Motori Brushless DC

Eccoci giunti a un nuovo appuntamento con la rubrica Firmware Reload. Oggetto di questo articolo sono una categoria di motori molto utilizzati in svariate applicazioni. Stiamo parlando dei motori Brushless. I motori Brushless DC generano coppie elevate in rapporto alle dimensioni.

I motori Brushless DC, noti anche come BLDC, stanno rapidamente crescendo di popolarità e sono impiegati in diversi campi come quello dell’automazione industriale anche a livello di strumentazione, automobilistico, medico, aerospaziale, degli elettrodomestici e consumer. Come suggerisce il nome, non sono dotati di spazzole ma sono controllati elettronicamente. Hanno molti vantaggi rispetto ai motori a spazzole, solo alcuni di questi sono di seguito ricordati:

  • buon controllo della velocità in rapporto alla coppia prodotta;
  • buona risposta in termini di dinamica;
  • elevata efficienza;
  • lunga durata;
  • silenziosità;
  • maggior velocità.

Sono utilizzabili in quelle applicazioni dove dimensioni e peso sono fattori critici dal momento che possono generare coppie elevate pur avendo dimensioni ridotte. L’articolo prenderà in considerazione alcune caratteristiche costruttive, principi di funzionamento, caratteristiche e applicazioni tipiche.

COSTRUZIONE E PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO

I motori BLDC sono un tipo di motori sincroni: questo significa che i campi magnetici generati da rotore e statore rimangono in fase e per essi non si ha “slip speed” come nei motori a induzione. Esistono motori BLDC monofase, bifase e trifase; questi ultimi sono i più diffusi e usati e saranno descritti nell’articolo.

Statore

Lo statore di un motore BLDC consiste di lamierini d’acciaio con avvolgimenti sistemati in slots disposti assialmente come mostrato in Figura 1.

Figura 1: Immagine dello statore

Figura 1: Immagine dello statore

La maggior parte dei motori BLDC ha tre avvolgimenti statorici in configurazione a stella. Gli avvolgimenti e le spire che li compongono costituiscono un numero pari di poli. Ci sono due tipi di avvolgimenti a seconda della diposizione delle spire che sviluppano forze controelettromotrici diverse: si producono caratteristiche trapezoidali o sinusoidali dei due diversi tipi di motori. Le Figure 2 e 3 mostrano le diverse forze controelettromotrici che si producono nelle fasi; le intensità di corrente hanno andamenti analoghi; a seconda delle applicazioni e della coppia che si vuole produrre è conveniente uno o l’altro tipo di motore. In base all’elettronica di controllo e agli ambiti di applicazione si hanno diverse tensioni di alimentazione: tensioni di 48 Volts o inferiori si usano in ambito automobilistico, nella robotica, in bracci robotizzati; motori con alimentazioni di più di 100 Volts si usano nell’automazione, nelle applicazioni industriali o nella costruzione di elettrodomestici.

Figura 2: Diagramma della tensione generata dalla forza controelettromotrice: caratteristica trapezoidale

Figura 2: Diagramma della tensione generata dalla forza controelettromotrice: caratteristica trapezoidale

 

Figura 3: Diagramma della tensione generata dalla forza controelettromotrice: caratteristica sinusoidale

Figura 3: Diagramma della tensione generata dalla forza controelettromotrice: caratteristica sinusoidale

Rotore

Il rotore è costituito da magneti permanenti che producono poli in numero di coppie variabili da due a otto in modo alternato Nord e Sud come mostrato in Figura 4.

Figura 4: Diagramma di sezioni del rotore con diverse disposizioni dei magneti

Figura 4: Diagramma di sezioni del rotore con diverse disposizioni dei magneti

A seconda dell’ intensità del campo magnetico voluto nel rotore il materiale di cui è composto viene scelto: magneti permanenti di ferrite sono comunemente impiegati ma leghe di terre rare stanno acquistando popolarità sempre maggiore; queste permettono di ottenere coppie più elevate a parità di dimensioni rispetto ai magneti di ferrite. Neodimio e sue leghe come neodimio, ferrite e boro, leghe di cobalto samario sono alcuni esempi di materiali impiegati in magneti permanenti: la ricerca in questo settore è molto attiva. A differenza dei motori DC con spazzole, la commutazione e l’alimentazione delle fasi dello statore è controllata elettronicamente: un modo è legato alla posizione del rotore che è ricavata tramite sensori ad effetto Hall sistemati nello statore. La maggior parte dei motori BLDC dispone di tre sensori sistemati in posizione fissa: questi producono un segnale logico alto o basso dovuto alla rotazione del rotore. La Figura 5 mostra una sezione trasversale di un motore BLDC: i sensori vanno posizionati in modo accurato per non produrre errori nella determinazione della posizione del rotore.

Figura 5: Diagramma della sezione trasversale del motore con disposizione dei sensori Hall

Figura 5: Diagramma della sezione trasversale del motore con disposizione dei sensori Hall

A seconda della posizione dei sensori ad effetto Hall si definisce una sequenza di commutazione che tiene conto dello sfasamento degli stessi; questo può essere di 60° o di 120°: essa verrà considerata più avanti nell’articolo.

Nota: i sensori ad effetto Hall richiedono un’alimentazione. La tensione può variare tra i 4 e i 24 Volts e le correnti tra 5 e 15 mA. Il segnale di alimentazione del sensore e la corrente fornita dipendono dalle specifiche tecniche del motore e queste vanno considerate durante la progettazione dell’elettronica di controllo.

CONFRONTO TRA MOTORI BLDC E ALTRI TIPI DI MOTORI

Paragonati ai motori a spazzole e ai motori a induzione, i motori BLDC hanno molti vantaggi e pochi svantaggi: i motori brushless richiedono meno manutenzione e hanno più durata rispetto ai motori DC con spazzole. I motori BLDC producono maggior potenza a parità d’ingombro rispetto ai motori con spazzole e motori a induzione. Dal momento che l’inerzia del rotore è bassa rispetto a quella di altri tipi di motori essendo costruito con magneti permanenti, si migliorano le caratteristiche della coppia in relazione alla velocità di rotazione e la risposta in termini di accelerazione e decelerazione; la relazione tra coppia e velocità di rotazione mostra un andamento costante per un certo intervallo di velocità (coppia di regime) e un calo oltre una certa velocità; tali andamenti permettono di prevedere un andamento e una regolazione della velocità stessa. Non essendoci bisogno di fare la manutenzione delle spazzole, i motori BLDC si possono scegliere dove è disagevole intervenire. Essi permettono di ridurre le interferenze elettromagnetiche, EMI e i tipi a bassa tensione di alimentazione sono adatti per essere alimentati a batteria in campo medico o per la strumentazione portatile. Hanno lo svantaggio di essere più costosi essendo costruiti con magneti permanenti.

APPLICAZIONI TIPICHE DEI MOTORI BLDC

Si possono suddividere gli utilizzi dei motori BLDC in tre tipi principali:

  • Carico costante
  • Carichi variabili
  • Applicazioni di posizionamento

Applicazioni con carico costante

In alcune applicazioni non è importante mantenere una velocità costante e controllare accelerazioni e decelerazioni durante il funzionamento; in esse il carico è collegato direttamente al motore: ventole, pompe e compressori rientrano in questo tipo di applicazioni dove si richiedono controllori a basso costo, inseriti in circuiti open loop.

Applicazioni con carico variabile

Ci sono applicazioni in cui il carico varia con la velocità. Esse richiedono precisione nel controllo della velocità e buona risposta in termini di dinamica. Applicazioni domestiche come lavatrici, lavastoviglie, asciugatrici e automobilistiche come controllo di pompe dei distributori, servomeccanismi dello sterzo, del motore e di veicoli elettrici sono esempi tipici. In campo aerospaziale centrifughe, pompe, bracci robotizzati, giroscopi e così via possono richiedere questo tipo di elettronica di controllo, che si avvale di algoritmi avanzati e di circuiti closed o semi-closed loop: aumentano costi e complessità del controllo.

Applicazioni di posizionamento

La maggior parte delle applicazioni industriali e di automazione rientrano in questa categoria; esse prevedono l’utilizzo di qualche tipo di trasmissione come nastri trasportatori o congegni meccanici o azionamenti simili in cui si rivelano importanti le caratteristiche di velocità e coppia. Esse sono caratterizzate da frequenti cambi del verso di rotazione del motore e da cicli in cui un funzionamento a velocità costante è preceduto da una fase di accelerazione e seguito da una fase di decelerazione e posizionamento. Il carico può variare durante ciascuna di queste fasi e ciò richiede un circuito di controllo complesso, tipicamente closed-loop: loop di controllo della coppia, della velocità e della posizione possono funzionare contemporaneamente. Encoder ottici o sensori di sincronismo si impiegano per misurare la velocità di rotazione; in alcuni casi gli stessi sensori si usano per determinare posizioni relative; sensori appositi si possono usare per posizioni assolute.

Macchine a controllo numerico, CNC, sono tipici esempi e controlli di processo sono abbondantemente ricompresi in queste applicazioni. In base alle applicazioni richieste si sceglie il motore. Esistono tre parametri: coppia massima richiesta, coppia RMS e intervallo di velocità di funzionamento. La prima dipende dal carico, dall’inerzia del rotore, dalla resistenza dell’aria tra statore e rotore (air gap), dall’attrito; la seconda dipende dai fattori ricordati e dal modo di funzionamento del motore. A seconda delle applicazioni velocità di rotazione massima e media possono coincidere o meno e ciò può influire sulla scelta del tipo di motore.

SEQUENZA DI COMMUTAZIONE

La Figura 6 mostra un esempio di segnale fornito da un sensore ad effetto Hall con i segnali di tensione della forza controelettromotrice e delle intensità di corrente che attraversano le tre fasi.

Figura 6: Andamenti dei segnali prodotti dai sensori Hall e segnale di tensione generato dalle forze controelettromotrici

Figura 6: Andamenti dei segnali prodotti dai sensori Hall e segnale di tensione generato dalle forze controelettromotrici

Ogni volta che il sensore cambia il suo stato viene modificata la configurazione delle correnti che attraversano le fasi. Sei cambiamenti di tale configurazione corrispondono ad un ciclo “elettrico”. Non è detto che un ciclo “elettrico” corrisponda ad una rotazione meccanica intera del rotore: il numero di cicli “elettrici” corrispondenti ad un rotazione dipende dal numero di coppie di poli del rotore posizionati sul rotore oltre ai normali magneti. La Figura 7 mostra lo stato dei sensori e la configurazione delle correnti delle fasi del motore insieme allo stato degli switches elettronici, MOSFETs, IGBTs o transistors bipolari che controllano le fasi.

Figura 7: Tabella con le fasi della sequenza, corrispondenti segnali dei sensori Hall ,stati dei segnali PWMs e diverse alimentazioni delle fasi

Figura 7: Tabella con le fasi della sequenza, corrispondenti segnali dei sensori Hall, stati dei segnali PWMs e diverse alimentazioni delle fasi

Essa fa riferimento ad un possibile circuito rappresentato a blocchi in Figura 8.

Figura 8: Schema a blocchi del circuito di controllo del motore

Figura 8: Schema a blocchi del circuito di controllo del motore

In Figura 9 sono riportate le possibili configurazioni delle correnti in esse. A seconda del motore che si utilizza è possibile seguire una sequenza definita dal costruttore.

Figura 9: Schema delle configurazioni delle correnti nelle fasi del motore

Figura 9: Schema delle configurazioni delle correnti nelle fasi del motore

La frequenza del segnale PWM che controlla gli switches va stimata in base all’intervallo di velocità di funzionamento del motore; tale frequenza dovrebbe almeno essere dieci volte quella massima di rotazione del motore. Il duty cycle di tale segnale può essere regolato in base alla differenza esistente tra le tensioni di alimentazione disponibili e la tensione di funzionamento a regime del motore. La velocità si può controllare tramite un circuito closed-loop misurando la velocità del motore.

L’errore costituito dalla differenza tra velocità voluta ed effettiva e un regolatore P.I.D. possono essere utili per modificare durante il funzionamento il segnale PWM. Per applicazioni low-cost a bassa risoluzione i sensori ad effetto Hall si possono impiegare per misurare la velocità di feedback come si può vedere in figura: essa mostra uno schema a blocchi del circuito di controllo; un timer interno al PIC18Fxx31 può essere impiegato per misurare l’intervallo di tempo tra due transizioni dei sensori Hall. Per misure di velocità di elevata risoluzione si può ricorrere ad encoder ottici che forniscono segnali da cui ricavare velocità e verso di rotazione; essi si possono impiegare anche per applicazioni che richiedono un controllo di posizionamento.

Controllo di motori BLDC senza sensori

Finora si è considerato un controllo basato sulla posizione del rotore in cui si utilizzano sensori Hall; la commutazione si può ottenere anche attraverso segnali forniti dalla forza controelettromotrice: la Figura 6 mostra i segnali forniti dai sensori Hall e quelli della forza controelettromotrice; si possono notare delle corrispondenze tra di essi facendo riferimento alla rilevazione dello zero-crossing; in pratica ci sono ritardi dovuti alle caratteristiche delle fasi che si possono compensare tramite il microcontrollore. A basse velocità di rotazione il segnale prodotto dalla forza controelettromotrice può non servire per la rilevazione dello zero-crossing e ciò va considerato quando si fa riferimento a questo tipo di controllo. Esso permette di semplificare la costruzione del motore riducendo costi e manutenzione.

Nota
La rotazione del motore provoca nelle fasi una tensione nota come forza controelettromotrice, back EMF, che si oppone alla tensione di alimentazione delle fasi; essa dipende da tre fattori principali: la velocità angolare di rotazione, il campo magnetico dovuto ai magneti del rotore e il numero di spire nelle fasi dello statore. Le specifiche tecniche possono fornire un parametro, back EMF constant o KE che si usa per stimare la tensione della forza controelettromotrice ad una data velocità di rotazione. La forza controelettromotrice può crescere fino a ridurre notevolmente la corrente e la coppia del motore.

CONCLUSIONI

I motori BLDC possiedono alcuni vantaggi rispetto a motori a spazzole e a induzione: una buona caratteristica della velocità in relazione alla coppia prodotta, buona risposta in termini di dinamica, elevata efficienza, lunga durata di funzionamento, funzionamento silenzioso, intervalli di funzionamento a velocità più elevata, semplicità costruttiva e così via. La produzione di coppie elevate in rapporto alle dimensioni li rendono preferibili in quelle applicazioni dove contano dimensioni e peso. Grazie a questi vantaggi i motori BLDC trovano ampia diffusione in campo automobilistico, degli elettrodomestici, aerospaziale, consumer, medico, dell’automazione industriale e della strumentazione.

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