3.4 Azionamenti sull'albero dello sterzo
Nel sistema steer-by-wire preso in esame, la definizione data di "azionamenti sull'albero dello sterzo" non è molto corretta. Infatti uno dei vantaggi innegabili dell'utilizzo di un sistema di sterzata servoassistito è proprio l'eliminazione di collegamenti meccanici tra sterzo e ruote, cioè proprio l'albero dello sterzo.
In realtà lo sterzo sarà ugualmente incernierato su un albero molto corto, e quindi non pericoloso per il guidatore in caso di incidente, al cui estremo opposto verrà calettato un opportuno azionamento a rotazione.
Lo scopo di questo azionamento è quello di fornire al volante una coppia meccanica proporzionale alla forza esercitata sulle ruote, così da permettere al pilota umano di percepire lo stato dinamico del veicolo in modo analogo a quanto accadeva quando tra i due elementi esisteva ancora un collegamento meccanico.
In questo caso serve un azionamento che sia in grado di fornire una coppia costante non elevata ma molto precisa a velocità pressoché nulla. Le condizioni ambientali di lavoro sono molto più agevoli di quelle degli azionamenti sulle ruote, perché il dispositivo troverà alloggiamento nel vano motore poco sotto il cruscotto, dove l'attività delle sospensioni del veicolo annulla i bruschi urti e sobbalzi avvertiti al livello delle ruote.
Un possibile candidato ad essere utilizzato è senz'altro il motore brushless, sia a campo trapezoidale sia a campo sinusoidale, al solito comandato da un chopper con in serie un inverter trifase.
Un'altra soluzione, realizzata ad hoc per questo dispositivo, prevede invece l'uso del cosiddetto attuatore rotante omopolare a PM, di cui diamo in seguito una generale descrizione.
3.4.1 Attuatore omopolare a disco di magnete permanente
Questi sono dispositivi elettromagnetici che producono coppia meccanica con limitato movimento a rotazione.
Per via della loro semplicità e del basso costo hanno già trovato innumerevoli applicazioni.
Tra l'altro sono già stati impiegati proprio nell'industria automobilistica, dove sono stati usati per assistenza nella sterzata, per ricircolo dei gas di combustione, per la chiusura automatica delle portiere, etc.
In particolare il loro primo utilizzo in ambito automotive è stato per sistemi di assistenza della sterzata, più comunemente noti col nome di servosterzo. Un sistema di questo tipo è mostrato in Fig. 3.21.
Basandosi sulla velocità del veicolo e sullo sforzo del guidatore, un controllore varia l'assistenza nella sterzata modulando con un inverter PWM la corrente nell'attuatore, generando così diversi livelli di assistenza alla sterzata che variano con la velocità del veicolo.
Il sistema di figura presenta un ulteriore controllo della valvola del sistema di sterzata idraulico (idroguida), e l'attuatore a rotazione fornisce solo una coppia in aggiunta o in sottrazione a quella espressa da questo sistema. La coppia elettromagnetica varia con la rotazione del piantone dello sterzo e aumenta la coppia effettiva agente su di esso per velocità elevate mentre la riduce per manovre di parcheggio, come si può vedere in Fig. 3.22.
Già da questo impiego si capisce come l'attuatore a rotazione sia proprio il genere di dispositivo che occorre nel nostro caso.
L'attuatore a rotazione omopolare è composto essenzialmente da tre elementi: un elettromagnete statico, una struttura a poli dentati rotante e un magnete permanente ad anello multipolare rotante come illustrato in Fig. 3.22.
L'elettromagnete statico è costituito da un circuito magnetico esterno e da una spira avvolta incapsulata in una guaina plastica. La posizione della spira statica permette connessioni di corrente senza contatti striscianti (brushless). La struttura dentata è costituita da un pezzo singolo, opportunamente costruito usando l'avanzata tecnologia dei metalli allo stato pulviscolare, e questo permette alle due strutture magnetiche concentriche a riluttanza variabile di essere legate assieme da un disco non magnetico.
Questo attuatore fornisce, grazie all'utilizzo di magneti permanenti ai metalli rari, un'uscita molto alta di coppia proprio perché la sua struttura multipolare risulta in un "effetto di coppia a ingranaggio" grazie alla configurazione che garantisce flusso trasversale ad alta densità utilizzando sia la superficie esterna che interna del magnete.
Il circuito magnetico esterno fornisce la stessa polarità, a seconda della direzione della corrente di eccitazione, sia ai poli dentati interni che esterni, a prescindere dalla loro posizione angolare.
Per come è costruito l'attuatore si può invertire la coppia semplicemente invertendo la corrente di eccitazione. Sia la struttura a poli dentati che l'anello magnetico hanno libertà illimitata di movimento in entrambi i sensi di rotazione. In aggiunta al pieno moto a rotazione delle parti centrali, nell'attuatore è permesso un movimento angolare limitato dell'anello magnetico rispetto ai poli dentati.
Per soddisfare la richiesta di una coppia simmetrica e per garantire un equilibrio stabile nella posizione neutra dei magneti permanenti si adotta un posizionamento come quello di Fig. 3.24, con una sovrapposizione di mezzo dente delle due strutture dentate e con il disco magnetico nel centro del traferro.
Questo specifico posizionamento delle diverse parti dell'attuatore è essenziale per garantire una posizione di equilibrio stabile al magnete permanente nella sua posizione neutra. Solo in questa disposizione le forze agenti sul disco di magnete permanente sono perfettamente bilanciate. Questo si può verificare anche dagli studi effettuati sulla distribuzione dei flussi tra il magnete permanente e la struttura dentata. [47], presentati nelle Figg. 3.25 e 3.26.
Nella Fig. 3,24 è mostrato il circuito magnetico con assenza di corrente nella spira di eccitazione.
Fig. 3.25: Distribuzione delle linee di flusso magnetico
Il magnete è in equilibrio, quindi la risultante delle forze è 0.
Se il magnete permanente è spostato a destra o a sinistra da questa posizione neutrale una forza dovuta alla riluttanza agisce per riportarlo all'equilibrio nella posizione di partenza.
In Fig. 3.26 è mostrata invece la distribuzione delle linee di flusso magnetico quando la spira è eccitata e il magnete permanente è spostato rispetto alla struttura dentata.
Fig. 3.26: Distribuzione delle linee di flusso magnetico con attuatore eccitato
In realtà, per le applicazioni ai sistemi di sterzata assistita il movimento è limitato in entrambi i versi di rotazione. Questo per soddisfare l'esigenza sia di equilibrio stabile nella posizione neutra del magnete permanente sia di simmetria della coppia. Si assicura in questo modo una sensazione di precisione sul volante e uno sforzo simmetrico del pilota nei due sensi di rotazione. Il movimento illimitato della parte a rotazione è richiesto per la rotazione del volante senza cambiamenti nell'assistenza di coppia dell'attuatore, mentre la limitata rotazione del magnete permanente rispetto ai poli dentati influenza il livello di assistenza della coppia elettromeccanica.
La coppia esercitata dal magnete permanente può essere alterata controllando l'ampiezza e la direzione della corrente nella spira di eccitazione mentre permane la posizione di equilibrio.
La particolarità di questo dispositivo sta nell'utilizzo delle superfici dei magneti permanenti sia interni che esterni per sviluppare coppia, realizzando quindi una struttura ad alta densità di coppia, cioè ad un alto rapporto peso/coppia.
Nel progetto dell'ottimizzazione dell'attuatore si deve ben bilanciare i livelli del flusso dovuto al magnete permanente e con quello dovuto all'eccitazione della spira, infatti la coppia è un effetto della combinazione delle forze magnetomotrici dovute ad essi.
Potremmo allora definire la coppia prodotta con la relazione ) ( ) ( ) (θ m θ r θ t T T T = + (3.29)
dove Tm è la coppia dovuta all'interazione dei due campi e Tr è la coppia dovuta alla variazione di riluttanza e θ è l'angolo che caratterizza la posizione angolare.
La variazione della coppia con la posizione è una funzione della geometria dei denti a della distribuzione del campo del magnete permanente. Per una struttura dentata rettangolare, una magnetizzazione del magnete permanente sinusoidale e una eccitazione della spira nominale, la coppia totale può essere espressa come somma di due componenti sinusoidali: . 2 sin sin ) (θ = Φ θ + Φ2 θ r n m t K I K T (3.30)
dove Km e Kr sono costanti, In è la corrente nominale nella spira e Φ è il flusso originato dal magnete permanente.
Invertendo il verso della corrente, solo la componente mutua della coppia cambia di direzione a così la coppia totale può essere espressa da:
) 2 sin sin ( ) (θ =− Φ θ + Φ2 θ r n m t K I K T (3.40)
La componente della coppia dovuta alla variazione di riluttanza ha frequenza doppia rispetto a quella dovuta all'interazione dei campi a influenza sia il profilo della coppia totale sia il suo valore massimo, come si può vedere dalla Fig. 3.27.
Fig.3.27: Profilo della coppia totale dell'attuatore
La coppia dovuta alla riluttanza variabile è determinata dalla geometria dei denti, dall'ampiezza del traferro e dalla magnetizzazione del magnete.
