Interfaccia grafica per il controllo di un motore asincrono

Sviluppo di un’Interfaccia Grafica Utente (GUI) per gestire il controllo di un motore asincrono tramite inverter, sfruttando la comunicazione seriale.

L’inverter è un dispositivo che ha trovato largo impiego in diversi settori industriali negli ultimi anni. È diventato il componente predominante nel pilotaggio dei motori AC trifase, in particolare nella regolazione di velocità o coppia dei motori.

Al giorno d’oggi la tipologia d’inverter più diffusa è quella PWM (Pulse-width Modulation). Gli inverter basati sulla tecnologia PWM dispongono di MOSFET nella fase di commutazione dell’uscita e sono in grado di produrre tensione AC per diverse grandezze e frequenze. Esistono molteplici circuiti di protezione e controllo in questi tipi di inverter. Il vantaggio dello sfruttare la tecnica PWM consente loro elasticità di applicazione in diversi contesti, perché li rende adatti e ideali al tipo di carico accoppiato al motore.

Azionamento motore AC con inverter trifase

Lo schema interno di un inverter mostrato in Figura 1 fornisce una descrizione essenziale dei principali componenti che consentono il controllo del motore, a partire dalla conversione dell’alimentazione trifase AC in un segnale di tensione continuo DC, passando per l’EMI Filter, fondamentale per ridurre disturbi elettromagnetici, e per il DC Bus, costituito dal DC Link Capacitor, necessario a mantenere la tensione il più costante possibile ad un segnale DC, riducendo l’ondulazione sulla linea di alimentazione e fornendo l’elevata densità di corrente richiesta dal motore e dalla parte di Logic Control.

Il circuito di controllo logico serve da un lato a gestire gli stati del controllo motore, il monitoraggio dei sensori e l’interfaccia di comunicazione, dall’altro ha il compito di generare il segnale PWM per controllare correttamente il motore, in base alla regolazione di velocità, tensione e corrente.

La tecnica PWM viene utilizzata per i sistemi di regolazione della velocità dei motori, operando sulla tensione di alimentazione. Si può considerare che se un motore è alimentato da una sequenza di impulsi, grazie all’inerzia meccanica del motore, il motore ruota secondo un moto continuo, proporzionale al valore medio di questi impulsi. Il principale concetto per sviluppare questa teoria è il Duty Cycle (DC), ovvero il rapporto tra l’intervallo di tempo in cui un segnale assume un valore alto TON e il periodo totale T = TON + TOFF, dove TOFF rappresenta l’intervallo di tempo in cui il segnale assume un valore basso. Nei sistemi di controllo di un motore trifase, il segnale PWM, con il suo DC e frequenza, viene applicato al gate driver del dispositivo di potenza. Ogni dispositivo viene acceso o spento con un certo tempo (DC) e una certa frequenza, in modo da generare un segnale sinusoidale per il motore. L’ampiezza e la frequenza della forma sinusoidale sono legate alla frequenza PWM e al DC. La parte finale dell’azionamento è costituita dal gate driver e dal power module. I gate driver sono componenti che forniscono alta corrente per il gate dei dispositivi ad alta potenza del power module e amplificano la potenza del segnale PWM. Il loro compito principale è quello di evitare situazioni che potrebbero essere disastrose, per tale motivo aumentano la robustezza del sistema. Il power module dell’inverter è il blocco composto dai dispositivi di commutazione IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) sfruttati per la conversione della potenza dalla tensione DC al segnale AC trifase per il controllo del motore. L’IGBT è un dispositivo a semiconduttore che presenta i vantaggi del BJT e del MOSFET. Il dispositivo di potenza è adatto per l’alta corrente e combina i vantaggi dell’alta impedenza di ingresso (MOS) con la bassa corrente di saturazione (BJT). L’ingresso è composto da un MOS a bassa potenza per pilotare la potenza di uscita BJT. Ogni IGBT potrebbe essere descritto come un semplice interruttore con il suo stato di accensione e spegnimento. Azionando opportunamente il gate dell’IGBT in condizione on e off attraverso la tecnica PWM è possibile generare segnali sinusoidali trifase sfasati per le fasi U, V e W del motore. La rotazione al minuto (RPM) del motore è strettamente legata alla frequenza di commutazione degli IGBT, in quanto il livello di tensione fornito è proporzionale al DC massimo PWM, che definisce il tempo di accensione e spegnimento dell’IGBT.