ESC e PWM nei modelli RC bldc

Il PWM , il come e il perché di regolazioni ottimali ed effetti collaterali

Spesso mi chiedono in pista delucidazioni circa l’utilizzo del PWM in quanto gli effetti di modifica a tali valori sono spesso non percepiti o non compresi dai piloti non professionisti, tanto che poi si affidano alla cieca inserendo valori in scheda di piloti di taratura mondiale; così facendo, spesso si trovano alla guida di modelli esplosivi, che alzano fuori misura le temperature di tutto il sistema propulsivo, che riducono il tempo di lavoro e le prestazioni della batteria, ingestibili nella guida per le proprie capacità.

La poca conoscenza e la troppa adrenalina del pilota nel tornare velocemente in pista, fa si che le mie spiegazioni risultino “lunghe” e “incomprensibili” e raramente sono riuscito ad “illuminare” qualche mente; ma non demordo e quindi spero, proprio qui sul web, di catturare la loro attenzione in un momento più intimo e di predisposizione all’apprendimento.

LE BASI :

Il controllo elettronico della velocità (ESC) è un componente essenziale di qualsiasi veicolo RC che utilizza un motore elettrico. Un ESC regola la potenza erogata al motore per poter conseguentemente controllarne la velocità.

Gli ESC sono ampiamente utilizzati nelle auto Radio Controllate, così come nei droni, negli aerei, nelle barche e in altre applicazioni simili.

Cos'è il PWM?

La modulazione di larghezza di impulso (Pulse Width Modulation) è un protocollo di comunicazione per entità digitali utilizzato per controllare la tensione media o la potenza erogata ad un carico, e lo fa accendendo e spegnendo rapidamente una sorgente di tensione ad una frequenza fissa; in presenza dell’onda del segnale ( che per la nostra ESC è di tipo quadra), l'ampiezza di ciascun impulso (cioè la durata del tempo in cui la sorgente di tensione è accesa/attiva) viene variata per modificare la tensione media o la potenza erogata al carico.

IN SINTESI:

La potenza fornita al motore sarà tanto più elevata, quanto è maggiore il tempo di ON dell’interruttore, rispetto al tempo di OFF , ossia, più è basso il valore della frequenza di guida ( n Drive PWM Frequency), più elevata sarà la tensione media o la potenza erogata al carico, e più il modello sarà “cattivo” , difficile da controllare, più affamato di energia, più propenso a perdite mediante generazione di calore.

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Uso del PWM nell'elettronica

PWM è una soluzione tecnica comunemente usata in elettronica e, oltre a  controllare la velocità dei motori elettrici, viene utilizzata anche per gestire la luminosità dei LED o la tensione fornita ad altri tipi di carichi.

Variando il “duty cycle”  ( tempo di lavoro) del segnale PWM è possibile controllare la potenza media erogata al carico.

Si deve sempre tenere conto che il ciclo di lavoro è il rapporto tra “il tempo di esercizio” ed il “tempo totale”, o meglio ancora,

è la frazione di tempo che un'entità passa in uno stato attivo (ON) in proporzione al tempo totale considerato.

Soluzioni alternative al PWM

Potremmo utilizzare un resistore variabile per controllare la tensione, ma sarebbe meno efficiente; questo perché il resistore dissipa la potenza sotto forma di calore, con conseguente spreco di energia.

Come funziona un ESC?

Riassumendo, l’ ESC è un componente del nostro modello RC che controlla la velocità del motore elettrico regolandone la potenza. Un ESC è tipicamente costituito da un microprocessore con funzioni di controllo ( microcontrollore); questo infatti gestisce l’elettronica di potenza ed altri componenti interni, ma contemporaneamente comunica e dialoga all’esterno con il motore previa elaborazione del segnale di ingresso recepito da una ricevente (RX) inviatogli da un dispositivo di controllo remoto trasmittente (TX) che altro non è che la nostra radio.

La nostra radio, attraverso il movimento di stick, leve, pulsanti, ecc., genera comandi in formato analogico ( i dati di comando sono generati da potenziometri), che prima di essere trasmessi alla RX vengono convertiti in valori digitali PWM da un componente chiamato ADC ( Analogic to Digital Converter).

Il grande lavoro svolto dall’ ESC

Il processore del segnale di ingresso riceve il segnale PWM di comando dalla RX e quindi lo invia al microcontrollore.

Il microcontrollore genera quindi un segnale PWM con frequenza e duty cycle fissi e lo invia al driver del motore.

Il driver del motore amplifica il segnale PWM e lo invia al motore stesso e, sempre controllandone e gestendo la tensione media o la potenza di erogazione, ne impone la velocità di rotazione del motore.

Il microcontrollore regola il ciclo di lavoro del segnale PWM in base all'input dalla radio TX per regolare la velocità del motore.

 

Frequenza PWM di guida e suo impatto sulle prestazioni del sistema

La frequenza del segnale PWM generato dall'ESC può influire sulle tue prestazioni.

Detto ciò, mettiamo subito in chiaro che la frequenza PWM non ha alcun effetto sulla coppia massima e sul numero di giri motore, perché a piena potenza il rapporto PWM è del 100% (full ON) e quindi non c'è frequenza.

A rapporti PWM inferiori, la frequenza ha un effetto sull'efficienza del motore e sulla linearità dell'acceleratore: minore è la frequenza, peggio lavorano entrambi.

Abbiamo visto che il PWM controlla la velocità del motore accendendo e spegnendo rapidamente l'alimentazione con un rapporto variabile, quindi il motore riceve una serie di impulsi a piena potenza; a bassa frequenza PWM, ciò provoca al motore perdite extra dovute a vibrazioni e picchi di corrente, ma l'aumento della corrente e della tensione RMS a metà accelerazione fa sì che il motore produca più coppia e giri al minuto rispetto a quanto farebbe con la tensione CC equivalente.

Questa situazione ci induce a pensare erroneamente che il motore sia più potente, ma è solo un’impressione perché la risposta dell'acceleratore non è più lineare. In realtà si perde più potenza sia a causa della maggiore corrente “RMS” che riscalda maggiormente gli avvolgimenti, sia per le maggiori vibrazioni prodotte che sprecano energia e si ripercuotono negativamente negli ingranaggi e nelle componenti di trasmissione.

Ma cos'è l'RMS?

È appurato che la misurazione dell'RMS (Root Mean Square = valore quadratico medio) fornisce le informazioni più accurate sull'ampiezza di una forma d'onda. È un modo coerente, imparziale e standard per misurare e confrontare i segnali dinamici, indipendentemente dalla forma d'onda.

L'RMS è anche una misurazione fondamentale della grandezza di un segnale in c.a. ( corrente alternata).

Il valore RMS assegnato al segnale è quel valore di grandezza elettrica che, in corrente continua e con lo stesso carico, produrrebbe la stessa quantità di calore.

In quanto tale, è correlato alla potenza del segnale.

Il valore efficace (RMS) di una forma d'onda, qualsiasi essa sia, si ottiene calcolando il valore medio dei quadrati dei singoli valori istantanei ed estraendo la radice quadrata del risultato.

All'aumentare della frequenza PWM, l'induttanza dell'avvolgimento del motore inizia a livellare il flusso di corrente, quindi il motore funziona in modo più efficiente a causa della corrente rms inferiore e dell'ondulazione della coppia.

L’aspetto negativo di una maggiore frequenza PWM è che causa una maggiore perdita nell’ ESC.

Quindi, occorre scegliere una frequenza abbastanza alta da far funzionare il motore senza intoppi, evitando nel contempo che l’ESC si surriscaldi.

Riassumendo:

Una frequenza PWM più elevata può comportare un funzionamento più regolare del motore e una sua migliore efficienza.

Tuttavia, è certo un’aumento di calore generato dall'ESC.

Ciò che è interessante è che l'ESC potrebbe anche aumentare la temperatura a una velocità PWM più elevata, ma il sistema nel complesso sarà sempre più efficiente.

Questo perché l'efficienza del motore sta aumentando più di quanto l'efficienza dell'ESC stia diminuendo.

Nel complesso, otteniamo un netto aumento del valore percentuale di efficienza.

Una frequenza PWM inferiore può ridurre la generazione di calore nell'ESC, ma può comportare un funzionamento meno fluido del motore, una maggiore temperatura, ed una ridotta efficienza del sistema propulsivo.

Spiegazione di come funziona PWM in un ESC:

Il microcontrollore nell'ESC genera un segnale PWM con una frequenza fissa, tipicamente compresa tra 1kHz e 48kHz, a seconda dell'applicazione. La larghezza di ciascun impulso nel segnale PWM viene variata dal microcontrollore per controllare la potenza media erogata al motore.

Ad esempio, un ciclo di lavoro impostato al 50% produrrà potenza del motore per il 50% del periodo e sarà spento per il restante 50%. Ciò si tradurrà in una tensione o potenza media erogata al motore pari al 50% del massimo.

Variando il duty cycle del segnale PWM, l'ESC può regolare la velocità del motore. Un ciclo di lavoro più elevato si tradurrà in una potenza media più elevata erogata al motore. Da qui una maggiore velocità del motore. Allo stesso modo, un ciclo di lavoro inferiore si tradurrà in una potenza media inferiore erogata al motore. Da qui una minore velocità del motore.

Come impostare la frequenza PWM sull'ESC?

Nel settore dei modelli RCE volo circola da tempo immemorabile una formula che lo rende abbastanza semplice; sinceramente non ne ho compreso l’origine, ma fino ad ora, il risultato è sempre stato in linea con il frangente.

La formula è la seguente:

Frequenza (Hz) = Kv x V di tensione x Numero di poli :20.

Il valore ottenuto andrà arrotondato alla successiva frequenza disponibile impostabile nell'ESC.

Suggerimenti PWM

La frequenza PWM non può essere davvero troppo alta, porta solo a un leggero aumento delle perdite (di commutazione) nel controller. Maggiore è la frequenza di taglio PWM, più uniforme è la corrente. Una corrente del motore più uniforme si traduce in minori perdite, minore temperatura.

Conclusione

Un ESC da competizione è uno strumento che ci consente di dialogare al meglio per l’ottenimento delle migliori prestazioni offerte da un motore Brushless; il PWM ci consente di controllare la velocità nei nostri veicoli RC.

Ora che comprendiamo ulteriormente il PWM, possiamo usarlo per modificare le velocità PWM impostate di fabbrica.

In questo modo è possibile aumentare l'efficienza complessiva del nostro sistema a solo una piccola frazione di costo: questo costo è il calore aggiuntivo nell'ESC.

Corollario

Non è tanto avere la frequenza più alta, quanto corrispondere alla frequenza giusta.

La velocità (RPM) è correlata al carico e alla tensione applicata e calcolata da una costante di velocità del motore.

La coppia è correlata alla potenza, quindi maggiore è la tensione per un ciclo di lavoro più elevato, maggiore è la potenza.

un PWM più elevato significa più carico induttivo e meno carico resistivo, e viceversa.

Con una frequenza mal abbinata, la tua efficienza diminuirà e ridurrà la tua coppia.

 

GM 2023