A differenza dei dispositivi di sterzo tradizionali, un sistema Eps (Electric power steering) non include una pompa o un fluido idraulici. Presenta invece un motore elettrico collegato al piantone dello sterzo tramite un meccanismo a ingranaggi. Quando il guidatore gira il volante, un sensore di sterzo rileva sia la sua posizione che il grado di rotazione. Le informazioni rilevate vengono inviate al modulo di controllo dello sterzo, insieme ai dati forniti da un sensore della coppia sterzante installato sull'albero dello sterzo. Per determinare l'intervento della servoassistenza, il modulo di controllo riceve input anche dal sensore di velocità del veicolo, dal sistema di controllo della trazione e dai sistemi di controllo della stabilità. Grazie a un'interfaccia con il modulo di alimentazione, il modulo di controllo regola la quantità di corrente nel motore. Con l'aumentare della corrente nel motore aumenta anche la servoassistenza e viceversa. La corrente nel motore è generalmente controllata da un impulso di tensione Pwm inviato al motore tramite un circuito a ponte H. Qui riportate le varie modalità di funzionamento di un circuito a ponte H completo. Il motore ha un carico induttivo: la coppia è quindi determinata dalla media della corrente di ripple risultante, ovvero la servoassistenza fornita al guidatore.
Il dispositivo di misurazione della corrente controlla la corrente nel motore e fornisce un feedback in tempo reale al modulo di controllo, consentendo di regolare il duty cycle Pwm fino a quando la corrente non raggiunge il valore target. Uno dei metodi più utilizzati per misurare la corrente nel motore consiste nell'inserire una resistenza di rilevamento a basso valore in serie con il percorso della corrente, che produce una piccola caduta di tensione. La corrente differenziale è amplificata da un amplificatore di rilevamento della corrente che ne indica la magnitudine. Per il rilevamento della corrente sono disponibili tre opzioni: rilevamento sul fronte basso, sul fronte alto e sul motore. Di conseguenza, è possibile posizionare la resistenza di rilevamento tra il ponte H e la messa a terra (rilevamento sul fronte basso), sul fondo del bus Dc o tra il terminale positivo della batteria e il ponte H (rilevamento sul fronte alto) oppure sul fronte alto del bus Dc o sul motore stesso (rilevamento della corrente Pwm di uscita del motore). Queste alternative implicano dei compromessi. Il rilevamento sul fronte alto è pratico, ma aggiunge inutilmente resistenza al percorso della messa a terra e non offre funzionalità di diagnostica per il rilevamento di errori di cortocircuito a terra. Né il rilevamento sul fronte alto né quello sul fronte basso consentono di monitorare continuamente la corrente nel diodo di ricircolazione. Il rilevamento della corrente Pwm, tuttavia, non presenta questi vantaggi.
Sebbene possa sembrare semplice, un circuito di misurazione della corrente Pwm presenta limiti prestazionali tutt'altro che insignificanti. Il circuito deve "fare i conti" con le tensioni in common mode che oscillano dalla messa a terra alla tensione della batteria. Per respingere le escursioni in common mode, il circuito deve avere non solo un intervallo di tensione corrispondente a questa oscillazione, ma anche un Cmrr eccellente alla frequenza di commutazione e alle frequenze indotte dall'edge rate. I transienti in common-mode e il duty cycle al minimo del segnale Pwm comportano il rispetto di severi requisiti per il tempo di impostazione dell'amplificatore Csa. Per una risposta precisa e lineare, il circuito di misurazione della corrente deve avere un alto guadagno, un'elevata precisione e una bassa tensione di offset. Inoltre, dal momento che l'intervento manuale è parte delle procedure di controllo, la linearità e la precisione sono fattori critici. La non-linearità nel circuito può pregiudicare l'azionamento causando oscillazioni o vibrazioni in caso di sovrasterzo del veicolo. Nel circuito di controllo e misurazione della corrente nel motore, il motore è collegato all'interno di una configurazione a ponte H completa, la quale - grazie alla polarità della tensione facilmente invertibile - consente una rotazione in tutte le direzioni. Il circuito integrato illustrato resiste a tensioni in common mode da -20 a 75 V, cosa che lo rende immune a fly-back induttivi, sovraccarichi transitori e guasti dovuti all'inversione della polarità della batteria. Il dispositivo integra anche un amplificatore da strumentazione dotato di un'architettura brevettata con feedback indiretto della corrente che permette il rilevamento preciso della corrente con una tensione di offset in ingresso di 400 μV (max) e un errore di guadagno dello 0,6% (max). In caso di funzionamento con un mezzo circuito a ponte H, la tensione di riferimento esterna supporta il rilevamento della corrente sia bidirezionale (come richiesto da una configurazione a ponte H completa) che unidirezionale. Nelle applicazioni che richiedono un rilevamento bidirezionale, la tensione di uscita corrisponde alla tensione di riferimento quando la corrente rilevata è pari a zero. Il guadagno regolabile e il guadagno fisso offrono la massima flessibilità su numerose applicazioni.
Rilevamento della corrente per il controllo a solenoide
I solenoidi sono ampiamente utilizzati come interruttori elettromeccanici nei veicoli. Un solenoide di avviamento, ad esempio, fornisce una grande quantità di corrente elettrica al motorino di avviamento, che mette in moto il motore. Molti sono i sistemi di controllo automotive che utilizzano un'unità a solenoide per il controllo di precisione. Ad esempio, un motore standard per treni con alimentazione diesel utilizza i solenoidi come sofisticate valvole di controllo elettroniche che forniscono la giusta quantità di carburante direttamente sui singoli cilindri del motore, il tutto a pressioni elevate. La temporizzazione di queste valvole è controllata attentamente dall'unità di controllo del motore per garantire sincronia con il motore diesel. Il risultato è un motore abbastanza ecologico che non solo è meno rumoroso, ma riduce la quantità di emissioni e utilizza il carburante in modo più efficiente. I sistemi di controllo a solenoide vengono anche utilizzati per il cambio, la trasmissione, il servofreno e le sospensioni attive. L'interruttore sul fronte alto è in genere il Fet con gate controllato da un segnale Pwm. Quando è attivo, il Fet collega il solenoide alla tensione della batteria a 14 V, generando una corrente che carica la bobina del solenoide. A Fet spento, la corrente del solenoide viene scaricata tramite il diodo del morsetto e la resistenza di derivazione. La regolazione della frequenza Pwm e del duty cycle determina la corrente di ripple media risultante nel solenoide, che controlla a sua volta la forza applicata all'attuatore. Le problematiche associate al rilevamento della corrente del solenoide finalizzato alla regolazione della frequenza Pwm e del duty cycle sono simili a quelle delle applicazioni a ponte H. Le tensioni in modalità comune all'ingresso dell'amplificatore di rilevamento della corrente vanno dalla tensione della batteria alla tensione di caduta leggermente negativa del diodo del morsetto. I solenoidi standard richiedono pochi ampere di corrente; pertanto, il diodo di un morsetto che supporta tale corrente potrebbe sviluppare una tensione diretta superiore a 1 V. L'ampio range in common mode di ingresso e l'impostazione rapida in risposta alle variazioni in common mode dell'amplificatore sono ideali per questa applicazione, che si differenzia da quella del ponte a H principalmente per il fatto che la corrente del solenoide scorre sempre nella stessa direzione, richiedendo un amplificatore unidirezionale. MAX9918 diventa un amplificatore di rilevamento della corrente unidirezionale collegando a terra il suo ingresso di riferimento (REFIN).
Risultati di laboratorio
Un circuito di applicazioni a solenoide tipico elaborato in funzione dei prototipi di laboratorio ha il seguente funzionamento: il solenoide è emulato da un induttore a 2 mH con un ESR basso, pari a solo 1,6 W. La resistenza di rilevamento è di 100 mΩ e il valore R4 di 15 W limita la corrente massima del solenoide a:
Imax = VBAT / (Rsense + ESR + R4) = 12 V/(0,1+1,6+15) W = 0,72 A.
Si noti che solo R4 non è presente nel circuito a solenoide effettivo.
Il valore massimo della corrente è il limite teorico raggiunto quando l'induttore è completamente carico. I valori indicati per la resistenza e per l'induttore impostano la costante del tempo del circuito a circa 0,12 ms, equivalente a circa 8,3 kHz. Dai resistori esterni R1 = 1 kW e R2 = 79 kW viene impostato un guadagno di 80. Il funzionamento del circuito è illustrato da forme d'onda con una frequenza di 5 kHz e duty cycle dell'80% e del 50%. La forma d'onda superiore indica la tensione su R4, che è proporzionale alla corrente che passa nell'induttore. La forma d'onda centrale indica l'uscita dell'amplificatore di rilevamento della corrente, mentre quella inferiore il segnale Pwm del drain del Pfet. Duty cycle più elevati generano più corrente, come è logico aspettarsi. Pertanto un amplificatore preciso ad alta tensione per il rilevamento della corrente sul fronte alto come MAX9918 offre misurazioni ad alta precisione con resistenze di rilevamento inferiori. In più gestisce le correnti del motore bidirezionali derivate dai ponti H, come ad esempio quelle dei sistemi Eps, nonché le correnti a solenoide unidirezionali di cambi automatici, trasmissioni, servofreno e sospensioni attive.
