Nuova Strategia di Controllo per Motori EV ad Alta Velocità
Nel panorama in rapida evoluzione dei veicoli elettrici, la ricerca di maggiore efficienza, densità di potenza elevata e autonomia estesa continua a spingere i limiti della tecnologia di controllo dei motori. Una recente innovazione sviluppata dai ricercatori dell’Università di Tecnologia di Hefei promette di migliorare significativamente le prestazioni dei motori sincroni a magneti permanenti interni (IPMSM) – componenti chiave dei moderni treni di trasmissione EV – particolarmente in condizioni operative ad alta velocità e basso rapporto portante, che da lungo tempo pongono sfide formidabili per i sistemi di controllo digitale.
Guidato da Yupu Zhu, Shuying Yang e Qishuai Wang della Scuola di Ingegneria Elettrica e Automazione, il team ha sviluppato una strategia innovativa di controllo della corrente basata su un osservatore esteso dello stato (ESO) corretto per i ritardi. Il loro lavoro, pubblicato nel numero di marzo 2024 della rivista Transactions of China Electrotechnical Society, affronta un problema critico ma spesso trascurato nei azionamenti motori ad alta velocità: il ritardo del controllo digitale.
Mentre i produttori di veicoli elettrici cercano di aumentare le velocità dei motori per ottenere una maggiore densità di potenza senza aumentare proporzionalmente dimensioni o peso del sistema, incontrano una limitazione fondamentale: la frequenza di commutazione degli inverter di potenza non può aumentare indefinitamente a causa di vincoli termici, perdite dei semiconduttori e interferenze elettromagnetiche. Ciò determina un rapporto decrescente tra la frequenza di commutazione dell’inverter e la frequenza elettrica fondamentale del motore – una condizione nota come “basso rapporto portante”. In tali condizioni, le strategie convenzionali di controllo vettoriale, tipicamente progettate nel dominio continuo e successivamente discretizzate per l’implementazione digitale, soffrono di prestazioni degradate a causa di errori di discretizzazione aumentati, accoppiamento incrociato exacerbato tra le correnti degli assi d e q, e – soprattutto – ritardi di controllo intrinseci ai sistemi digitali.
Questi ritardi, originati dal tempo necessario per il campionamento della corrente, il calcolo e la generazione del segnale di modulazione di larghezza di impulso (PWM), causano una mancata corrispondenza tra l’azione di controllo e la risposta effettiva del motore. In termini pratici, il comando di tensione applicato in un dato ciclo di controllo influisce sulla corrente del motore solo nel ciclo successivo. Per operazioni ad alta velocità dove i periodi elettrici sono estremamente brevi, anche un singolo ritardo di campionamento può introdurre un ritardo di fase significativo, destabilizzando l’anello di corrente e riducendo la precisione della coppia.
I controllori tradizionali proporzionale-integrali (PI), sebbene semplici e ampiamente adottati, mancano della robustezza necessaria per gestire queste distorsioni dinamiche. Metodi avanzati come il disaccoppiamento in avanti o il controllo vettoriale complesso sono stati proposti, ma spesso presuppongono modelli idealizzati e non tengono conto delle incertezze del mondo reale come le variazioni parametriche dovute alla deriva termica o alla saturazione magnetica, oltre ai disturbi esterni da fluttuazioni di carico o armoniche di rete.
Entra in scena l’osservatore esteso dello stato – un concetto pionieristico sviluppato da Jingqing Han negli anni ’90 come parte del controllo attivo del rifiuto dei disturbi (ADRC). L’ESO tratta tutte le dinamiche non modellate, le incertezze parametriche e i disturbi esterni come un unico “disturbo totale” e lo stima in tempo reale insieme agli stati del sistema. Questo disturbo stimato può quindi essere alimentato in avanti nella legge di controllo per la compensazione, trasformando efficacemente un sistema incerto in uno nominale ben comportato.
Tuttavia, applicare l’ESO negli azionamenti motori digitali non è semplice. L’ESO standard presuppone che i suoi due ingressi – la tensione di controllo e la corrente misurata – siano sincronizzati nel tempo. Ma sotto controllo digitale con ritardo intrinseco di un passo, la corrente misurata corrisponde al comando di tensione precedente, non a quello corrente. Questo disallineamento temporale corrompe la stima dell’osservatore, particolarmente negli scenari a basso rapporto portante dove il ritardo costituisce una grande frazione del ciclo elettrico.
Riconoscendo questo, il team dell’Università di Hefei ha condotto un’analisi rigorosa nel dominio del tempo discreto e ha proposto diverse architetture ESO consapevoli del ritardo. Hanno valutato tre approcci distinti: un ESO con ritardo basato su modello (M-DESO) che approssima il ritardo come elemento inerziale del primo ordine usando l’approssimazione di Padé; un ESO basato sul predittore di Smith (Smith-DESO) che prevede la corrente di un passo in avanti per allinearla con l’attuale comando di tensione; e un ESO con ritardo di tensione (Ud-DESO) che ritarda intenzionalmente l’ingresso di tensione di un campione per corrispondere alla misurazione di corrente ritardata.
Attraverso simulazioni estese e validazione sperimentale su una piattaforma reale di azionamento EV, i ricercatori hanno dimostrato che sia Smith-DESO che Ud-DESO superano notevolmente l’ESO convenzionale e M-DESO in termini di accuratezza della stima, velocità di inseguimento della corrente e reiezione dei disturbi. In particolare, lo Smith-DESO ha raggiunto la risposta più rapida, riducendo il tempo di recupero dal disturbo da oltre 50 millisecondi sotto controllo PI tradizionale a soli 2,5 millisecondi. Questo si traduce in una erogazione di coppia più fluida, riduzione dell’ondulazione di corrente e migliorata efficienza – vantaggi critici per i veicoli elettrici ad alte prestazioni.
Tuttavia, lo studio ha anche rivelato un compromesso cruciale. Mentre lo Smith-DESO offre prestazioni dinamiche superiori quando i parametri del motore sono accurati, mostra una sensibilità accentuata alle discrepanze parametriche – come errori nei valori di induttanza dovuti a saturazione magnetica o cambiamenti di temperatura. Al contrario, l’Ud-DESO, sebbene leggermente più lento nella risposta, dimostra una robustezza notevole anche quando l’induttanza usata nell’osservatore devia fino al 70% dal suo valore reale. Questa resilienza rende l’Ud-DESO particolarmente attraente per applicazioni nel mondo reale dove l’identificazione parametrica precisa in tempo reale rimane impegnativa.
Il setup sperimentale, costruito attorno a un controllore di segnale digitale Texas Instruments TMS320F28379 e un IPMSM da 18 kW nominale per 7.500 giri/min, ha confermato questi risultati. A 3.000 giri/min con una frequenza di commutazione di 4 kHz (rapporto portante di ~13), tutte e quattro le strategie hanno performato adeguatamente. Ma con l’aumento della velocità a 6.000 giri/min (rapporto portante che scende a ~10), l’ESO convenzionale ha iniziato a mostrare instabilità, mentre lo Smith-DESO ha mantenuto un’operazione stabile anche a 800 Hz di frequenza elettrica – equivalente a un rapporto portante di soli 5.
Questo risultato non è meramente accademico. L’operazione a basso rapporto portante è sempre più comune nelle EV di prossima generazione, specialmente in applicazioni di trazione ad alta velocità come berline performanti o veicoli commerciali che richiedono ampi intervalli di velocità a potenza costante. Abilitando un controllo della corrente stabile e ad alta fedeltà sotto queste condizioni impegnative, la strategia del team di Hefei apre la strada ad azionamenti motori più piccoli, leggeri ed efficienti senza richiedere costosi aumenti nella frequenza di commutazione o nell’hardware computazionale.
Inoltre, la filosofia di progettazione completamente nel dominio discreto elimina gli errori di approssimazione introdotti dalle trasformazioni da continuo a discreto, assicurando che le prestazioni teoriche si allineino strettamente con l’implementazione nel mondo reale. Questo approccio semplifica anche la taratura del controllore, poiché la larghezza di banda dell’osservatore diventa il parametro di progetto primario, influenzando direttamente sia la velocità di risposta che la sensibilità al rumore.
Da una prospettiva industriale, le implicazioni sono profonde. Un controllo della corrente migliorato si traduce direttamente in migliore precisione della coppia, riduzione del rumore acustico, minori perdite nel rame e autonomia della batteria estesa. Per i costruttori automobilistici in gara per raggiungere stringenti obiettivi di emissioni e le aspettative dei consumatori per le dinamiche di guida, tali guadagni incrementali possono essere decisivi.
La ricerca sottolinea anche una tendenza più ampia nell’elettronica di potenza: il passaggio da paradigmi di controllo basati su modello a paradigmi agnostici rispetto al modello e di reiezione dei disturbi. Man mano che i sistemi diventano più complessi e le condizioni operative più variabili, l’affidamento su modelli matematici precisi diventa impraticabile. Osservatori come l’ESO offrono un’alternativa pragmatica – sfruttando la stima in tempo reale per compensare l’incertezza piuttosto che tentare di eliminarla attraverso una modellazione sempre più complessa.
Guardando avanti, il team suggerisce diverse strade per ulteriori sviluppi. Integrare l’ESO corretto per i ritardi con il controllo predittivo o l’adattamento parametrico basato sull’apprendimento automatico potrebbe produrre una robustezza ancora maggiore. Inoltre, estendere il framework all’operazione senza sensore – dove anche la posizione del rotore viene stimata – potrebbe ridurre i costi del sistema e migliorare l’affidabilità eliminando gli encoder di posizione.
In un’era dove ogni wattora conta e ogni millisecondo di tempo di risposta è importante, innovazioni come questa esemplificano i progressi ingegneristici silenziosi ma critici che alimentano la rivoluzione dei veicoli elettrici. Mentre i titoli si concentrano spesso sulle svolte nelle batterie o sulla guida autonoma, è spesso nel dominio del controllo del motore – dove fisica, computazione e processo decisionale in tempo reale convergono – che viene definito il vero envelope prestazionale di un veicolo elettrico.
Il lavoro di Zhu, Yang e Wang non solo risolve una pressante sfida tecnica, ma stabilisce anche un nuovo benchmark per robustezza ed efficienza negli azionamenti motori ad alta velocità. Mentre l’industria automobilistica accelera verso l’elettrificazione, tali ricerche fondamentali saranno strumentali nel trasformare la promessa della mobilità sostenibile in una realtà ad alte prestazioni.
Autori: Yupu Zhu, Shuying Yang, Qishuai Wang — Scuola di Ingegneria Elettrica e Automazione, Università di Tecnologia di Hefei, Hefei 230009, Cina
Pubblicato in: Transactions of China Electrotechnical Society, Vol. 39, No. 6, Marzo 2024
DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.222286