Buongiorno a tutti,

in questa breve guida vorrei parlarvi della regolazione dei motori universali, più in particolare della regolazione dei motori universali presenti oggi nella maggior parte delle lavatrici.

So che è un argomento molto ricercato dalla stragrande maggioranza dei lavatricisti, in particolare da chi è alle prime armi, per questo ho deciso di dedicare qualche ora nella realizzazione di questo.

Alla fine della spiegazione troverete una guida molto semplice che vi consentirà di realizzare un circuito di controllo esplorativo per motori universali, utilizzando un semplicissimo microprocessore TDA 1085C della Motorola (VIETATO AI NOVELLI)

Non utilizzerò estenuanti formule matematiche circa il comportamento dei motori.

Un ingegnere informatico non deve necessariamente saper costruire un computer, essenzialmente deve saper realizzare programmi.

Molto semplicemente salteremo dalla teoria alla logica, quindi all'applicazione pratica.

A quel punto, gli interessati FERRATI IN MATERIA potranno realizzare la propria scheda pilota, i novelli potranno approfondire in tutta la sua vastita l'argomento.

Il Motore Universale – Introduzione

Il Motore Universale, comunemente chiamato “motore a spazzole”, è un particolare tipo di motore in corrente continua adatto ad essere alimentato in corrente alternata.

A differenza del motore in corrente continua, questo può essere alimentato sia in corrente continua (CC) che in corrente alternata (AC) e per questo prende il nome di MOTORE UNIVERSALE.

La possibilità di usare la corrente alternata nasce dal fatto che la corrente nello statore e nel rotore (rotore accessibile atraverso le spazzole ed il collettore a lamelle) si invertono contemporaneamente grazie al collegamento dei due avvolgimenti a mezzo del collettore a lamelle; anche i campi magnetici si comportano allo stesso modo, generando una forza dello stesso tipo (attrattiva o repulsiva).

In realtà è un motore meno efficace di un motore in corrente continua.

Tuttavia, il suo principale vantaggio è che, nonostante l'alimentazione in alternata, il motore universale ha le tipiche caratteristiche di un motore CC, ovvero coppia elevata allo spunto, dimensioni compatte, alta velocità di rotazione indipendentemente dalla frequenza della rete elettrica.

Con l'avvento di tecnologie sempre più compatte ed economiche, grazie, per esempio, all'utilizzo di dispositivi elettronici di controllo come i triac, si rende oggi sempre più semplice il controllo della loro velocità, quindi un sempre più crescente campo di impiego.

Trovano sempre più spazio nei settori professionali, per esempio negli utensili da lavoro, a partire dai più comuni (trapani, frullini, smerigliatrici) a quelli più specifici (filatrici, mole, levigatrici, idropulitrici, montacarichi), quindi negli ambiti domestici, sia nei piccoli elettrodomestici (frullatori, sbattitori, affettatrici, aspirapolvere, asciugacapelli...) che nei grandi elettrodomestici, in primo piano, nelle lavatrici.

Sistemi di controllo

Dove è necessario regolare la velocità, entrano in gioco i sistemi di controllo.

Esistono due sistemi di controllo e si chiamano CONTROLLO IN ANELLO APERTO e CONTROLLO ESPLORATIVO.

La differenza è sostanziale.

Un CONTROLLO IN ANELLO APERTO (detto anche controllo in avanti o controllo in feedforward) è una tecnica STATICA che si distingue per l'assenza di una misura diretta della grandezza da controllare (per esempio, la velocità).

l'ingresso del sistema (alimentazione) da controllare è calcolato sulla base delle caratteristiche rilevate da tale sistema e sull'eventuale misura dei disturbi agenti su esso (eventuali carichi).

Per calcolare l'ingresso è sufficiente osservare il sistema da controllare e, per mezzo di modelli matematici prestabiliti, si risalire ad un'applicazione in grado di descriverne il comportamento.

Risulta evidente che le prestazioni del sistema saranno legate alla capacità dell'applicazione di descrivere in modo accurato il sistema da controllare.

Il controllo del motore, in sintesi, avviene semplicemente cambiando la tensione della corrente, l'applicazione esegue il controllo rilevando la grandezza disturbante (il carico) e con apposito algoritmo corregge il sistema.

Svantaggio di questo sistema è che essendo REGOLATO A PRIORI non assicura che la velocità desiderata venga mantenuta tale al variare della coppia resistente applicata al motore.

Un sistema ESPLORATIVO (controllo in anello chiuso, detto anche controllo in retroazione o retroregolazione, feedback in inglese) è una tecnica DINAMICA in grado di tenere conto dei risultati del sistema per modificare le caratteristiche del sistema stesso.

In un controllo in retroazione il valore della variabile in uscita dal sistema viene letto dal controllore che agisce modificando l'ingresso del sistema.

L'ingresso del sistema da controllare viene, quindi, determinato e corretto in base alla misura della variabile controllata e alla verifica della sua rispondenza, per questo motivo i sistemi retroazionati vengono chiamati esplorativi.

Il controllo del motore, in sintesi, avviene per mezzo della rilevazione del valore della grandezza di uscita stessa (tramite tachimetrica o altri circuiti dedicati) per cui la correzione avviene misurando direttamente la grandezza che si vuole regolare.

AD ECCEZIONE DI ALCUNI MODELLI DI LAVATRICI CON MOTORI UNIVERSALI A MAGNETI PERMANENTI (PM), il controllo completamente ELETTRONICO del motore universale avviene tramite SISTEMA ESPLORATIVO.

Sono sicuro che molti di voi, ora, troveranno molto interessante la spettacolarità di questa tecnica, applicata, come già detto, nelle “lavatrici col motore a spazzola”!

Il Controllo ESPLORATIVO

Iniziamo col chiarire la base della logica che sta dietro ad un SISTEMA ESPLORATIVO.

I motori universali, come detto precedentemente, necessitano di controlli ben precisi al fine di sfruttare a pieno le prestazioni e nel tempo stesso contrastare le forze resistenti.

Il sistema esplorativo è altamente flessibile e, come nel caso del microprocessore TDA 1085C , opera per stati, ovvero, al completamento di uno stato, si passa al successivo.

I stati sono essenzialmente tre e si susseguono nel seguente modo:

AVVIO > ACCELERAZIONE > MODULAZIONE

Si deve sin da subito memorizzare e capire l'importanza dei tre stati di funzionamento.

Nello stato di avvio, il sistema deve fornire la quantità minima di corrente al fine di innescare la rotazione del motore.

Si esce dallo stato di Avvio non appena la rotazione ha inizio e si passa in fase di accelerazione.

Dove richiesto, lo scopo della fase di avvio è limitare la fortissima coppia motrice che si svilupperebbe non appena si alimenta il motore.

Si osservi il funzionamento della lavatrice, al “click” del relè la rotazione ha luogo qualche secondo dopo ed in maniera fluida.

Immaginate se il cestello partisse a razzo come la lama di un frullino.

Nella fase di accelerazione, il sistema ha il compito di innalzare progressivamente la rotazione fino alla velocità stabilita.

Si esce dallo stato di accelerazione non appena la rotazione raggiunge la velocità stabilita e si passa in fase di modulazione.

Lo scopo è, appunto, quello di portare progressivamente a velocità prestabilita il rotore, evitando e limitando i picchi di coppia nel caso in cui il motore si trovi ancora a velocità troppo basse.

Nella fase di modulazione, il sistema ha il compito di mantenere costante la velocità di rotazione, sia in presenza che in assenza di carichi.

Si esce dallo stato di modulazione al momento dello stop (fine della rotazione), quindi con conseguente arresto del motore, oppure nel caso in cui si passasse ad una nuova velocità (esempio, avvio della centrifuga), con conseguente rientro in stato di accelerazione.

Ma... chi si occupa di alimentare il motore?

E in che modo?

È arrivato il momento di conoscere il Triac.

Triac - interruttore a stato solido

Il Triac (dall'inglese TRIode for Alternating Current, comunemente TRIstore AC ) è un componente elettronico di tipo semiconduttore considerato come due diodi SCR collegati in antiparallelo , quindi SPECIFICATAMENTE progettato per controllare carichi in corrente alternata, potendo controllare il passaggio della corrente in entrambi i sensi.

ERRORE COMUNE DA CHIARIRE è che Il Triac non regola affatto la corrente, ma può trovarsi esclusivamente nelle modalità di conduzione o interdizione (come un interruttore, o accesso o spento).

Ha la stessa funzione di un interruttore, infatti può essere tranquillamente chiamato interruttore a stato solido.

Ciò non è uno svantaggio, anzi permette di gestire elevate potenze con piccoli segnali di comando e con limitata dissipazione di calore (opportunamente dissipata con sistemi di raffreddamento).

La funzione di “REGOLAZIONE”, in realtà, è una sorta di trucchetto, risultato della velocità “programmabile” di conduzione o interdizione

Immaginate di accendere e spegnere la luce della vostra stanza 50 volte al secondo e, al tempo stesso, decidere la durata dello stato acceso e spento.

Umanamente impossibile, ma non per il Triac!

Possiamo iniziare a capire Il funzionamento di questo componente osservando il disegno sottostante

Spiegazione, la LIMITAZIONE (quindi non REGOLAZIONE) della corrente viene effettuata modulando il tempo di conduzione e di interdizione del componente inviando il segnale di innesco con un adeguato ritardo rispetto all'inizio di ogni semionda, variabile da zero alla durata del semiperiodo.

Per una regolazione più precisa e flessibile si utilizzano circuiti integrati dedicati oppure un microprocessore che rileva il passaggio per lo zero e produce un impulso con un ritardo esattamente calcolato.

Il segnale è quindi applicato al Triac direttamente oppure attraverso sistemi di isolamento galvanico quali il fotoaccopiatore o un trasformatore.

Ricapitoliamo

Ritorniamo agli stati logici di funzionamento di un SISTEMA ESPLORATIVO e, capito il funzionamento del Triac, ricapitoliamo cosa succede.

O meglio, iniziamo ad avere un'idea più precisa di cosa farà il microprocessore.

Stato di avvio.

Il circuito elettronico riceve consenso di rotazione.

Il microprocessore controlla la lettura della tachimetrica per assicurarsi che sia effettivamente fermo; se rileva movimento, il sistema passa in stato di accelerazione SE IL VERSO DI ROTAZIONE È CORRETTO, ALTRIMENTI, ATTENDE IL COMPLETO ARRESTO DEL MOTORE.

Il microprocessore analizza l'onda sinusoidale della corrente e calcola la durata ed il ritardo degli impulsi da inviare al triac.

Terminati i calcoli, il microprocessore invia i primi impulsi al triac.

Nei primi impulsi Iniziali, per ogni semionda, il tempo di interdizione è superiore al tempo di conduzione del triac, esempio, 99% interdizione e 1% di conduzione.

Al passare del tempo, lentamente il microprocessore riduce il periodo di interdizione ed aumenta quello di conduzione.

Il triac, ovvero, inizia a limitare sempre meno la corrente inviata al motore.

Ad un certo punto, ad una certa percentuale di limitazione, nel motore si crea una sufficiente forza motrice in grado da provocare la rotazione.

Fine dello stato di Avvio

Stato di accelerazione

Il microprocessore riceve il segnale dalla tachimetrica di rotazione.

Il microprocessore inizia a diminuire sempre più il periodo di interdizione e ad aumentare il periodo di conduzione del triac, ovvero, il triac limita sempre meno la corrente e la rotazione del motore aumenta.

Tale diminuzione di limitazione avviene fino a quando il segnale della tachimetrica è uguale a quello richiesto.

Quando il segnale coincide, il microprocessore termina lo stato di accelerazione e si porta in modulazione,

Fine stato Accelerazione.

Stato di Modulazione

Il microprocessore aumenta drasticamente la limitazione della corrente tramite il triac, onde evitare un eccessiva accelerazione.

Come tutti sapranno, la biancheria afferrata dal trascinatore del cestello si traduce in FORZA RESISTENTE e, chiaramente, è una grandezza IMPOSSIBILE da determinare a priori.

Non solo l'entità del carico, ma anche la quantità dell'acqua in vasca contribuisce a rendere questa grandezza assolutamente INDETERMINABILE.

Come posso pensare di stabilire che ogni trascinatore sposterà sempre 2 kg di biancheria bagnata se nella lavatrice ho caricato un foulard di seta?

È proprio a questo punto che entra in gioco l'esplorazione.

Terminata l'accelerazione, quando il microprocessore permette al triac di limitare di colpo la corrente, il circuito analizza costantemente i valori forniti dalla tachimetrica.

Se, nonostante la prima limitazione, la tachimetrica continuasse a fornire valori in costante aumento, il microprocessore farà sì che il triac limiti ancora di più il passaggio di corrente, fino a quando il valore non cessa di crescere; quando il valore cessa di crescere, il microprocessore lo confronta col valore richiesto e, se superiore, procede a far limitare ancora di più il passaggio di corrente, affinché il motore inizi a perdere giri.

Ma... a questo punto il motore potrebbe perdere troppi giri, ovvero il valore della tachimetrica potrebbe scendere sotto il valore richiesto.

Non è un problema!

Al verificarsi di questo, il microprocessore interviene portando nuovamente in accelerazione il motore.

Fine dello stato di Modulazione

Rientro in stato di Accelerazione

Fine stato di Accelerazione

Rientro in stato di Modulazione

Fine stato di Modulazione

Rientro in stato di Accelerazione...

E così via, fino a quando il consenso di rotazione non termina.

Come si può ora dedurre, il sistema ad esplorazione è perfettamente in grado di sfruttare, con una logica elementare e semplicissima, tutta la potenza caratteristica del motore universale e, quindi, di calibrarla perfettamente in ogni situazione, sia in condizione di carico assente che in condizione di massimo carico e, perché no, in condizione di mezzo carico.

Realizzazione di una scheda pilota

ATTENZIONE

CHI È ALLE PRIME ARIMI NON DEVE ASSOLUTAMENTE IMBATTERSI NELLA REALIZZAZIONE DI QUESTO CIRCUITO.

È UN CIRCUITO STUDIATO DA PERSONE QUALIFICATE E REALIZZATO PER LAVORARE DIRETTAMENTE SULLA 220V.

SOLO CHI HA UNA CONSOLIDATA CONOSCENZA IN MATERIA PUÒ CIMENTARSI NELLA REALIZZAZIONE DEL CIRCUITO, RISPETTANDO COMUNQUE LE DOVUTE PRECAUZIONI.

SE NON SEI PIÙ CHE FERRATO IN MATERIA, SE NON CONOSCI I RISCHI A CUI POTRESTI ANDARE IN CONTO O, MOLTO SEMPLICEMENTE, SE HAI DEI DUBI, SEI TENUTO AD ABBANDONARE L'IDEA DI VEDER GIRARE IL TUO MOTORE.

LA TUA VITA È MOLTO PIÙ IMPORTANTE.

TI CONSIGLIO DI INIZIARE-RIPRENDERE LA TUA ESPERIENZA CON QUALCOSA NON NECESSARIAMENTE SEMPLICE, MA COMUNQUE LONTANO DALLA 220V.

IL SOTTOSCRITTO NON SI ASSUME RESPONSABILITÀ DI DANNI A PERSONE, COSE E ANIMALI DOVUTE ALLA TUA NEGLIGENZA.

Arrivati a questo punto, qualcuno di voi vorrà sicuramente realizzare la propria scheda pilota ad esplorazione.

Lo si può fare con moltissimi processori, ne esistono diversi, ognuno coi suoi pregi e difetti..

Senza nulla togliere agli altri, io preferisco il TDA1085CD della MOTOROLA.

In primis, non richiede l'utilizzo di alimentatori, infatti la scheda lavorerà direttamente sulla tensione di rete.

INVITO TUTTI, QUINDI, A PRESTARE COMUNQUE MASSIMA ATTENZIONE!

PRENDETE TUTTE LE DOVUTE PRECAUZIONI.

Questo microprocessore è disegnato appositamente per pilotare il motore universale della lavatrice e, ovviamente, utilizza la tecnologia dell'esplorazione.

Cosa sa/può fare questo processore?

Praticamente tutto quello che vedete in una lavatrice con motore universale: avvii lenti delle rotazioni, accelerazione configurabili , gestione di più velocità di lavaggio e centrifugazione, protezione contro i sbalzi di tensione e rilevamento di tachimetrica danneggiata.

Inoltre, udite udite, è in grado di rilevare la corretta distribuzione del carico prima della centrifuga!!!

In >>questo link<< troverete il data-sheet completo del processore in questione, che per ovvi motivi evito di copia-incollare.

Contiene tutte le caratteristiche di funzionamento, un circuito pronto da realizzare per farlo funzionare e una lista delle possibili modifiche da apportare allo schema originale nel caso in cui si volesse, per esempio, aggiungere più velocità di lavaggio, cambiare la velocità di centrifuga (preconfigurate 2, una a 550 ed una a 800 rpm!) e così via.

Per non rischiare di danneggiare il processore, usate uno zoccolo apposito, saldate quest'ultimo al posto del processore e, a saldatura ultimata, inseritelo.

Piccolo consiglio, se non volete farvi realizzare la base a piste come proposta nello schema, fatevi un primo disegno del nuovo schema che intendete realizzare (in modo da stabilire la posizione dei componenti), comprate tutti i componenti che vi servono, quindi una bella basetta millefori sulla quale posizionerete i componenti.

Realizzare le piste di collegamento con segmenti di fili elettrici ISOLATI e opportunamente dimensionati, girare la basetta millefori e saldare, IN UNA SOLA VOLTA, componente e filo all'apposito occhiello corrispondente sulla base.

Se le modifiche apportate risulteranno valide, potrete procedere alla realizzazione della base a piste.

Infine, il dissipatore del triac, immancabile!

Ideale una piastra di alluminio 5x10 cm, spessa 3mm, da avvitare al triac.

Una goccia di pasta termoconduttiva consentirà al triac di dissipare rapidamente il calore.

Spero di essere stato utile, a questo punto non mi resta che augurarvi buon divertimento!