varia dai 1500 ai 2500 rpm.

Caratteristiche e vantaggi del FREESCALE DSC MC56F8006

Il dispositivo Freescale MC56F8006 (16k Flash) e il dispositivo MC56F8003 (12k Flash) sono membri della famiglia dei controller digitali (DSC) basata sui sistemi 56F800E. Il chip combina la potenza di calcolo di un Digital Signal Processor e le funzionalità di un microcontrollore con un set flessibile di periferiche disponibili sul chip. Queste periferiche sono ottimizzate per varie applicazioni, inclusi i PMSM, ACIM, BLDC, SR e altre tipologie di motori. Il componente MC56F8006 è una piattaforma di controllo ideale per molte applicazioni complesse e costose, come ad esempio

    - Elettrodomestici casalinghi (lavapiatti, lavatrici, asciugatrici, pulitrici, piani cottura ad induzione, etc)
    - Controlli industriali (PLC, robot, saldatrici)
    - Dispositivi e sistemi ACIM, PMSM, BLDC, SR
    - Elettrodomestici e addrezzature come martelli, martelli pneumatici, trivelle, smerigliatrici, seghe elettriche etc
    - Attrezzatura medica come respiratori, forni, macchine diatermiche, macchine per dialisi etc
    molti altre applicazioni a motore particolarmente costose

Il dispositivo Freescale DCS contiene varie periferiche progettate specificatamente per il controllo di applicazioni “a motore”. Queste includono uno speciale modulatore di ampiezza di impulso (PWM), un convertitore da analogico a digitale (ADC), un amplificatore di gain programmabile(PGA), un dispositivo di ritardo (PDB), un dual timer (DTMR) e un comparatore di velocità (HSCMP). Vi sono inoltre ulteriori periferiche per usi generici, incluse ad esempio le periferiche di comunicazione (SCI, SPI, IIC), un modulo on-chip per il clock (GPIO) e tanto altro.

Il PMSM il cui funzionamento è basato sulla tecnica di controllo FOC beneficia della flessibilità del modulo PWM, della capacità di innescare i due ADC indipendenti simultaneamente. PWM e ADC sono sincronizzati tramite il modulo PDB e il modulo PGA.

Tecniche di controllo del motore PMSM

Vi sono molte tecniche di controllo adattabili al dispositivo PMSM. A seconda della performance dell'applicazione e dei vincoli di costo, la tecnica “vector control” o FOC, descritta in questa sezione è appropriata. Questa è una tecnica ad elevata performance che migliora significativamente il comportamento del PMSM, rendendo il motore regolare nella rotazione in tutta la gamma di velocità a cui quest'ultimo può funzionare. Inoltre, permette il controllo completo della coppia di torsione dalla velocità zero, consente una maggiore efficienza e consente anche un minor livello di rumore alle basse velocità, senza contare poi una rapida accelerazione e decelerazione. Il principio fondamentale della tecnica FOC è illustrata in figura 1.

Principle of FOC Control Technique
Figura 1. Principio di funzionamento della tecnica di controllo FOC

La tecnica “vector control” decompone il vettore di spazio corrente dello statore in due vettori indipendenti di coppia e flusso, applicando le trasformate di Clarke e Park. Una volta separati, il flusso nell'air gap (asse d) e la coppia elettromagnetica (asse q) possono essere controllati indipendentemente. Questo approccio permette al PMSM di essere controllato in una maniera analoga a quanto si fa ad un tradizionale motore DC.

Le informazioni che essenzialmente servono per la tecnica vector control includono la posizione e la velocità del rotore e di conseguenza la posizione del flusso magnetizzante del motore. I sistemi di controllo del movimento convenzionali utilizzano resolvers o encoders. Il sensore, i cavi e i connettori necessari per monitorare il rotore aumentano i costi del sistema e la complessità diventa tale che l'affidabilità dello stesso diminuisce. Pertanto, per le applicazioni che risentono dei costi elevati della componentistica, diventa necessario eliminare il resover o encoder. In queste applicazioni, è necessario ottenere la posizione del rotore in altro modo. Invece di monitorare direttamente la posizione del rotore, si possono applicare tecniche indirette. Gli algoritmi che non utilizzano la posizione del rotore sono chiamati “controlli sensorless”. Il diagramma in Figura 2 mostra l'algoritmo vector control implementato (non utilizza sensori). La posizione e la velocità sono stimate con un dispositivo EMF.

BDiagramma a blocchi dell'algoritmo di controllo sensorless del PMSM
Figura 2. Diagramma a blocchi dell'algoritmo di controllo sensorless del PMSM

Modello matematico del motore PMSM

Poiché l'algoritmo vector control e la stima della posizione del rotore tramite un “osservatore” richiede l'analisi matematica del comportamento e funzionamento del motore, è essenziale disporre di un modello matematico del PMSM. Il motore è un sistema dinamico, di conseguenza lo descriveremo in termini di un insieme di equazioni differenziali. Le equazioni della tensione dello statore nel quadro di riferimento alfa e beta possono essere espresse come segue:

stator_voltage_equations

dove Rs è la resistenza degli avvolgimenti dello statore, usα e usβ sono i valori istantanei dei componenti alfa e beta delle tensioni dello statore, isα e isβ sono i valori istantanei delle componenti α and β delle correnti dello statore, e Ψsα e Ψsβ sono i valori istantanei delle componenti α and β dei collegamenti di flusso.

I collegamenti di flusso dello statore possono essere espressi come:

stator flux linkages of non-salient machines formula

dove Ls è l'induttanza di fase dello statore, ΨPM è il flusso generato dai magneti permanenti, e Φre è l'angolo “elettrico” del flusso del rotore nello space vector, che corrisponde alla posizione del rotore.

La coppia elettromagnetica di un motore è così definita:

electromagnetic torque of a motor formula

dove pp è il numero di coppie di poli del motore.

Questo modello matematico descrive il comportamento del PMSM usato in questa applicazione per pompe per lavastoviglie, e può essere utilizzato per il progetto dell'osservatore EMF.

by Jaroslav Lepka, Freescale Semiconductor, Inc.

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