L A DESCRIZIONE DEL PROGETTO
La descrizione del progetto digitale sviluppato in questo lavoro di tesi non può prescindere dalla conoscenza del funzionamento e dell’architettura della soluzione analogica, in quanto uno degli obiettivi che questo lavoro si propone è la perfetta intercambiabilità della parte di controllo delle due soluzioni. In questo capitolo, dopo aver fornito e giustificato le specifiche tecniche del progetto, si riassumerà, attraverso la descrizione dei blocchi funzionali della soluzione analogica, un completo ciclo di controllo e regolazione, fino ad arrivare alla discussione dello schema di principio dell’implementazione digitale.
Riferimenti bibliografici: [12], [13].
S PECIFICHE DEL PROGETTO
Riprendendo la relazione della tensione Vmo precedentemente proposta (0.2), si nota come il valore massimo dell’estensione picco-picco della tensione prodotta da un generatore a magneti permanenti dipenda dal numero di poli e di avvolgimenti p, dalla loro configurazione Ka ed infine dalla massima velocità di rotazione del motore
MAX:
(1.1) VmoP P = 2
MAX p K a.Come già affermato il numero di coppie polari può variare da 6 a 24 e la velocità angolare di punta cambia notevolmente a seconda della tipologia del motore utilizzato (2 o 4 tempi) e della caratteristica della sua applicazione; considerando,
quindi, due veicoli differenti si potranno riscontrate due tensioni notevolmente differenti l’una dall’altra ai capi dei due generatori; risulta quindi chiaro che non è possibile dimensionare il regolatore per la generalità delle applicazioni automotive per cui è stato pensato, ma c’è bisogno di ottimizzare il sistema per ogni sua peculiare applicazione. Occorre inoltre tener presente che nell’espressione (0.2) si è supposta l’uscita del generatore perfettamente sinusoidale, cosa non vera nella realtà e che, come si capirà più avanti, forme d’onda differenti necessitano di controlli differenti.
Questo progetto è stato ottimizzato per un motore con 12 poli magnetici, con un numero di giri/minuto variabile tra un minimo di 1500 ed un massimo di 15000 e con una tensione di uscita che varia linearmente con la frequenza a che va da un minimo di 30 ad un massimo di 300V picco-picco. Dovendo testare il sistema in laboratorio, disponendo di attrezzatura in grado di fornire forme d’onda molto simili a quelle ideali, si è considerata l’uscita perfettamente sinusoidale con una frequenza variabile, secondo la relazione (0.1) nel range 300Hz 3KHz..
Il motore è stato, quindi, modellizzato con un generatore ideale con in serie una resistenza (Rg) ed una induttanza (Lg) che tengono conto della natura degli avvolgimenti e della loro configurazione. I valori tipici dell’induttanza interna del generatore sono dell’ordine del mH, a seconda della tipologia degli avvolgimenti, a sua volta dipendenti dal tipo di generatore e dalla sua potenza massima, mentre la resistenza interna dell’avvolgimento stesso varia tra qualche centinaia di mOhm a pochi Ohm; senza perdere troppo di generalità si è supposto Lg =1mH e Rg =1.
I carichi da pilotare sono sostanzialmente delle lampade ad incandescenza, che necessitano di un’alimentazione costante solo nel valore efficace, senza particolari limitazioni sulla forma d’onda, e che riescono a sopportare alimentazioni istantanee ben più alte del valore nominale, come ad esempio gli indicatori di direzione, i fari, gli stop, l’illuminazione della strumentazione di bordo.
Considerando la dotazione standard di un veicolo, e lasciando un discreto margine di personalizzazione di tale dotazione, si è ritenuto ragionevole una distribuzione dei carichi variabile da 1 , in corrispondenza del quale il generatore fornisce la sua massima potenza, a 100 , quando il generatore fornisce il minimo della sua potenza.
Un’altra specifica molto importante è la risposta del sistema. Durante un normale utilizzo di un ciclomotore la configurazione dei carichi da alimentare cambia innumerevoli volte. La resistenza interna del generatore può essere confrontabile con il carico e quindi può esserci un notevole rapporto di partizione tra la tensione prodotta dal motore e quella fornita all’utilizzatore: una variazione repentina del carico, causata ad esempio dalla commutazione del comando dei fari, ha come conseguenza un altrettanto rapido sbalzo della tensione ai suoi capi. Questo è il motivo per cui si necessita di brevissimi tempi di reazione del regolatore. Il sistema complessivo risulta avere una costante di tempo = Lg /(Rg + Rload) che, data la distribuzione del carico, varia da pochi a centinaia di millisecondi, per cui si è ritenuto opportuno limitare la risposta ai transitori entro i 50 ms.
Per un corretto dimensionamento del sistema è necessario tener presente anche la corrente del circuito: per la configurazione generatore-carico appena proposta, tenendo presente che per questo tipo d’applicazione si regolerà una tensione dal valore efficace VRMS (Root Mean Square) pari a 13,5 V, si ha che la massima corrente erogata IRMS-MAX sarà pari a 13,5 A, con un carico di 1 .
Le specifiche appena discusse, da rispettare per il corretto dimensionamento del progetto, sono riassunte nella seguente tabella.
SPECIFICA VALORE DI RIFERIMENTO
Generatore
Tensione massima picco-picco (VmoP-P) 300 V Frequenza sinusoide in uscita (f) 300 Hz ÷ 3 KHz
Resistenza interna (Rg) 1
Induttanza avvolgimenti (Lg) 1 mH
Carico
Variazione Carico (Rload) 1 ÷100
Tensione RMS desiderata sul carico (V*RMS) 13,5 V
Corrente RMS massima assorbita 13,5 A
Tempi di risposta
Risposta ai transistori 50 ms
Tabella 1.1 – Riassunto delle specifiche del progetto.
D ESCRIZIONE DELLA SOLUZIONE ANALOGICA DEL SISTEMA ATTRAVERSO I BLOCCHI FUNZIONALI
Lo schema di figura 1.1 è il risultato della progettazione analogica del regolatore proposto nel Brevetto WO; nel successivo capitolo verrà approfondito il blocco rappresentato dagli interruttori che per ora verrà trascurato. In questo paragrafo si forniranno informazioni sul funzionamento della parte di controllo del regolatore, descrivendo il comportamento dei vari blocchi realizzati nel progetto analogico. Per una più accurata descrizione della realizzazione analogica si rimanda al riferimento bibliografico [13].
Vmo
V*rms Vmo Vmo
PI
V*rms Vrms
Switch Driver Vpi Vpi off-down off-up
on-up on-down
Vzc Vsaw
Frequenzimetro
Vfreq Vmo
Sawtooth Generator
Vfreq Vsaw
Zero Vzc
Crossing
Vmo Vzc
TRMS
Vrms Rload Vin Ds- Ds+
SWs+ SWs- Lg
Rg
-+
Vg
Vload = tensione ai capi del carico;
Vload-RMS = uscita del blocco TRMS, valore efficace della tensione;
V*RMS = valore rms di riferimento;
Vzc = uscita del blocco Zero Crossing;
Vsaw = tensione a dente di sega, uscita del blocco Sawtooth Generator;
Vpi = uscita del blocco PI;
on-up, off-up = segnali di chiusura ed apertura dell’interruttore SWs+; on-down, off-down = segnali di chiusura ed
apertura dell’interruttore SWs-; Vfreq = uscita del frequenzimetro;
Figura 1.1 – Schema a blocchi funzionali della soluzione analogica di un regolatore serie e relativa tabella descrittiva.
La tensione in uscita dal generatore viene inviata ad uno zero crossing e ad un frequenzimetro, come da figura 1.1.
La funzione dello zero crossing non è solo di determinare gli istanti di attraversamento dello zero di Vmo, necessari per una corretta sincronizzazione degli istanti di apertura e chiusura degli interruttori, ma anche di fornire informazioni sul verso di tali attraversamenti, per pilotare il giusto interruttore: un passaggio per lo zero da parte di Vmo con pendenza negativa significa la fine della semionda positiva e l’inizio di quella negativa che ha come conseguenza l’apertura di SWS+ e la chiusa di SWS-.
Il frequenzimetro è in grado di fornire in uscita una tensione continua proporzionale alla frequenza della tensione che riceve in ingresso. Il suo impiego è necessario per una corretta determinazione degli istanti di chiusura degli interruttori.
Il sawtooth generator, ricevendo in ingresso Vfreq, produce in uscita un segnale a dente di sega con frequenza pari a quella di Vmo, e con valore di picco costante, ottenuto variando la pendenza di salita del segnale proporzionalmente all’uscita del frequenzimetro.
La tensione ai capi del carico, il cui valore efficace viene letto da un lettore TRMS (True – RMS) che produce in uscita una tensione costante proporzionale appunto a Vload-RMS. Questa tensione, tramite una sottrazione, viene confrontata con il valore di riferimento desiderato V*RMS ed in base alla loro differenza, ossia l’errore di regolazione, il controllore P.I. (Proporzionale Integrativo) determina una soglia per lo switch driver.
Figura 1.2 – La tensione del generatore, in blu, nei primi 400 ms ha una frequenza di 500Hz e Vsaw ha valore massimo di 15 V; Vpi, in rosso, è pari a 8 V: in questa situazione lo switch driver riesce ad azionare gli interruttori. Tra 400 e 600 ms, Vsaw conserva la pendenza, ma non il valore massimo: Vpi non viene mai raggiunta, per cui gli interruttori non verranno pilotati. Negli ultimi 200 ms invece Vsaw cambia la pendenza per ripristinare i 15 V di valore massimo: a questo punto la soglia Vpi viene attraversata di nuovo e si possono azionare correttamente gli interruttori.
Lo switch driver è il responsabile della temporizzazione degli interruttori:
confronta Vsaw con Vpi e, non appena il valore della tensione a dente di sega eguaglia Vpi, genera la corretta sequenza dei segnali di ON e di OFF.
Nella figura 1.2 si può vedere perché sia fondamentale generare una tensione a dente di sega di ampiezza costante.
Nella figura 1.3 è possibile vedere come, in linea di principio, opera il regolatore serie. La figura è puramente qualitativa, non deve quindi preoccupare se cambia il valore di picco di Vmo e non cambia la sua frequenza.
Vmo
Vpi
Figura 1.3 – Esempio del funzionamento del regolatore serie.
In base al valore della Vmo l’uscita del controllore P.I. si assesta su un valore tale da rispettare le richieste su Vload (immagine a sinistra). Passando all’immagine centrale si vide come l’ampiezza di Vmo sia aumentata; questo comporta un aumento anche del valore efficace della tensione sul carico: la differenza Vload-Rms – V*RMS diventa positiva e per bilanciare queste effetto il controllore PI aumenta Vpi innalzando la soglia d’accensione riducendo l’intervallo di conduzione degli interruttori serie. Gli interruttori rimangono chiusi solo nell’intervallo di tempo in cui Vsaw è al di sopra di Vpi: aumentare Vpi vuol quindi dire diminuire l’intervallo di conduzione. Nell’immagine di destra l’estensione di Vmo è diminuita e con lei anche Vload-RMS. In questo caso la differenza Vload-Rms – V*RMS ritorna negativa: c’è bisogno che gli interruttori rimangano chiusi per un tempo maggiore per ripristinare il valore efficace della tensione sul carico. Vpi viene quindi abbassata per riportare il sistema all’equilibrio.
A SPETTATIVE DELLA SOLUZIONE DIGITALE
Ingombri, consumi, velocità, precisione, versatilità e, non da ultimo, costi di produzione: il ricorso alla tecnologia digitale si propone di apportare vantaggi in ognuno di questi aspetti del regolatore serie.
L’obiettivo primario del progetto digitale è la sostituzione della parte di controllo con un microcontrollore contornato dal minor numero possibile di circuiti ausiliari.
Poiché il regolatore in esame è stato pensato per equipaggiare veicoli privi di batterie, si fa predominante il problema delle alimentazioni: un circuito che, per il suo corretto funzionamento, richiede l’utilizzo di più alimentazioni, di certo si addice poco a questo tipo di applicazioni. Per questo motivo, laddove non fosse possibile fare a meno di circuiteria esterna al microntrollore, sono state ideate delle strategie e degli algoritmi di elaborazione tali da non richiedere l’utilizzo di nessun componente attivo.
Nel capitolo III, dopo aver discusso lo studio di fattibilità del progetto, saranno elencate e giustificate le specifiche e le periferiche di cui dovrà essere dotato il microcontrollore più adatto alla realizzazione di una parte di controllo del regolatore che possa essere rappresentata dalla figura 1.4.
Vload Vmo
Vload Vmo
microcontrollore
on-up off-up on-down off-down
Vmo-a Vload-a
Rload
Rete di
Adattamento Vmo-a Vload-a Vmo Vload
Ds- Ds+
SWs+ SWs- Lg
Rg
-+
Vg
Vload-a = Vload adattata alle specifiche del microcontrollore;
Vmo-a = Vmo adattata alle specifiche del microcontrollore;
Figura 1.4 – Schema di principio della soluzione digitale del regolatore serie e relativa tabella descrittiva.
La presenza di una rete d’adattamento è indispensabile in quanto Vmo e Vload
superano di gran lunga i valori delle tensioni sopportabili dai microcontrollori commerciali.
Tutti i blocchi funzionali presenti in figura 1.1 saranno auspicabilmente sostituiti dal microcontrollore con periferiche interne o algoritmi numerici.
