Assi elettrici – Stato dell’arte e applicazioni industriali.

Dalla rivista:
Automazione e Strumentazione

Pubblicato il 13 aprile 2002

Convertitori di potenza

Il settore dei convertitori statici di potenza per le applicazioni industriali trae beneficio dalle evoluzioni e dalle innovazioni introdotte sia di tipo tecnologico nei dispositivi di potenza, sia a livello delle topologie, dell’elettronica di interfacciamento e degli algoritmi di controllo. Gli obiettivi comuni a ciascuno sforzo di innovazione vanno nella direzione della riduzione dei costi e degli ingombri, oltre a un miglioramento delle prestazioni complessive dei convertitori.

Dal punto di vista tecnologico, si assiste ad una progressiva riduzione delle tensioni di saturazione dei dispositivi (vCE nel caso degli Igbt e Rds,ON nel caso dei Mosfet) con un conseguente aumento dei rendimenti complessivi dei convertitori e una riduzione della dissipazione di potenza in conduzione. In tal senso va inoltre il miglioramento delle caratteristiche di commutazione, con tempi di accensione e spegnimento minori e, conseguentemente, con la riduzione della dissipazione di potenza in commutazione. Le ovvie conseguenze sono la riduzione dei requisiti dei sistemi di dissipazione della potenza e la possibilità di aumentare la frequenza di commutazione, a vantaggio delle prestazioni dei convertitori e della riduzione dei requisiti dei componenti passivi. Alcuni aspetti dell’evoluzione tecnologica dei dispositivi di potenza, assieme all’introduzione di nuove topologie di interconnessione e di sofisticati algoritmi di controllo, si pongono come obiettivo quello della riduzione dell’inquinamento elettromagnetico, cioè dei disturbi generati dal convertitore verso la sorgente primaria di alimentazione. Tale problematica è attualmente molto sentita dai costruttori di azionamenti industriali poiché le recenti normative pongono stringenti vincoli sulle emissioni (e sulla suscettibilità) di tali sistemi, pregiudicandone in alcuni casi l’introduzione sul mercato. L’evoluzione nelle tecniche attive di riduzione dell’inquinamento elettromagnetico (Pfc, controllo ottimizzato del convertitore ecc.) consente inoltre la riduzione del numero di componenti passivi (specialmente filtri), molto ingombranti e costosi.
Un importante aspetto dell’evoluzione attuale e futura dei sistemi di potenza è quello dell’integrazione dell’elettronica di pilotaggio, di diagnostica e di protezione al livello del singolo dispositivo o del convertitore (cosiddetti moduli intelligenti o Ipm). In tal modo si ottiene un aumento dell’affidabilità e una semplificazione nella progettazione del sistema di controllo, nonché una riduzione del costo e dell’ingombro. Inoltre sono in fase avanzata di sperimentazione (in verità esistono già alcune realizzazioni in imminente produzione) sistemi di potenza che integrano i dispositivi di controllo e comunicazione sullo stesso substrato sul quale sono montati i dispositivi di potenza.
Per quanto riguarda infine gli algoritmi di controllo, l’obiettivo che si persegue è quello del miglioramento delle prestazioni dei convertitori attraverso l’adozione di tecniche di comando complesse, basate ad esempio sulla teoria delle reti neurali, del controllo fuzzy, neuro-fuzzy e non lineare [6¸8].

Dispositivi di controllo e comunicazione

L’adozione generalizzata di circuiti e tecniche digitali rappresenta sicuramente uno degli elementi che ha fornito maggiore impulso alla diffusione generalizzata degli azionamenti elettrici in ambito industriale (ma non soltanto). In particolare negli ultimi anni sono state introdotte e fortemente sviluppate architetture di calcolo in cui sono integrate le periferiche dedicate al controllo degli azionamenti elettrici quali, ad esempio: unità di conversione analogico/digitale, di generazione di segnali Pwm, di comunicazione (Spi, Sci, Can ecc.), porte di I/O ecc.. Tali dispositivi permettono di rendere più semplice e compatta la realizzazione dei dispositivi di controllo e comunicazione e, poiché sono normalmente basati su architetture di calcolo sofisticate di tipo Dsp (digital signal processors), garantiscono migliori prestazioni in termini di velocità di elaborazione rispetto ai tradizionali microprocessori o microcontrollori.
La disponibilità di elevate prestazioni di calcolo permette l’implementazione di algoritmi di controllo motore di tipo complesso, altrimenti non realizzabili nel passato (controllo vettoriale, controllo diretto di coppia ecc.). Uno degli argomenti di studio più interessanti negli ultimi anni riguarda lo sviluppo di tecniche di stima della posizione e della velocità che consentiranno l’eliminazione dei relativi sensori (controllo sensorless). Alcuni costruttori hanno già a catalogo soluzioni di tipo sensorless ma, attualmente, le caratteristiche di tali sistemi non sono confrontabili con le equivalenti dotate di sensori. In particolare le prestazioni dinamiche e le precisioni nel controllo che tali sistemi garantiscono sono adatte soltanto a particolari applicazioni, tra le quali non rientra certamente quella dell’asse elettrico. Gli sforzi della ricerca, a livello internazionale, sono quindi concentrati alla riduzione del divario esistente tra le soluzioni sensorless e quelle dotate di sensore [4, 9¸13].

Se da un lato le prospettive di sviluppo dei dispositivi di controllo e comunicazione sono sicuramente rivolte a un ulteriore aumento delle capacità di calcolo e dell’integrazione, a una riduzione degli ingombri e dei costi, dall’altro si prevede l’adozione di metodologie innovative di progettazione automatica hardware e software, realizzate attraverso un uso crescente dei metodi di simulazione. In tal senso un settore che sta riscuotendo molto interesse negli ultimi anni è quello dei sistemi cosiddetti di rapid prototyping, che permettono cioè la simulazione ad alto livello di un sistema di controllo e il passaggio “rapido” alla realizzazione su una qualsiasi piattaforma di calcolo. In tal modo i tempi necessari alla traduzione dell’algoritmo di simulazione in codice utile alla sperimentazione, normalmente molto elevati e costosi, vengono drasticamente ridotti. In direzione diversa rispetto tale approccio, ma sostanzialmente con la possibilità di usufruire di diverse sinergie nei risultati, si stanno sviluppando sistemi operativi dedicati di tipo real-time, che permettono di semplificare la fase di sviluppo di una applicazione di movimentazione ed aumentarne l’affidabilità (ad esempio Linux-Rt, [14]).
Per quanto riguarda i dispositivi di comunicazione, la tendenza è quella dell’adozione di bus di campo di tipo normalizzato, già presenti nelle applicazioni industriali (Can, Profibus, Sercos ecc.), e il miglioramento delle caratteristiche di velocità di trasmissione, determinismo della comunicazione e affidabilità. In questo senso alcuni autori propongono soluzioni alternative, anche atipiche, che in alcuni casi non sono universalmente accettate a livello accademico e/o industriale (è il caso di Ethernet per il controllo degli azionamenti nei sistemi industriali, [15]).