173
174 L’impiego di LUT per il calcolo dei riferimenti in deflussaggio come per il funzionamento in MTPA permetterebbe di seguire la traiettoria ottimale del vettore corrente, tuttavia risulterebbe necessaria una conoscenza accurata del modello magnetico. Queste tabelle inoltre sono molto più complesse di quelle usate per il funzionamento in MTPA, per le quali l’unico ingresso necessario è la coppia di riferimento: i due riferimenti di corrente in deflussaggio varieranno in funzione di:
- La coppia di riferimento - La velocità di funzionamento - La tensione di dc-link
Se il modello magnetico di macchina è noto accuratamente, risulta più conveniente implementare l’osservatore di flusso e utilizzare una delle altre due tecniche proposte nell’elaborato.
Appare evidente che il FOC non dà le stesse garanzie degli altri due controlli ad alte velocità nella regione di deflussaggio. Ha dimostrato di non avere quelle qualità necessarie per applicazioni nell’ambito automotive. Per tale motivo non è stato provato in laboratorio.
• “Direct Flux Vector Control” (DFVC):
Tale tecnica si basa sul controllo del flusso statorico e della corrente ad esso in quadratura nel sistema di riferimento (𝑑𝑠, 𝑞𝑠) sincrono con il flusso stesso. I grandi vantaggi di questo controllo risiedono nella gestione del deflussaggio:
- Controllare direttamente l’ampiezza del flusso statorico 𝜆 permette di semplificare la gestione del deflussaggio: è necessario soltanto ridurre l’ampiezza della grandezza controllata in funzione della velocità nel punto di lavoro, non vengono impiegati regolatori PI per deflussare la macchina, conseguentemente la dinamica di coppia alle alte velocità può essere molto elevata.
- Anche la gestione del funzionamento in MTPV non risulta complicata, il PI per la regolazione dell’angolo di carico è efficace, molto rapido in quanto la banda passante dell’anello viene posta pari a quella degli anelli di flusso e corrente, e la taratura dei guadagni è facilmente ottenibile per via analitica.
Il DFVC si è dimostrato essere la migliore delle tre tecniche proposte per la gestione del deflussaggio e quindi quella che probabilmente è maggiormente indirizzata per un’applicazione nell’ambito della trazione elettrica.
Tuttavia il DFVC si è dimostrato meno performante degli altri due controlli nel funzionamento in MTPA per due motivi:
- La natura sia vettoriale, sia scalare della tecnica in questione può essere limitante per la dinamica di coppia in caso di inversioni del riferimento di coppia e passaggio di funzionamento da motore a freno o viceversa. Il flusso statorico viene controllato scalarmente, in quanto se ne regola l’ampiezza, la corrente viene controllata vettorialmente e soltanto nella sua componente 𝑖𝑞𝑠, la 𝑖𝑑𝑠 varia di conseguenza cercando di andare a contribuire alla produzione del flusso richiesto. Essa si stabilizza in un punto di lavoro in cui quel flusso viene garantito, ma questo punto
175 sfortunatamente non è univoco, non esiste soltanto quello desiderato collocato sulla curva di MTPA. È stato dimostrato in ambiente di simulazione che inversioni di coppia molto rapide possano portare ad un abbandono da parte della corrente e del flusso di tale curva. Questo fenomeno è evitabile limitando lo slew rate del riferimento di coppia in caso di inversione.
- La corrente in asse qs è molto disturbata da quella in asse ds in caso di rapida variazione dell’angolo di carico, ottenuta tipicamente per variazioni della coppia intorno allo zero. La corrente reale e conseguentemente la coppia si discostano dai loro riferimenti. Questo fenomeno è stato dimostrato teoricamente nell’analisi del controllo di macchina effettuata nel cap. 6 ed è stato osservato prima in ambiente di simulazione e successivamente durante le prove di laboratorio.
• “Direct Flux Control” (DFC):
Il controllo vettoriale del flusso nel sistema di riferimento (𝑑, 𝑞) sincrono con il rotore è una soluzione del tutto personale, che nasce dall’idea di cercare di combinare le qualità del FOC nel funzionamento in MTPA con quelle del DFVC in deflussaggio. Vengono elencati i punti di forza della tecnica proposta:
- Come dimostrato per il DFVC, un controllo diretto del flusso permette di gestire molto più facilmente il deflussaggio di macchina rispetto ad un algoritmo basato sul controllo delle correnti. È necessaria soltanto un’operazione di saturazione dell’ampiezza, da effettuare una volta avvenuto il passaggio alle coordinate polari. I due regolatori PI impiegati in fase di deflussaggio hanno il compito di far aumentare la corrente per poter sfruttare a pieno in potenza l’azionamento, ma non incidono sulle operazioni di riduzione del flusso.
- Un controllo completamente vettoriale del flusso permette di risolvere le problematiche correlate alla natura in parte scalare del controllo DFVC. Controllando entrambe le componenti del vettore in ogni istante è possibile imporre sia l’ampiezza che la direzione e il verso desiderati. Il fenomeno di abbandono della curva di MTPA in caso di brusca inversione della coppia non può più verificarsi.
- I disturbi dei due anelli di flusso sono facilmente stimabili e compensabili mediante
“Feed forward”. Tali disturbi non dipendono inoltre dalla variazione dell’angolo di carico. Non si verifica quel non trascurabile discostamento della coppia dal riferimento in caso di variazioni della coppia intorno allo zero, come invece accadeva per il DFVC.
Dalle prove sperimentali è emerso che il DFC è più sensibile alla discretizzazione dell’encoder del DFVC, la coppia stimata è risultata conseguentemente più disturbata. Tale problematica può essere facilmente risolta impiegando un encoder a maggior risoluzione. Nel complesso può ritenersi che il DFC sia preferibile al DFVC nel funzionamento in MTPA.
Il DFC non permette di ottenere le stesse prestazioni del DFVC in deflussaggio:
- La presenza dei due regolatori PI di coppia e corrente può procurare due effetti negativi:
176
▪ Un abbassamento momentaneo della coppia erogata negli istanti iniziali di ingresso in deflussaggio, dovuta al fatto che i due regolatori solo in quel momento entrano in funzione.
▪ Una riduzione della dinamica di coppia in deflussaggio. I riferimenti di flusso non dipendono solo dalla coppia di riferimento, ma anche dalle correzioni effettuate dai regolatori di coppia e corrente. Una variazione della coppia di riferimento a gradino non implica una variazione dei riferimenti di flusso a gradino. In caso di inversione di coppia alle elevate velocità i due regolatori PI devono avere il tempo di ridurre l’angolo di carico di riferimento e evitare così il superamento della curva di MTPV da parte del flusso e della corrente durante la fase transitoria.
- Il controllo risulta essere molto più sensibile del DFVC alla saturazione dei duty cycles nel funzionamento in deflussaggio e in particolar modo in MTPV. In caso di saturazione si verifica immediatamente una perdita del controllo. Per tale motivo è necessario adottare coefficienti di deflussaggio 𝐾𝜔 più bassi, il che implica un peggiore sfruttamento dell’azionamento in potenza. Mediante il DFVC è possibile fornire una potenza più elevata a parità di tensione di dc-link e corrente massima assorbita.
L’elevata sensibilità alla saturazione dei duty cycles in deflussaggio è il difetto più limitante per la tecnica di controllo vettoriale DFC. Studi futuri più approfonditi potrebbero portare a soluzioni a tale problematica e rendere il DFC competitivo con il DFVC nella gestione del deflussaggio. Una possibilità può essere quella di gestire con priorità l’anello in asse q rispetto a quello in asse d, quindi mettere a disposizione tutta la tensione disponibile per la regolazione di 𝜆𝑞 e impiegare il margine di tensione rimasto per la regolazione di 𝜆𝑑. Questa scelta può portate a dei vantaggi in quanto il flusso in asse q è più elevato di quello in asse d nel funzionamento in deflussaggio e MTPV, una saturazione dell’anello in asse d potrebbe risultare meno problematica e non causare un’istantanea perdita di controllo. Tale soluzione ha trovato buoni riscontri in ambiente di simulazione, tuttavia non è stato possibile effettuare prove di laboratorio con questa correzione dell’algoritmo.
Fino a nuovi sviluppi, il DFVC risulta essere la tecnica di controllo vettoriale tra le tre proposte che meglio si presta ad applicazioni nell’ambito nell’e-mobility.
177
178