Controllo del motore e mappe di efficienza
Il controller del motore di un veicolo elettrico converte la richiesta di coppia del conducente in correnti di fase temporizzate con precisione, rispettando i limiti di batteria, inverter, motore, pneumatici e sistema di raffreddamento. La tipica risposta dell’acceleratore di un’auto elettrica è quindi il risultato di un controllo in tempo reale, non una caratteristica intrinseca del motore.
La catena di controllo
Il pedale dell’acceleratore non comanda direttamente una tensione del motore. Il software del veicolo interpreta la posizione del pedale insieme a modalità di guida, slittamento delle ruote, controllo di stabilità, stato della batteria, limiti termici e guasti dei componenti. Richiede quindi una coppia positiva o negativa all’assale.
Un tipico controller di trazione utilizza anelli annidati. Un anello più lento di velocità o coppia determina la corrente motore necessaria, mentre anelli di corrente più rapidi regolano lo stato elettromagnetico molte migliaia di volte al secondo. Il controller misura corrente di fase e tensione del collegamento CC, stima o misura la posizione del rotore, calcola le tensioni di fase obiettivo e chiede all’traction inverter di riprodurle mediante modulazione della larghezza d’impulso.
Il risultato deve rimanere stabile al variare di velocità, coppia, tensione della batteria, temperatura e saturazione magnetica. La qualità del controllo influenza efficienza, comportamento acustico, frenata rigenerativa, trazione e sollecitazione dei componenti.
Controllo orientato al campo
Le correnti trifase dello statore sono separate di 120 gradi elettrici, rendendo scomodo il controllo diretto. Il controllo orientato al campo, detto anche controllo vettoriale, trasforma matematicamente le correnti misurate in un sistema di coordinate che ruota con il campo magnetico del motore.
La corrente trasformata ha due componenti principali:
- la corrente sull’asse d modifica soprattutto il flusso magnetico;
- la corrente sull’asse q produce soprattutto coppia in una semplice macchina a magneti superficiali.
La distinzione non è assoluta per ogni topologia. In un motore a magneti permanenti interni, l’interazione fra correnti degli assi d e q produce anche coppia di riluttanza. I motori a induzione richiedono una stima del flusso rotorico e dello scorrimento. Le macchine a eccitazione elettrica aggiungono la corrente di campo del rotore come altra variabile di controllo.
Dopo il calcolo delle tensioni desiderate sugli assi d e q, trasformazioni inverse le riconvertono in comandi di fase stazionari. Il vettore spaziale o un altro metodo PWM seleziona quindi gli stati di commutazione dell’inverter la cui tensione media segue il vettore richiesto.
Posizione e velocità del rotore
Un controllo vettoriale preciso richiede l’angolo elettrico del campo rotorico. Un resolver, encoder magnetico, sensore induttivo o altro sensore di posizione può fornire direttamente questo angolo. Il controller combina nel tempo i campioni di posizione per ottenere la velocità.
Il controllo senza sensore stima invece angolo e velocità da corrente misurata, tensione comandata, forza controelettromotrice, variazione dell’induttanza o da un modello osservatore. Può ridurre hardware e cablaggio, ma vicino alla velocità zero la stima è difficile perché l’informazione della forza controelettromotrice si indebolisce. Alcuni azionamenti combinano dati dei sensori e stima basata su modelli per controlli di plausibilità o funzionamento degradato.
Un errore angolare ruota il riferimento d-q ipotizzato dal controller rispetto al rotore reale. Ciò può ridurre la coppia disponibile, aumentare corrente e calore, creare ondulazioni o minacciare la stabilità. Il rilevamento della posizione è quindi un componente di prestazione e sicurezza funzionale, non soltanto un tachimetro.
MTPA, velocità base e indebolimento di campo
A velocità basse e medie, il controller cerca normalmente la coppia richiesta con la minima corrente utile dello statore. La coppia massima per ampere, o MTPA, sceglie una combinazione di correnti d-q che minimizza la corrente per una determinata coppia. In un motore a magneti superficiali la corrente dell’asse d può essere vicina a zero, mentre un motore saliente a magneti interni può sfruttare una corrente d negativa per ottenere coppia di riluttanza.
All’aumentare della velocità del motore, la forza controelettromotrice e la tensione induttiva consumano una quota crescente della tensione disponibile dall’inverter. La velocità base è il punto approssimativo in cui la tensione, anziché la corrente, diventa il limite attivo. Al di sopra, il controller usa l’indebolimento di campo.
In un motore a magneti permanenti, la corrente negativa sull’asse d crea un campo statorico che si oppone a parte del flusso magnetico concatenato con lo statore. Non riduce i magneti permanenti stessi. Il minore flusso netto limita la forza controelettromotrice e consente una velocità superiore, ma la capacità di corrente viene allora condivisa fra indebolimento del flusso e produzione di coppia. La coppia cala e compaiono ulteriori perdite nel rame.
A velocità ancora maggiori, la coppia massima per volt, o MTPV, può scegliere l’angolo di corrente che sfrutta al meglio la tensione rimanente. I limiti di corrente, tensione, velocità del rotore, smagnetizzazione e temperatura creano insieme le note regioni a coppia costante e potenza approssimativamente costante.
Mappe di efficienza e controllo ottimale
Il comando che minimizza la corrente elettrica non sempre minimizza la perdita totale dell’unità di trazione. Perdite nel rame, ferro e magneti, perdite di commutazione e conduzione dell’inverter, perdita di eccitazione del rotore, perdite negli ingranaggi e potenza della pompa di raffreddamento reagiscono diversamente a velocità e coppia.
I controller di serie utilizzano quindi mappe calibrate e modelli fisici. A ogni punto operativo possono scegliere:
- obiettivi di corrente sugli assi d e q;
- eccitazione del rotore in un motore a eccitazione elettrica;
- strategia PWM e frequenza di commutazione;
- ripartizione della coppia fra anteriore e posteriore in un veicolo multimotore;
- se un assale debba essere disalimentato o scollegato;
- coppia ammessa in base alle temperature presenti e previste.
L’ottimizzazione dell’efficienza deve convivere con risposta, rumore, ondulazione della tensione, limiti della batteria e margini di riserva. Un controller che insegua troppo aggressivamente un valore ottimale da laboratorio può creare scarsa guidabilità o insufficiente tolleranza ai guasti.
Rigenerazione e precisione della coppia
La frenata rigenerativa inverte il flusso di potenza, ma utilizza la stessa base di controllo della corrente. Il veicolo richiede coppia negativa alle ruote, il motore genera energia elettrica e l’inverter restituisce corrente continua controllata al bus ad alta tensione.
La rigenerazione disponibile può essere limitata da stato di carica della batteria, temperatura delle celle, limiti di potenza di ricarica, aderenza dei pneumatici, velocità del motore o temperatura dell’inverter. La combinazione dei freni colma la differenza con i freni ad attrito, mantenendo la decelerazione richiesta e la stabilità del veicolo.
La precisione della coppia conta anche nella trazione positiva. I sistemi di stabilità e trazione dipendono dalla capacità dell’unità di erogare la coppia comandata rapidamente e in modo prevedibile. Il controller può stimare la coppia reale da corrente, posizione del rotore, parametri motore calibrati e temperatura, poiché un veicolo di serie raramente dispone di un sensore di coppia su ogni albero motore.
Gestione dei guasti
Il controller controlla continuamente correnti di fase, tensione del collegamento CC, posizione del rotore, temperatura dei semiconduttori e del motore, stato dell’isolamento e comunicazioni. I controlli di plausibilità confrontano informazioni ridondanti. Se le misure non concordano o viene superato un limite, il sistema può ridurre la coppia, disattivare un motore, interrompere la commutazione o aprire i contattori ad alta tensione.
Disattivare i gate dei semiconduttori non rende ogni motore elettricamente inerte. Un motore a magneti permanenti in rotazione può continuare a generare tensione. Il progetto dello stato sicuro considera quindi forza controelettromotrice a circuito aperto, coppia di cortocircuito, sovravelocità, modalità di guasto dell’inverter e possibilità che un altro assale mantenga una propulsione controllata.
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