Scheda di controllo dei magnetotorquer

La scheda di controllo dei magnetotorquer contiene tre circuiti uguali, uno per ciascuna bobina, per cui per chiarezza si descriverà il funzionamento di uno solo.

Lo schema a blocchi seguente mostra la struttura di detto circuito:

Alim. / Comandi Alimentazione Scheda del microcontrollore Com/Seriale Controller dei magnetotorquer Motori Magnetometri Alim. / Comandi

Figura V.4: Schema a blocchi della scheda di controllo di magnetotorquer

La tensione in ingresso è di 12V non stabilizzata, collegata direttamente con l’ingresso nella scheda del microcontrollore. Questa tensione è troppo alta per il circuito, per cui viene abbassata a 3.3V, un valore compatibile tanto con le uscite del microcontrollore quanto con gli ingressi analogico-digitali dello stesso.

Due interruttori abilitano o disabilitano il magnetotorquer e il relativo sensore di corrente, permettendo di accenderli solo quando necessario per un maggior risparmio energetico.

Il cuore del controller è formato da un generatore di corrente controllato in tensione: il segnale PWM generato dal microcontrollore, tramite un filtro RC, viene trasformato in un segnale continuo e utilizzato come riferimento per il generatore di corrente. L’uscita del generatore è collegata al circuito di controllo della polarità, anch’esso controllato dal microcontrollore, che fornisce l’alimentazione alla bobina.

La stessa resistenza di riferimento del generatore di corrente è utilizzata come elemento di sensing per il sensore di corrente, risparmiando così un ulteriore elemento nel circuito e migliorando l’efficienza complessiva. La lettura della tensione ai capi della resistenza viene mandata ad un

Interruttore di accensione Resistenza di riferimento Generatore di corrente Impostazione della polarità Bobina Interruttore sensori Sensore di corrente Alimentazione PWM Filtro Lettura corrente DC/DC Polarità

amplificatore differenziale che, opportunamente regolato, fornisce un’uscita proporzionale alla corrente imposta sul carico.

I vantaggi di questa soluzione sono vari. In primo luogo si utilizza un circuito completamente lineare per gestire la corrente su carichi quasi completamente induttivi: questo approccio elimina completamente la possibilità di generare interferenze ad alta frequenza che sarebbero irradiate in tutto l’ambiente circostante se il controllo fosse di tipo switching. In secondo luogo, il circuito è intrinsecamente sicuro: la corrente viene limitata al massimo possibile tramite la resistenza di riferimento, per cui anche qualora il carico dovesse andare in corto circuito, la corrente resterebbe limitata al valore fissato in fase di progetto. Inoltre, in caso di guasto, il circuito rimarrebbe aperto rendendo inutilizzabile la bobina ma senza compromettere l’uso delle rimanenti.

Di seguito sono esaminati nel dettaglio le varie componenti del circuito.

Figura V.5: Schema elettrico dell’alimentatore della scheda di controllo dei magnetotorquer

Il convertitore progettato per fornire l’alimentazione al circuito è basato sul controller switching LT1376 della Linear Tecnology, montato in configurazione di Buck Converter e caratterizzato da un’elevata efficienza, nell’ordine dell85% e in grado di erogare fino a 1.5A.

Il principio di funzionamento è semplice: il controller mantiene alla sua entrata di feedback un valore costante, che è ricavato tramite un partitore dall’uscita del convertitore stesso, garantendone così la stabilità. Questo dispositivo richiede solo pochi componenti esterni, di cui l’induttore e i condensatori di entrata e uscita rappresentano quelli più importanti.

Figura V.6: Efficienza dell’alimentatore switching impiegato nella scheda di controllo dei magnetotorquer10

Come detto, per quest’applicazione è fondamentale evitare che segnali ad alta frequenza arrivino alle bobine, e questo è vero ancor più per l’alimentazione a cui vengono collegate. Il calcolo quindi dell’induttanza e del condensatore di filtro diventa fondamentale per garantire un ripple il più basso possibile.

Il parametro più importante per il condensatore è la resistenza equivalente di serie, ESR: più questo valore è basso, meno ripple viene generato dalla corrente dell’induttanza. Per ottenere un valore basso si possono scegliere condensatori prodotti con particolari materiali, che risultano però più ingombranti rispetto a normali condensatori, oppure posizionare più condensatori in parallelo per ottenere il parallelo delle resistenze.

In questo caso si è scelto un condensatore con una ESR relativamente bassa, pari a 0.8Ω, e ne saranno posti quattro in parallelo nelle varie parti del circuito, ottenendo quindi una resistenza complessiva di 0.2Ω.

Per quel che riguarda la induttanza, il parametro fondamentale è l’impedenza. In questo caso la scelta è stata per una induttanza da 10uH.

Utilizzando le formule fornite sulla nota di applicazione, si ottiene che la massima tensione picco- picco di ripple è pari a:

A f L V V V V Induttore I IN OUT IN OUT p p 0,478 ) ( ) (       





Considerando che la massima corrente erogata nell’applicazione in questione in condizioni di funzionamento normali è di 150mA, ossia un decimo della massima corrente disponibile con questo regolatore, una tensione di ripple sicuramente inferiore a 95mV è accettabile.

L’alimentazione viene inviata ad ognuno dei tre circuiti delle bobine attraverso un interruttore formato da due MOSFET, uno di tipo N e uno di tipo P, con tensioni di gate compatibili con il segnale a 3.3V in uscita dal microcontrollore.

Figura V.7: Circuito di attivazione dell’alimentazione

Questo tipo di circuito è lo stesso utilizzato per fornire l’alimentazione ai sensori. La sezione di circuito seguente è il generatore di corrente vero e proprio:

Figura V.8: Circuito del generatore di corrente del controller dei magnetotorquer

La resistenza R3 è la resistenza di riferimento del generatore. Il valore è stato scelto per avere una corrente massima di 150mA sul carico. La scelta di un valore di corrente massimo pari al triplo previsto permette da un lato di testare le capacità della sezione di alimentazione senza dover collegare tutti tre i magnetotorquer, e dall’altro lascia molto margine per l’aumento della corrente in fase di controllo qualora si rendesse necessario. All’uscita di R3 è collegato l’ingresso invertente di U3, l’amplificatore operazione che controlla il generatore. Sull’ingresso non invertente dello stesso operazionale si trova il filtro RC che ricava un valore di tensione costante a partire dal segnale PWM generato dal microcontrollore. L’uscita dell’operazionale pilota Q1, il MOSFET che regola il passaggio della corrente.

Il principio di funzionamento è semplice ed efficace: un amplificatore operazionale regola l’uscita in modo da mantenere uguale la tensione ai due ingressi. Ad uno di questi viene fornita la tensione di riferimento, mentre la tensione presente sull’altro è inversamente proporzionale alla corrente che scorre attraverso il circuito. Nei due casi estremi, una tensione di controllo pari a quella di alimentazione significa che sulla resistenza di riferimento non deve esserci nessuna caduta, quindi la corrente imposta è uguale a zero. Nel caso opposto, ossia tensione di controllo pari a zero, il circuito tende a far passare più corrente possibile per portare la tensione al capo della resistenza più vicino possibile a zero.

L’integrato U2 è un amplificatore per strumentazione, formato da tre amplificatori operazionali, utilizzato per la lettura della corrente. Utilizza la stessa resistenza impiegata come riferimento per il

generatore di corrente, risparmiando così componenti e spazio sulla scheda. Alimentato da un circuito indipendente attivato dal microcontrollore, fornisce un valore di tensione in uscita proporzionale alla differenza delle tensioni in ingresso, il cui guadagno è regolato da R4. Questo tipo di amplificatore permette di annullare la componente continua della misura, mantenendo solo la parte differenziale.

La sezione di circuito successiva ha il compito di cambiare il verso di scorrimento della corrente nel magnetotorquer.

Figura V.9: Circuito di controllo della polarità nel controller dei magnetotorquer

Realizzare un generatore di corrente in grado di erogare e assorbire corrente, per permettere lo scorrimento in entrambi i versi, richiede un circuito più complesso di quello utilizzato. Risulta quindi molto più pratico invertire i collegamenti del carico per ottenere l’effetto desiderato, e questo è possibile tramite un ponte di MOSFET. I due estremi del carico vengono quindi collegati in un verso o nell’altro a seconda di un comando di polarità inviato dal microcontrollore, che abilita una combinazione o l’altra. Per risparmiare collegamenti tra le schede, un semplice circuito effettua l’inversione logica del segnale di polarità, operazione necessaria per il corretto controllo del ponte. A questo punto, l’uscita viene inviata al connettore dei magnetotorquer.

Inizialmente era prevista la presenza di sensori ad effetto Hall per avere una lettura del campo generato tramite i magnetotorquer, ma per vari motivi questa sezione di circuito è stata scartata. L’uso dei sensori di corrente, abbinato ai magnetometri del sistema di controllo, è infatti più che sufficiente per verificare il corretto funzionamento del sistema. Leggendo la corrente, infatti, è

possibile rendersi conto se il circuito funziona come richiesto e, anche se dovesse essere presente un corto circuito che blocca l’alimentazione alle bobine, la mancanza di cambiamenti nelle letture dei magnetometri lo segnalerebbe.