I motori BLDC e i driver per motori integrati sono la chiave dell'efficienza nella robotica e nei droni

Sin dal loro sviluppo negli anni '60, i motori a corrente continua brushless (BLDC) si sono dimostrati più efficienti e duraturi dei motori a corrente continua (c.c.) a spazzole che li hanno preceduti. Mentre le applicazioni industriali ad alta potenza si sono rivolte ai motori sincroni a corrente alternata (c.a.), molte altre applicazioni utilizzano ora i motori BLDC.

Oggi i motori BLDC fanno parte della vita quotidiana dei consumatori. Si trovano in utensili a batteria come trapani e soffiatori, in elettrodomestici come lavatrici e stampanti, nonché in biciclette e auto elettriche. In ambito industriale, i motori BLDC sono utilizzati nelle applicazioni di controllo del movimento e di movimentazione dei materiali. I motori BLDC alimentano anche veicoli terrestri senza equipaggio (UGV), droni e aeromobili a pilotaggio remoto (APR) simili, robot per chirurgia ed esoscheletri di assistenza.

Mentre i motori c.c. a spazzole utilizzano spazzole del commutatore metalliche o in carbone per condurre l'energia agli avvolgimenti del motore, i motori BLDC sono senza contatto. L'assenza di attrito e di usura li rende più efficienti, riduce i requisiti di manutenzione e prolunga la durata del motore. Inoltre, le prestazioni sono migliori, con velocità, coppie e anche un rapporto potenza/peso più elevati. Sofisticati sistemi di controllo consentono ai motori BLDC di modificare quasi istantaneamente la velocità o la coppia, oltre a fornire un posizionamento preciso e a garantire la sicurezza.

Le prestazioni offerte da sofisticati driver per motori BLDC rendono questi motori e i loro sistemi di controllo interessanti per gli ingegneri che progettano moderne applicazioni robotiche e con droni che richiedono miniaturizzazione, velocità, precisione, sicurezza e manutenzione minima.

Nozioni di base sui motori BLDC

La struttura a tre componenti dei motori BLDC è apparentemente semplice. Uno statore stazionario ospita da due a otto serie di avvolgimenti in rame distribuiti su una circonferenza che circonda, è circondata o è posizionata in parallelo a un rotore che contiene magneti permanenti (Figura 1). Un controller del motore si collega allo statore, accedendo ai dati di posizione e alimentando gli avvolgimenti.

Figura 1: Il controller di un motore BLDC trifase cambia gli avvolgimenti dello statore (U, V e W) eccitati e la loro polarità, modificando l'orientamento del campo magnetico. Il rotore che contiene i magneti permanenti (in blu) ruota per allinearsi al campo magnetico dello statore. (Immagine per gentile concessione di Qorvo)

L'eccitazione di una serie di avvolgimenti nello statore crea un campo magnetico al quale i magneti permanenti del rotore reagiscono. L'attrazione tra poli magnetici opposti causa la rotazione del rotore. Prima che il rotore possa allinearsi con il campo magnetico dello statore, il controller cambia gli avvolgimenti eccitati, spostando l'orientamento del campo magnetico per mantenere il rotore in movimento.

In pratica, gli impulsi di corrente che il controller invia allo statore passano da ON a OFF e cambiano polarità con una frequenza tale che la corrente può essere rappresentata mediante una forma d'onda. Lo schema di commutazione illustrato nella Figura 1 è rappresentato da un'onda trapezoidale. Altri motori, come i motori sincroni a magneti permanenti (PMSM), simili ai motori BLDC per costruzione, ma che utilizzano una corrente variabile per far ruotare un campo magnetico al quale il rotore si aggancia, hanno forme d'onda sinusoidali. Le variazioni dell'ampiezza e della fase di queste onde modificano la velocità del motore e la coppia disponibile.

Il controller riceve anche un feedback costante dai sensori di posizione, come i sensori a effetto Hall o gli encoder ottici. Nei motori BLDC senza sensori, la misurazione della forza controelettromotrice (f.c.e.m.), la corrente generata negli avvolgimenti non eccitati dal campo magnetico prodotto dagli avvolgimenti eccitati, viene utilizzata per determinare la posizione del rotore.

Sviluppo del driver del motore

Data la complessa architettura necessaria per monitorare, alimentare e controllare i motori BLDC, non sorprende che i vecchi controller di motori BLDC che utilizzavano l'elettronica a stato solido richiedessero uno spazio proprio nell'armadio e spessi cavi di alimentazione e dati per raggiungere i motori negli ambienti industriali. Circuiti integrati (CI) sempre più sofisticati hanno ridotto le dimensioni dei controller di motori fino a farli entrare su una scheda a circuiti stampati (PCB). Nonostante la miniaturizzazione, le capacità degli attuali controller per motori continuano a crescere.

Un esempio è il driver per motori BLDC trifase ACT72350 di Qorvo (Figura 2), che combina un front-end analogico (AFE) configurabile, un modulo di gestione dell'alimentazione che si adatta a una varietà di configurazioni di alimentazione e un driver per motori specifico per l'applicazione (ASPD) in un unico dispositivo a montaggio superficiale QFN di 9 x 9 mm.

Figura 2: Il driver per motori BLDC trifase integrato ACT72350 combina la circuiteria AFE con la gestione dell'alimentazione configurabile in un contenitore compatto a montaggio superficiale. (Immagine per gentile concessione di Qorvo)

L'AFE configurabile di ACT72350 dispone di tre amplificatori differenziali a guadagno programmabile, quattro amplificatori a terminazione singola a guadagno programmabile, due convertitori digitale/analogico a 10 bit e dieci comparatori che gli consentono di fungere da ponte tra i sensori e i circuiti di controllo. Riceve inoltre i segnali di controllo a modulazione di larghezza di impulso (PWM) da un'unità microcontroller (MCU) esterna tramite un'interfaccia periferica seriale (SPI).

Il modulo di gestione dell'alimentazione configurabile consente ad ACT72350 di accettare tensioni di ingresso c.c. comprese tra 25 V e 160 V, inclusa l'alimentazione a batteria fino a 20S standard (72 V o 84 V tip. a piena carica). L'alimentatore a commutazione ad alta tensione fornisce una tensione di uscita stabile di 12 V o 15 V. Fornisce inoltre un'alimentazione stabile a 5 V, 200 mA all'MCU e ai moduli di ACT72350.

Gli ASPD di ACT72350 possono pilotare il motore con un'architettura a semiponte, a ponte H o trifase (Figura 3). Tre gate driver high-side a 160 V e tre gate driver low-side a 20 V ciascuno hanno capacità di pilotaggio del gate da 2 A (source)/2 A (drain) per consentire una commutazione rapida per una maggiore velocità del motore.

Figura 3: Il diagramma a blocchi del modulo ASPD di ACT72350 mostra i gate driver high-side e low-side. Il pin nBRAKE viene attivato mediante un controller esterno per arrestare la rotazione del motore per motivi di sicurezza. (Immagine per gentile concessione di Qorvo)

ACT72350 riduce il numero di componenti elettronici necessari per controllare un motore BLDC. L'unità combina in un unico contenitore compatto a montaggio superficiale i moduli che gestiscono gli ingressi dei segnali analogici, accettano e standardizzano gli ingressi dell'alimentazione e pilotano il motore. Al tempo stesso ACT72350 mantiene la flessibilità di progettazione consentendo a qualsiasi MCU scelto di fornire segnali di controllo tramite SPI.

Implementazione nei droni

La semplificazione dell'elettronica di controllo per i motori BLDC in un unico contenitore integrato più un MCU è fondamentale per le applicazioni con vincoli di spazio e peso, come droni e altri APR. I progettisti di questi sistemi scelgono i motori BLDC per sfruttare al meglio ogni millimetro quadrato di spazio e ogni grammo di peso, e i driver per motori devono contribuire a questo obiettivo. L'elevato rapporto coppia/peso dei motori BLDC li rende relativamente leggeri per la potenza che forniscono ai rotori o alle eliche dei droni. Grazie all'efficienza energetica superiore all'85%, possono trasportare carichi utili maggiori o volare più a lungo con una singola carica della batteria.

Un driver per motori efficiente in termini di spazio come ACT72350 combina più funzioni in un contenitore compatto, fornendo al contempo prestazioni dei motori di alta qualità. Invece di dover mettere in conto un armadio di controllo e cavi spessi e pesanti, i progettisti di droni e APR possono utilizzare diversi dispositivi ACT72350, una batteria e un MCU di loro scelta, tutti installati sul veicolo. I gate driver ad alta tensione sul dispositivo ACT72350 supportano la commutazione ad alta velocità per un funzionamento fluido, liberando l'MCU sulla scheda di controllo di volo per le istruzioni di volo di livello superiore.

L'efficienza in termini di spazio e peso può non essere così importante per gli UGV, ma i progettisti di questi apparecchi optano comunque per i motori BLDC per le loro capacità di coppia elevata nelle applicazioni di propulsione e per la loro capacità di fornire un movimento preciso nelle applicazioni di sterzo. I motori BLDC sono apprezzati in queste applicazioni anche per i loro requisiti di bassa manutenzione, particolarmente importanti negli ambienti esterni.

Ripensare la robotica

Un motore BLDC a bassa manutenzione è vantaggioso anche nel campo della robotica, dove garantisce un'affidabilità a lungo termine in applicazioni con cicli elevati. I motori BLDC vengono impiegati per muovere articolazioni di bracci robotici industriali, esoscheletri, pinze e manipolatori di materiali, protesi e robot umanoidi da compagnia.

In tutte queste applicazioni, il design leggero e compatto dei motori BLDC contribuisce al loro funzionamento efficiente, all'alta precisione e alla gamma di movimenti che consentono. L'elevato rapporto coppia/peso, di cui beneficiano i droni, consente ai motori BLDC di alimentare anche componenti robotici senza aggiungere peso o ingombro. Grazie all'AFE integrato che fornisce fino a 2 A di capacità di pilotaggio source e drain, ACT72350 è predisposto per accettare segnali da più sensori di posizione del rotore o per misurare la forza controelettromotrice (f.c.e.m.), garantendo il controllo preciso della velocità in un'applicazione robotica.

Anche la sicurezza è fondamentale in queste applicazioni, in cui le apparecchiature spesso operano in prossimità di persone o di beni o attrezzature di alto valore. L'AFE consente al sistema di reagire istantaneamente a condizioni di sovratemperatura, sovratensione e sovracorrente che potrebbero costituire una minaccia per l'elettronica o per le persone in prossimità. ACT72350 può anche assicurare la frenata di emergenza tramite il pin nBRAKE dell'ASPD. Un segnale di 50 µs dall'MCU o da un MCU di sicurezza ridondante al pin nBRAKE disabilita tutti i gate driver high-side, mentre i gate driver low-side eseguono la frenata e gli ingressi PWM vengono ignorati.

Conclusione

I progettisti scelgono i motori BLDC per molte applicazioni in settori quali medicina, prodotti di consumo, automotive, ricreativo, industriale e altri ancora. Per sfruttare l'efficienza, la capacità di coppia, le alte velocità, la precisione e i requisiti di bassa manutenzione dei motori BLDC, i progettisti devono scegliere driver per motori in grado di gestire la complessa combinazione di ingressi analogici dei sensori, comandi digitali dall'MCU, sorgenti di alimentazione con vari valori di tensione e corrente e impulsi di corrente a commutazione rapida necessari per alimentare gli avvolgimenti del motore. I controller per motori come ACT72350 di Qorvo, che combinano queste capacità in un contenitore compatto, contribuiscono al successo dei motori BLDC nelle applicazioni avanzate.