Il Foc per gli azionamenti elettrici dei veicoli

Il controllo a orientamento di campo o Foc (Field-oriented control) si distingue dai normali sistemi di controllo per motori elettrici in quanto fornisce precise funzionalità di controllo basate su coppia e velocità. Queste funzionalità sono rilevanti anche per i motori elettrici utilizzati in veicoli a motore, per le auto elettriche e le bici elettriche. Le soluzioni Foc convenzionali richiedono un sensore di posizione che genera costi aggiuntivi e limita le opzioni per i progettisti. La tecnologia InstaSpin- Foc di Texas Instruments, unitamente all’algoritmo di codifica software Fast della stessa azienda, offre una soluzione ideale a questo problema. La tecnologia, che consente un accesso diretto al mondo del controllo Foc senza sensori, può essere utilizzata per realizzare progetti robusti, altamente affidabili ed efficienti sotto il profilo energetico nel settore della mobilità elettrica. I motori elettrici sono componenti essenziali dei veicoli moderni. Attualmente un’auto di classe media ha una decina di pompe e compressori e circa 40 motori elettrici. In base alle specifiche, il numero di queste apparecchiature può arrivare a oltre cento nelle auto di fascia alta. Oltre alle pompe per acqua e carburante, gli azionamenti elettrici vengono utilizzati per controlli adattivi delle sospensioni, ventole, compressori, sterzo, tergicristalli e finestrini. La mobilità elettrica è un altro settore applicativo interessante per gli azionamenti elettrici, ad esempio per veicoli ibridi azionati da un motore a scoppio tradizionale affiancato a un motore elettrico, oltre che per veicoli completamente elettrici. Fra le auto elettriche attualmente in commercio possiamo citare la Bmw i3, la Volkswagen E-up e la Opel Ampera. Nel settore commerciale, i motori elettrici possono essere impiegati su autobus elettrici utilizzati dalle aziende di trasporto locale. I motori elettrici impiegati sui veicoli devono offrire le seguenti caratteristiche: alta efficienza; dimensioni compatte e leggerezza; robustezza elevata; affidabilità di funzionamento e manutenzione ridotta; rumorosità minima; costi di produzione ridotti. Questi requisiti si applicano sia ai motori per la trazione dei veicoli (ad esempio i motori per i mozzi delle ruote) sia ai motori che azionano pompe, ventole, finestrini e sterzo.

Motori elettrici più efficienti con il Foc
Il controllo a orientamento di campo è un metodo consolidato per aumentare l’efficienza di qualsiasi motore elettrico, sia i motori di trazione, sia gli azionamenti ausiliari richiesti in ogni auto elettrica. La tecnologia Foc offre diversi vantaggi:
• i motori possono operare in ogni momento con i valori di coppia e velocità ottimali;
• il controllo Foc offre una regolazione precisa e rapida della velocità, caratteristica importante per applicazioni soggette a frequenti variazioni del carico dinamico (ad es. pompe o ventole);
• la riduzione delle oscillazioni di coppia si traduce in una rotazione più fluida del motore, che a sua volta riduce le emissioni rumorose, particolarmente importanti nei veicoli elettrici che non hanno un motore a scoppio rumoroso. Infine, il funzionamento più fluido e regolare del motore riduce l’usura dei cuscinetti, con conseguente aumento della durata e dell’affidabilità.

Per contro, la tecnologia Foc presenta parecchi svantaggi, in primo luogo la necessità di utilizzare un sensore per il rotore. Questo sensore può essere meccanico oppure un complesso sensore software, detto “osservatore”. Il sensore è necessario perché il controllo Foc deve conoscere l’esatta posizione del rotore per generare un campo magnetico adeguato nello statore per ottenere la massima coppia. L’uso di sensori e osservatori comporta costi aggiuntivi e aumenta il tasso di errori, soprattutto nelle applicazioni su veicoli. Secondo e-Traction, un costruttore olandese di motori per autobus elettrici, i sensori Foc hanno dimostrato di essere l’anello più debole dell’intero sistema. L’azienda segnala infatti che la maggior parte dei guasti al motore è attribuibile a problemi legati a questi sensori. D’altro canto, le implementazioni tradizionali senza sensori, ad esempio Sliding Mode Observer, richiedono competenze ad ampio spettro da parte del progettista. Inoltre, i relativi controlli denunciano una stabilità insufficiente alle basse velocità, aspetto particolarmente critico per i motori a bassa velocità o durante la fase di accelerazione.

La soluzione InstaSpin-Foc
InstaSpin- Foc è una tecnologia di controllo a orientamento di campo sviluppata da Texas Instruments con l’obiettivo di ridurre al minimo gli svantaggi dei controlli senza sensori. InstaSpin- Foc è abbinato ad altre due tecnologie: l’algoritmo di codifica software Fast (Flux–Angle–Speed–Torque) e il microcontrollore C2000 Piccolo. Utilizzando InstaSpin-Foc, Fast e la Mcu, i progettisti possono regolare e controllare qualsiasi tipo di motore sincrono o asincrono trifase con livelli variabili di velocità e carico, nel giro di pochi minuti. Il relativo software è stato integrato da TI nella Rom della Mcu e il costo del software è compreso nel prezzo della Mcu. Per le attività di sviluppo e valutazione, TI fornisce librerie di controllo motori (moduli, driver, sistemi e documentazione di riferimento) nell’ambito di MotorWare, in linea con le evoluzioni più recenti della programmazione a oggetti in linguaggio C e della codifica mediante interfacce API. Gli esperti possono utilizzare l’interfaccia gratuita Gui Composer Tool offerta da TI per sviluppare facilmente un ambiente di test grafico, che può essere utilizzato per prove di laboratorio. A questo si aggiunge lo strumento gratuito InstaSpin Simulation Tool che consente di effettuare simulazioni interattive online di InstaSpin-Foc. Utilizzando i parametri di diversi motori e differenti scenari di carico, i progettisti possono avere una visione approfondita delle funzionalità di InstaSpin-Foc e dell’algoritmo Fast in condizioni reali.

Ottimizzare qualsiasi tipo di motore elettrico
Rispetto alle tecniche tradizionali, InstaSpin-Foc offre numerosi vantaggi, ad esempio l’osservatore Luenberger e lo Sliding Mode Observer. Questa soluzione consente ad esempio di progettare motori robusti a bassa velocità e coppia elevata per azionamenti diretti compatti silenziosi idonei per bici elettriche, golf cart e scooter elettrici. Altre applicazioni sono le auto e veicoli commerciali elettrici o ibridi. Poiché l’algoritmo Fast è in grado di fare stime precise del flusso magnetico, dell’angolo del rotore, della velocità e della coppia in qualsiasi momento, in molti casi è possibile eliminare gli encoder rotativi. InstaSpin-Foc è attualmente disponibile per le Mcu a virgola mobile Piccolo F2806xF a 90MHz/32 bit e per la famiglia a bassissimo costo Piccolo F2802xF. InstaSpin-Foc è in grado di gestire diversi tipi di motori: motori brushless in corrente continua; motori sincroni a magneti permanenti; motori brushless a magneti permanenti interni; motori a induzione in corrente alternata.

Maggiore efficienza e meno componenti
Il consumo energetico della soluzione di Texas Instruments viene ridotto grazie al fatto che le informazioni sull’angolo vengono conservate anche quando la velocità del rotore scende ben al di sotto di 1Hz a coppia piena, quando il senso di rotazione viene invertito o quando il motore va in stallo (eliminando immediatamente la condizione di stallo). Grazie alle modalità di avviamento integrate offerte da InstaSpin-Foc, l’angolo del rotore può essere determinato entro meno di un ciclo elettrico. Questo aspetto è importante per i veicoli con funzione start/stop o per i veicoli totalmente elettrici, perché risolve in maniera efficiente i problemi di avviamento. Un ulteriore vantaggio di InstaSpin-Foc è l’assenza di cablaggi complessi se viene utilizzato un sensore software come Fast. Nelle soluzioni di controllo con sensori meccanici, infatti, le distanze rilevanti fra il motore e il relativo controllo richiedono a volte cablaggi schermati complessi per eliminare le interferenze.

Auto e biciclette elettriche, applicazioni di riferimento InstaSpin-Foc abbinato all’algoritmo Fast e a PowerWarp si presta in modo particolare ad applicazioni che richiedono coppie elevate a basse velocità del motore, come ad esempio veicoli elettrici ed e-bike. Ad esempio, Royal Dutch Gazelle utilizza InstaSpin-Foc per i motori delle sue biciclette elettriche. Mentre i tradizionali controlli senza sensori non riescono a fornire la coppia desiderata a velocità inferiori a 3-4km/h, InstaSpin-Foc è immediatamente operativo dopo l’avviamento. Secondo Gazelle, un altro vantaggio della soluzione di TI è la drastica riduzione dei tempi di progettazione, che consente ai progettisti dell’azienda costruttrice di biciclette di concentrarsi su altri aspetti, ad esempio la gestione ottimizzata della batteria. Un’altra società olandese, e-Traction, produce azionamenti, motori elettrici e altri componenti per veicoli elettrici, compresi gli autobus urbani. Gli azionamenti diretti della serie TheWheel generano una coppia fra 800 e 10.000Nm. Inoltre, e-Traction utilizza InstaSpin-Foc per pompe, compressori e starter-generatori basati su motori asincroni e motori sincroni per i mozzi delle ruote. e-Traction ha scelto InstaSpin-Foc perché consente al motore di fornire la coppia desiderata subito dopo l’avviamento. Come ulteriore vantaggio, l’esperienza pratica dell’azienda ha dimostrato che il funzionamento senza sensori incide positivamente sulla sicurezza e sull’affidabilità dei motori. Inoltre, non serve più alcuna calibrazione complessa. Gli azionamenti elettrici con controllo a orientamento di campo senza sensori possono essere impiegati in un’ampia gamma di applicazioni. Un esempio sono gli ausili alla mobilità per persone anziane o disabili, come carrozzelle e montascale. Ci sono poi scooter elettrici, carrozzelle elettriche, golf cart e motociclette elettriche. Gli azionamenti elettrici per questi veicoli prodotti su piccola scala rappresentano un mercato con un potenziale paragonabile ai motori elettrici per auto, autobus e camion.

Controllo di velocità con InstaSpin-Foc Motion
Oltre a InstaSpin-Foc, gli azionamenti per veicoli elettrici richiedono un controllo di velocità robusto e molto efficiente per accompagnare le rapide accelerazioni e assorbire i movimenti bruschi dei veicoli elettrici. InstaSpin-Motion di TI è una soluzione senza sensore per applicazioni che richiedono controllo di velocità preciso e funzionamento fluido affidabile. Ulteriori impieghi sono le applicazioni con molteplici transizioni di stato o cambiamenti dinamici. Un altro componente aggiuntivo di InstaSpin-Motion è SpinTac − sviluppato LineStream Technologies − che fornisce solide funzionalità di controllo su tutta la gamma dinamica di velocità e carico di un sistema ad azionamento elettrico. SpinTac raggiunge la massima precisione del controllo sfruttando il momento di inerzia. Il calcolatore di inerzia determina automaticamente l’inerzia del sistema guidando il motore e misurando la retroazione. Utilizzando un unico parametro di sintonizzazione, InstaSpin-Motion consente di testare e sintonizzare il controllo di velocità per ottenere diverse modalità di risposta, da “morbida” a “rigida”. Il guadagno del singolo controllore funziona su tutta la gamma di velocità e carico di un’applicazione, riducendo il lavoro di sintonizzazione rispetto ai sistemi Pid con molte variabili. Questi sistemi richiedono spesso una dozzina (o più) di gruppi di coefficienti di velocità e carico per coprire tutta la gamma di possibili condizioni dinamiche.

Esecuzione di profili di moto
SpinTAC semplifica anche le transizioni fra diversi stadi di velocità. A differenza delle tabelle di riferimento predefinite, SpinTAC viene eseguito dal processore per realizzare una transizione fluida e configurabile fra due stadi. SpinTAC genera automaticamente la curva ottimale che soddisfa i vincoli di strappo e accelerazione specifici di ciascun cliente, che vengono applicati al tipo di curva generata dal progettista:
• curva trapezoidale standard (accelerazione costante, nessun limite di strappo);
• curva a S (graduale, strappo limitato);
• curve ST proprietarie sviluppate da LineStream (molto graduali, strappo permanente).

Basandosi rispettivamente sui dati o sulle curve, i progettisti possono sintonizzare ogni singola transizione fra due stadi di velocità. Ad esempio, si può realizzare una transizione più morbida per uno scooter destinato a persone anziane, scegliendo invece una regolazione più aggressiva per veicoli sportivi come scooter o motociclette elettrici. Combinando InstaSpin-Motion e SpinTac, è quindi possibile riprodurre il comportamento di un motore a scoppio (soprattutto l’incremento graduale della coppia) anche in un veicolo elettrico. Questo accorgimento favorirà l’accettazione dei veicoli elettrici da parte dei guidatori di auto tradizionali.

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