La tecnologia Intelligent Phase Control (InPAC) ottimizza le prestazioni dei motori senza spazzole sfruttandone al massimo l'efficienza.
I motori senza spazzole vengono utilizzati in molte applicazioni, per alimentare una vasta gamma di apparecchiature ad alta velocità, dagli aspirapolvere, alle attrezzature industriali, alle ventole per il raffreddamento dei server nei data center.
Una delle principali sfide per i progettisti è garantire che i motori che scelgono funzionino in modo affidabile ed efficiente. Per contribuire a raggiungere questi obiettivi, Toshiba ha sviluppato la nuova serie di controller motore InPAC.
Controllo intelligente della fase
Per rispondere a una crescente domanda di maggiore efficienza energetica e minor rumore, i progettisti di apparecchiature utilizzano sempre più spesso gli inverter per controllare i motori senza spazzole. Con la tecnologia convenzionale, per ottenere un alto livello di efficienza, è necessario regolare la fase, o angolo di avanzamento, della tensione e della corrente motore per ciascun motore.
Figura 1. Illustrazione dell'angolo di avanzamento
Un angolo di avanzamento è l'angolo di momento a cui viene fatta avanzare la tensione da applicare alla bobina.
È necessario un po' di tempo per applicare tensione alla bobina finché la corrente aumenta al valore massimo. In una rotazione ad alta velocità, un rotore può superare il successivo punto di accensione prima che l'azionamento magnetico raggiunga la massima potenza. In questo caso, la potenza del rotore non sarà il massimo. Per evitare questa situazione e migliorare l'efficienza di azionamento, si fa avanzare un rotore fino ad un determinato angolo dall'angolo calcolato. Tale angolo di anticipo viene chiamato angolo di avanzamento. Un angolo di avanzamento varia in base alle caratteristiche, alle velocità rotazionali e alle condizioni di carico dei motori senza spazzole.
Raggiungere un'efficienza ottimale su una vasta gamma di velocità rotazionali - da poco più di zero rotazioni al minuto (rpm) all'avvio fino a velocità elevate di migliaia di rpm - richiede molte caratterizzazioni per la regolazione della fase e, solitamente, è possibile ottenere un'ottimizzazione solo su una gamma limitata. Il vantaggio di InPAC consiste nel controllo intelligente della fase, una tecnologia che consente ai motori senza spazzole di ruotare in modo efficiente alle alte velocità con accuratezza uniforme.
L'approccio di Toshiba prende le mosse da un punto di partenza diverso rispetto a quello dei controller motore convenzionali. Con le tecnologie precedenti, era necessario regolare una differenza di fase tra la tensione e la corrente di un motore a diversi punti della sua gamma di rpm di funzionamento. La tecnologia Intelligent Phase Control (InPAC o controllo intelligente della fase) di Toshiba elimina tale necessità e accelera lo sviluppo, regolando automaticamente le fasi della tensione e della corrente di un motore, ottenendo così l'efficienza più elevata possibile sull'intera gamma di rpm di funzionamento solo tramite l'inizializzazione. Inoltre, la soluzione di Toshiba garantisce un controllo flessibile della velocità di rotazione per logica senza microcontroller, risparmiando di conseguenza sforzi di sviluppo aggiuntivi.
Funzionamento
Quando un motore senza spazzole viene azionato con un'onda sinusoidale, i cambiamenti nelle rotazioni al minuto determinati dall'impedenza creano una differenza di fase tra la sua tensione e la corrente, diminuendo l'efficienza dell'azionamento. Per fornire la regolazione della fase necessaria a migliorare l'efficienza, la tecnologia InPAC confronta il rapporto tra la fase della corrente (informazione di corrente) e la fase della tensione (segnale effetto Hall) e invia un feedback al segnale di controllo della corrente motore per regolare automaticamente il loro rapporto di fase, garantendo un'efficienza maggiore.
InPAC rileva istantaneamente la fase di corrente motore e invia le informazioni per il controllo automatico dell'angolo di avanzamento. Nelle applicazioni basate su sensori, la fase del segnale Hall viene regolata automaticamente per corrispondere a quella della corrente di azionamento del motore. Si ottiene così un'efficienza elevata, indipendentemente dal valore rpm del motore, dalla coppia di carico o dalla tensione di alimentazione. La tecnologia InPAC, inoltre, contribuisce a ridurre il numero di elementi esterni necessari per la regolazione dell'angolo di avanzamento.
Per raggiungere l'efficienza più elevata possibile con la tecnologia convenzionale di controllo del motore, è necessario regolare una differenza di fase tra la tensione e la corrente di un motore a diversi punti della sua gamma di rpm di funzionamento. La tecnologia InPAC fa a meno di questo requisito, consentendo ai progettisti di regolare automaticamente le fasi della tensione e della corrente del motore per ottenere l'efficienza più elevata possibile sull'intera gamma di rpm di funzionamento solo tramite l'inizializzazione, riducendo così il carico di lavoro per lo sviluppo.
Ad esempio, a 3.000 rpm, InPAC riduce la corrente d'alimentazione di circa il 10%, rispetto al controllo convenzionale fisso dell'angolo di avanzamento.
Ottimizzazione ed efficienza
Per ottenere l'efficienza ottimale del motore, l'angolo di avanzamento deve essere regolato in base alle apparecchiature reali, sebbene sia controllato in base alle informazioni sulle posizioni del rotore fornite dai sensori Hall. L'angolo di avanzamento deve essere inoltre regolato in base alle costanti del motore, inclusi rpm e vari altri fattori, anche quando un controller/driver del motore è dotato di una funzione di controllo automatico dell'angolo di avanzamento. Considerate queste limitazioni critiche, negli ultimi anni è emersa l'esigenza di un metodo di controllo più efficiente che riduca il carico di lavoro dei progettisti.
InPAC risolve questo problema rilevando rapidamente la fase di corrente motore e inviando immediatamente le informazioni per il controllo automatico dell'angolo di avanzamento. Quando un'applicazione con motore è dotata di un sensore, la fase del segnale Hall viene regolata automaticamente per corrispondere a quella della corrente di azionamento del motore. Si ottiene così un'efficienza elevata, indipendentemente dal valore rpm di un motore, dalla coppia di carico o dalla tensione di alimentazione. La tecnologia InPAC, inoltre, contribuisce a ridurre il numero di elementi esterni necessari per la regolazione dell'angolo di avanzamento ed elimina la necessità di qualsiasi programmazione correlata ai variabili stati di funzionamento di un motore.
L'utilizzo di un sistema di azionamento con onda sinusoidale con una forma d'onda di corrente regolare offre anche il vantaggio di generare meno rumore e vibrazioni rispetto ai motori con sistema di azionamento con onda rettangolare.
Requisiti, versioni e specifiche
I dispositivi InPAC sono disponibili in varie versioni, ciascuno sviluppato per rispondere a una specifica esigenza progettuale. Il dispositivo TC78B016FTG è un driver di controllo motore completamente integrato con massimo 40 V/3 A. Questo circuito integrato necessita di un alimentatore che funzioni in una gamma compresa tra 6 e 36 volt e fornisce un azionamento con onda sinusoidale. I progettisti possono anche sfruttare la limitata resistenza ON, solitamente pari a 0,24 ohm (totale di lato alto e basso), che riduce l'autoriscaldamento nel dispositivo durante il funzionamento, consentendo così al circuito integrato di supportare in genere applicazioni da 1,0-1,5 A. La velocità viene controllata da un semplice segnale di modulazione dell'ampiezza dell'impulso (PWM) o da un input di tensione analogica. Le protezioni integrate includono spegnimento termico, protezione da sovracorrente e rilevamento del blocco del motore. La parte viene commercializzata in un package compatto VQFN32 da 5x5 mm2.
I dispositivi TC78B041FNG e TC78B042FTG sono controller flessibili che consentono agli utenti di personalizzare i requisiti di alimentazione dell'applicazione e utilizzare il gate driver e il MOSFET adatti ai progetti. Il controller TC78B041FNG adotta un package di tipo SSOP30, mentre il prodotto TC78B042FTG presenta un package VQFN32 da 5x5 mm2.
Il dispositivo TC78B027FTG è un controller dotato di un gate driver in cui gli utenti possono selezionare i MOSFET giusti per le proprie applicazioni. Integra inoltre un sistema di alimentazione one-Hall che consente agli utenti di utilizzare un motore senza spazzole con un sensore più economico. Il dispositivo è alloggiato in un package VQFN24 da 4x4 mm2.
Per ulteriori informazioni
Toshiba ha oltre 35 anni di esperienza nella fabbricazione di driver motori e offre un ampio portafoglio di controller di azionamento per motori senza spazzole con tecnologia InPAC adatti a varie esigenze. Per valutare il tuo piano di prodotto per l'utilizzo di un motore senza spazzole dotato di tecnologia InPAC, puoi scaricare i progetti di riferimento.
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