Soluzioni per controllo motore pronte all’uso all’insegna della flessibilità

Lo script di iMOTION™ estende gli ambiti applicativi delle soluzioni Infineon per controllo motore.

L‘aumento demografico sta portando al continuo incremento della domanda globale di energia elettrica. A livello di generazione di energia elettrica, il trend è nettamente orientato verso l’uso delle energie rinnovabili, pur nel contesto di uno spiccato incoraggiamento all’uso sempre più efficiente dell’energia elettrica. La spinta in questa direzione è dettata sia da normative sempre più stringenti, sia dalla crescente consapevolezza degli utenti.

“I motori elettrici e i sistemi che essi azionano sono la prima fonte di consumi di energia a livello globale, oltre due volte superiore a quella utilizzata per l’illuminazione che si piazza al secondo posto. Si stima che la percentuale del consumo di energia dei sistemi azionati da motori elettrici (EMDS) si attesti tra il 43% e il 46% del complesso dei consumi di elettricità globali…” [1]

Partendo da queste cifre si registra una significativa spinta verso sistemi di controllo motore a velocità variabile (VSD) basati su inverter. L’inverterizzazione riguarda tutti i motori, sia per uso industriale che destinati agli apparecchi domestici.

Bilanci tra costi, facilità d’uso e flessibilità per l’applicazione

Pur essendo l’utilizzo di un inverter una rischiesta, i produttori tendono ormai a considerare sempre di più l’effettiva unità di controllo motore come un blocco funzionale base, piuttosto che una caratteristica diversificante del prodotto finale; questo aspetto, emerge particolarmente se si considerano sistemi ausiliari quali pompe di scarico acque o ventole normalmente presenti negli apparecchi domestici. In qualità di leader mondiale nel settore dei semiconduttori di potenza, Infineon Technologies non si limita ad offrire un ampio portafoglio di componenti discreti, ma fornisce anche soluzioni integrate che semplificano le applicazioni ad inverter, con costi minimi in termini di R&S, nonché per il numero complessivo di componenti utilizzati (BOM).

Con il marchio iMOTION™, si va ad identificare una famiglia di prodotti che integrano insieme all’hardware un algoritmo di controllo motore pronto e certificato per essere utilizzato a livello produttivo, con una parte addizionale facoltativa per la correzione del fattore di potenza (PFC). Tuttavia, per poter utilizzare l’inverter come blocco funzionale di base, è necessario assicurarne la flessibilità e l’adattabilità all’applicazione target del cliente, che spesso va ben oltre la configurazione del motore in esame.

La precedente generazione di prodotti iMOTION™, come la serie IRMCF100, risolveva questo aspetto integrando un microcontrollore supplementare insieme all’unità di controllo motore (MCE). Anche la serie IMC300, di imminente uscita, adotterà questo concetto dual-core per la prossima generazione di controller per motori. Tale soluzione offre la massima flessibilità al cliente, ma finisce per maggiorare i costi, richiedendo inoltre al cliente di affrontare un ciclo completo di sviluppo e rilascio del software. Per la maggior parte delle applicazioni domestiche questa flessibilità completa non serve, ma è sufficiente una soluzione che offra un minimo di flessibilità e configurabilità al di sopra del controllo motore vero e proprio.

La nuova generazione di prodotti iMOTION™, come la serie di controller IMC100, trae vantaggio da una nuova piattaforma hardware che integra insieme al core anche le periferiche analogiche e digitali specifiche per le applicazioni in esame.

Concentrandosi quindi sulle applicazioni sensibili al costo finale, la serie IMC100 è stata progettata su un motion controller single-core che consente ai clienti un livello ulteriore di configuarabilità oltre al controllo motore e al PFC.

L’ultima versione della MCE di iMOTION™ integra una scripting engine, che consente all’utente di implementare con facilità il livello di configurabilità e customizzazione desiderato. Il linguaggio dello script supporta la possibilità di gestire input analogici, digitali o segnali provenienti da sensori, e gestire gli output. 

Figura 1 – Tasso di crescita dei variatori di velocità

È anche in grado di modificare il comportamento del motore durante il funzionamento, per es. per implementare un profilo di velocità o una procedura di avviamento specifica. Con lo script, che funziona come un processo di background della MCE, analogamente ad una piccola macchina virtuale, si ottiene questo risultato senza ulteriori costi di hardware e senza interferire con l’algoritmo di controllo del motore e del PFC.

Gli script aggiungono flessibilità senza aumentare i costi

Gli algoritmi o i sub-sistemi nelle applicazioni embedded, come quelle per controllo motore, seguono un ciclo di vita caratteristico. Mentre all’inizio l’approccio implementativo avviene a livello software per consentire la massima flessibilità di ottimizzazione, non appena l’implementazione raggiunge il livello di maturità desiderato, essa viene parzialmente o totalmente trasferita all’hardware in modo da migliorarne prestazioni ed efficienza.

 

Figura 2- Prodotti iMOTION™ che forniscono soluzioni integrate per unità di controllo motore.

 

Un algoritmo per controllo motore che trasferisce sempre più “intelligenza” su periferiche quali convertitori analogico-digitali (ADC) o timer, riduce il carico sul core della CPU. In questo modo, con piccoli controller che integrano moderne architetture da 32 bit, è possibile mettere a disposizione tale capacità di CPU al designer dell’applicazione. I controller iMOTION™ implementano un algoritmo idoneo ad essere utilizzato a livello produttivo e supportano i requisiti di sicurezza funzionale necessari per gli apparecchi domestici in conformità alla IEC 60335, comunemente noti come Classe B dando quindi priorità al mantenimento del funzionamento in sicurezza del motore (e del PFC). La nuova versione della MCE pertanto esegue lo script del cliente in un ambiente confinato di scripting engine, seguendo come detto il concetto di una macchina virtuale.

Tale implementazione presenta molteplici vantaggi:

• nessuna interferenze da parte dello script sull’algoritmo del motore (e del PFC)
• interfaccia ben definita fra script e algoritmo di controllo
• linguaggio di scripting facilmente comprensibile per tutti gli operatori
• protezione degli script dalla lettura per salvaguardare l’IP del cliente

La script engine di iMOTION™ consente all’utente di eseguire due task diversi in parallelo:

• task0 – esecuzione in un ciclo da 1 ms e
• task1 – esecuzione in un ciclo minimo di 10 ms.

Entrambi i task vengono configurati tramite funzioni di inizializzazione all’avviamento, per poi procedere con un ciclo infinito. La script engine conferisce un elevato livello di libertà nel configurare la temporizzazione di esecuzione e la frequenza di ripetizione di entrambi i task. In più, un timer a funzionamento libero supporta le azioni in un momento dedicato nel tempo. L’interfaccia con MCEDesigner consente l’accesso alle variabili di script definite come per facilitare il debugging, il tuning e la visualizzazione.

Scrittura e gestione degli script di iMOTION™

Il codice di script di iMOTION™ usa una sintassi C-style e supporta operatori aritmetici, operatori logici (if…else) e cicli (for…). Le variabili sono utilizzabili a livello globale all’interno dello script o a livello locale per un task. É possibile accedere ai registri di interfaccia per il controllo del motore e il controllo del PFC.

La rappresentazione del codice sorgente C-style viene tradotta in un byte-code compatto con controllo della sintassi. Il byte-code risultante viene salvato nel dispositivo iMOTION™ ed eseguito dalla script engine. È possibile proteggere in lettura gli script salvati nel dispositivo, in modo da salvaguardare l’IP dei clienti.

L’integrazione di un meccanismo di checksum assicura l’identificazione e la verifica del rispettivo script nel dispositivo.

Il supporto per la generazione e la gestione degli script è integrato negli stessi tools utilizzati per la configurazione del dispositivo iMOTION™ nell’azionamento. Gli I/O analogici o digitali da usare nello script sono configurati con MCEWizard. Gli script sono scritti in un editor integrato e vengono tradotti e trasferiti in un byte-code.

MCEDesigner tratta gli script come i parametri di configurazione, ovvero:

• ne supporta il download in flash e la relativa cancellazione
• legge, scrive e visualizza le variabili di script definite come globali.

Figura 3- Implementazione ed interfacce del motore di script.

 

In produzione gli script si possono programmare in un unico passaggio assieme alla MCE e ai parametri di configurazione.

Esempi applicativi: asciugacapelli

Le caratteristiche dello script engine sono descritte in modo dettagliato nel MCE reference manual . È disponibile una Application Note, per agevolare i clienti nel familiarizzare con le capacità dello scripting. Tale documento descrive il caso specifico di un controller della famiglia IMC100 iMOTION™ utilizzato per una applicazione in asciugacapelli con motore brushless DC. Viene fornito l’esempio del codice script completo.

Qui la MCE viene impiegata per comandare il motore e attraverso lo scripting si implementano varie funzioni di supporto:

• interfaccia per la selezione della velocità
• gestione dinamica della limitazione di corrente del motore
• filtraggio passa-basso della tensione del bus DC
• regolazione della velocità nominale basata sul valore di tensione del bus DC

L’utilizzo di IMC100, che coniuga una MCE pronta per l’uso con la flessibilità della scripting engine, offre così una soluzione vantaggiosa sia per i bassi costi di BOM sia per le l’alta efficienza dell’azionamento.

Figura 4 – Generazione e download dello script.

 

Conclusione

L’integrazione di una script engine nellaMCE consente di ottimizzare l’uso delle risorse hardware, apportando quel tanto di flessibilità in più che spesso è sufficiente per l’applicazione in esame. L’implementazione scelta, analoga a quella di una piccola macchina virtuale, garantisce l’assenza di interferenze con l’algoritmo di controllo del motore e del PFC, specialmente in applicazioni che richiedono sicurezza funzionale. Mentre la MCE di Infineon comanda il motore e il PFC, assicurando contemporaneamente la sicurezza funzionale dell’azionamento, il designer del sistema si concentra su una funzionalità di livello più alto, ottimizzando l’interfaccia applicativa.

L’utilizzo sempre più efficiente dell’energia elettrica è uno dei trend principali a livello globale, anche grazie alle normative più rigorose e alla consapevolezza dei clienti. Per le applicazioni controllo motore ciò implica altresì l’utilizzo di inverter sia nel settore industriale che degli apparecchi domestici.

I prodotti iMOTION™ di Infineon Technologies soddisfano queste esigenze integrando insieme all’hardware un algoritmo di controllo del motore idoneo per gli ambienti produttivi e un controllo PFC facoltativo.

L’integrazione segue le esigenze dei produttori di sistemi, che considerano sempre di più l’effettiva unità di controllo motore come un blocco funzionale di base, piuttosto che una caratteristica diversificante, in particolare nei sistemi ausiliari quali pompe per le acque di scarico o ventole, nelle quali il produttore di sistemi ha la necessità di aggiungere un inverter a costi minimi.

Per poter utilizzare l’inverter come blocco funzionale di base, occorre che esso assicuri flessibilità ed adattabilità all’applicazione target del cliente, il che va ben oltre la configurazione del rispettivo motore.

L’ultima versione dell’unità di controllo motore MCE di iMOTION™ integra una scripting engine, che consente all’utente di implementare con facilità il livello di customizzazione desiderato.

Lo scripting supporta ad esempio la risposta agli input provenienti da un sensore, gestisce le uscite o la comunicazione con un host remoto.

È anche possibile modificare il comportamento del motore durante il funzionamento, per es. per implementare una procedura di avviamento specifica.

Con la script engine che funziona in background, analogamente ad una piccola macchina virtuale, si ottiene questo risultato senza ulteriori costi di hardware e senza interferire con l’algoritmo di controllo del motore e del PFC.