I piccoli motori elettrici sono presenti in tutto ciò che utilizziamo nelle nostre attività quotidiane. Servono a macinare il caffè, far circolare l'aria in case e uffici, animare i giocattoli dei bambini e magari far pulire i pavimenti a un robot.
In base al motore, saranno necessari gli opportuni driver di controllo motore (MCD) per attivare e disattivare il motore, regolare velocità e coppia e ottenere efficienza e affidabilità elevate.
A seconda dei requisiti del progetto e delle considerazioni relative ai costi, se si tratta di un progetto a bassa potenza è molto probabile che sarà necessario scegliere tra tre tipi di motori.
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Motori DC con spazzole (BDC)
Motori DC senza spazzole (BLDC)
Motori passo-passo (o stepper)
Motori con spazzole (BDC)
I motori DC con spazzole sono il più semplice dei tre tipi di motore e anche quello che viene studiato per primo a scuola. Dotati di avvolgimenti sul rotore o sull'armatura e magneti permanenti o avvolgimenti di campo sullo statore, questi motori hanno bisogno di commutatori e spazzole per modificare la polarità dell'avvolgimento durante la rotazione, in modo che la coppia si sviluppi continuamente in una direzione. Dato che questi motori sono relativamente semplici da realizzare e controllare, sono in genere più economici e, sebbene vengano spesso utilizzati per giocattoli e altre applicazioni per cui il costo è importante, trovano impiego anche in dispositivi domestici come tapparelle elettriche e serrature.
Il controllo dei motori BDC è relativamente semplice - la variazione della tensione media applicata al motore ne modifica la velocità - e può essere ottenuto con un ponte H e un microcontroller. La scelta dei circuiti integrati del driver, tuttavia, può richiedere un minimo di riflessione.
Questa parte della progettazione è semplificata dalla vasta gamma di tensioni d'esercizio del circuito integrato TB67H450FNG,EL di Toshiba. La tensione d'esercizio di questo componente varia da 4,5 V a 44 V per dispositivi a corrente elevata (inferiore a 3,5 A), quali apparecchiature di automazione per ufficio, terminali bancari ed elettrodomestici, inclusi prodotti alimentati a batteria come aspirapolveri robotici, serrature elettroniche e piccoli robot, nonché dispositivi che utilizzano alimentatori USB da 5 V. Il driver consuma solo 1 μA in standby ed è disponibile in un package HSOP8 a 8 pin di dimensioni ridotte e con montaggio superficiale.
Guarda il video sul componente TB67H450FNG.
Se c'è bisogno di una tensione d'esercizio inferiore, ma di una corrente maggiore, il componente TC78H653FTG,EL è un circuito integrato del driver con doppio ponte H che offre una gamma di tensione d'esercizio compresa tra 1,8 V e 7,5 V e due modalità di corrente: la modalità di corrente ridotta con un picco di 2,5 A CC in due canali e la modalità di corrente ampia con un picco di 5,0 A CC in un canale combinato. Il valore basso della resistenza indica che più flussi di corrente transitano nel motore per garantire una coppia maggiore. Se il progetto prevede dispositivi portatili che utilizzano batterie agli ioni di litio da 3,6 V o elettrodomestici come attuatori per cucine a gas, contatori intelligenti, serrature elettroniche o altre applicazioni che usano due batterie a secco da 1,5 V, questa combinazione di caratteristiche del driver lo rende perfetto per questo tipo di applicazioni.
Se è necessario un driver BDC a doppio canale per una tensione operativa fino a 16 V, il nuovo circuito integrato del driver dei motori con ponte H TC78H660FTG, basato sul processo DMOS di ultima generazione dell'azienda, può fornire una corrente controllata da PWM pari a 2 A (massimo). Supportando un funzionamento efficiente dal punto di vista energetico, ha requisiti di corrente estremamente ridotti in modalità standby, assorbendo appena 0,1 µA. Questo circuito integrato, che mantiene al minimo l'utilizzo del PCB, viene fornito in un package compatto QFN16 da 3 mm x 3 mm. Il dispositivo TC78H660FNG è una variante dello stesso circuito integrato del driver in un package TSSOP16.
Toshiba offre vari dispositivi per i motori BDC e alcuni di essi sono compatibili a livello di pin con i comuni driver dei motori con spazzole, in modo che gli ingegneri possano cambiare i componenti apportando poche o nessuna modifica al proprio progetto in risposta ai mutevoli requisiti del mercato.
Altri driver per motori DC con spazzole
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Motori DC senza spazzole (BLDC)
I motori BLDC sono meccanicamente più semplici dei motori con spazzole, poiché, in genere, hanno dei magneti permanenti sul rotore e gli avvolgimenti sullo statore. I motori BLDC eliminano la rumorosa commutazione meccanica che limita la coppia e necessita avviamento, ma garantiscono coppie e velocità più elevate. Tuttavia, questi dispositivi richiedono un controllo accurato per raggiungere la maggiore efficienza che promettono per applicazioni che vanno da piccole ventole a servomeccanismi di apparecchiature industriali.
Il controllo sulla polarità e la magnitudine della corrente che passa attraverso le bobine e la sua sincronizzazione con il rotore sono ottenute misurando la posizione dei magneti con sensori effetto Hall o rilevando la forza elettromotrice posteriore che effettua lo zero-crossing nei motori BLDC privi di sensori e riportando questa informazione attraverso i driver dei motori. Tuttavia, per garantire caratteristiche di efficienza ottimali, sono necessarie ripetute regolazioni tra la tensione e la corrente del motore nella gamma di velocità di rotazione. Ciò nonostante, la corrente tende a rallentare negli azionamenti ad alta velocità a causa dell'induttanza a frequenze elevate.
Una tecnologia proprietaria di Toshiba denominata Intelligent Phase Control (InPAC) rende il controllo dei motori BLDC più semplice e accurato. Essa confronta la fase della corrente motore e la fase della tensione motore derivanti dal segnale di Hall e riporta il risultato al controllo della corrente motore. La regolazione della differenza di fase tra tensione e corrente del motore viene effettuata automaticamente su una vasta gamma di velocità del motore con una semplice impostazione iniziale e questo riduce considerevolmente il carico di sviluppo necessario al processo di progettazione.
Toshiba mette a disposizione quattro nuove soluzioni per il controllo del motore BLDC trifase che utilizzano questa tecnologia: i componenti del controller TC78B041FNG,EL, incluso in un package SSOP30 e TC78B042FTG disponibile in un package VQFN32, il driver completamente integrato TC78B025FTG e il controller con gate driver integrato TC78B027FTG. Questi dispositivi di controllo motore utilizzano un sistema di azionamento con onda sinusoidale per ottenere una forma d'onda della corrente regolare e ridurre rumore e vibrazioni nei motori ad alta velocità per applicazioni quali ventole, purificatori d'aria, pompe e apparecchiature industriali.
I dispositivi TC78B025FTG e TC78B027FTG dispongono inoltre di una funzione di controllo della velocità a ciclo chiuso, che regola e mantiene la velocità rotazionale del motore durante le fluttuazioni dinamiche della potenza e le variazioni di carico. Si tratta di una caratteristica preziosa per applicazioni mission-critical come ventole di server e altre applicazioni di raffreddamento. L'impostazione precisa di un profilo di velocità viene eseguita dalla memoria non volatile (NVM) integrata e, di conseguenza, viene eliminata la necessità di una MCU esterna per il controllo della velocità a ciclo chiuso.
Toshiba offre inoltre dispositivi di controllo motore per azionamento senza sensori, se il progetto su cui si sta lavorando consente l'utilizzo di BLDC privi di sensori per ridurre i costi del motore. Il dispositivo TC78B009FTG è un driver chopper di modulazione di larghezza di impulso (PWM) trifase in grado di controllare la velocità del motore modificando il ciclo di lavoro PWM. Con un'alimentazione massima nominale di 30 V, il dispositivo offre sovrapposizione della commutazione a 120°, 135° e 142,5°, commutazione soft selezionabile, impostazioni di avvio regolabili, protezione di sovracorrente, spegnimento termico e blocco per sottotensione. Grazie al componente gate driver integrato, TC78B009FTG offre ai progettisti la flessibilità per dimensionare i MOSFET di stadio di potenza più adatti in base alle applicazioni. TC78B009FTG dispone anche di un dispositivo integrato per il monitoraggio della corrente del motore, per consentire alla MCU di effettuare regolazioni in tempo reale. Inoltre, il controller del motore include una funzione di controllo della velocità a ciclo chiuso con una memoria non volatile (NVM) integrata, che consente il funzionamento senza una MCU esterna.
Altri driver per motori DC senza spazzole (BLDC)
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Motori passo-passo
Il terzo tipo di motore da considerare è il motore passo-passo (o stepper). Questo sistema viene utilizzato in progetti che richiedono movimenti angolari di alta precisione, quali stampanti desktop, stampanti 3D, videocamere di sicurezza, obiettivi per videocamere, scanner medici, illuminazione intelligente e fresatrici CNC.
Gli stepper sono gestiti controllando ampiezza dell'impulso, ciclo di lavoro o periodo degli impulsi di input. La sfida, nel caso del controllo dei motori passo-passo, consiste nell'evitare gli stalli, poiché i motori o l'elettronica possono bruciarsi: se la sincronizzazione viene persa durante un sovraccarico o un rapido cambio della velocità, il motore si ferma mentre il driver continua a funzionare alla massima potenza. Ciò richiede la garanzia di un margine di corrente sufficiente a evitare modifiche improvvise e rilevanti della coppia. Gli svantaggi di questa configurazione sono la riduzione dell'efficienza e l'aumento della generazione di calore.
Per evitare tali svantaggi, è possibile ridurre la corrente aggiuntiva implementando la regolazione di corrente tramite il monitoraggio in tempo reale della coppia e del feedback di corrente con l'aggiunta di sensori e microcontroller. Tale soluzione, tuttavia, aggiunge complessità e costi al progetto.
La tecnologia Active Gain Control (AGC) di Toshiba mira a risolvere questo problema ottimizzando automaticamente la corrente motore in base alla coppia necessaria. Ciò evita lo stallo del motore e garantisce controllo ottimale per offrire la migliore efficienza e la minore generazione di calore possibili.
Scopri di più sulla tecnologia AGC nel video.
Il componente TB67S128FTG,EL di
Toshiba, un driver per motore passo-passo bipolare che offre un azionamento estremamente regolare con 128 micro-passi (per quarto di ciclo) rispetto ai 32 passi convenzionali, utilizza la tecnologia AGC. I suoi valori nominali pari a 50 V e 5 A garantiscono un azionamento ad alta potenza alle applicazioni, incluse stampanti 3D, videocamere di sorveglianza, sportelli bancomat e apparecchiature di automazione per ufficio.
Inoltre, il dispositivo TB67S128FTG utilizza la tecnologia ADMD (Advanced Dynamic Mixed Decay) di Toshiba, che scarica la corrente motore induttiva in modo più efficace e rapido rispetto alla modalità convenzionale di decadimento misto. La tecnologia ADMD è in grado di far raggiungere il suo limite a un motore stepper generalmente a velocità ridotta senza perdere passi. Il componente sfrutta inoltre la tecnologia ACDS (Advanced Current Detect System) di Toshiba per rilevare il limite di corrente senza resistori di rilevamento corrente esterni e ciò, a sua volta, riduce lo spazio, il numero delle parti e i costi della distinta materiali.
Per applicazioni alimentate da due batterie a secco da 1,5 V o da una singola batteria agli ioni di litio da 3,6 V e che quindi richiedono una tensione operativa inferiore, la soluzione ideale è TC78H670FTG. Il dispositivo è in grado di operare da 2,5 V fino a 16 V e presenta una corrente nominale fino a 2 A (picco). È dotato della tecnologia ACDS di Toshiba e di un piccolo package QFN da 3 mm x 3 mm per ridurre drasticamente lo spazio e i costi della scheda. La dimensione del package è stata ridotta del 44% rispetto alla generazione precedente. La bassissima corrente di standby, pari a soli 0,1 µA, lo rende una scelta perfetta per applicazioni con limitazioni di spazio e alimentate a batteria come le stampanti fiscali.
Altri driver per motori stepper.
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