La frequenza di commutazione di un controller: un compromesso tra calore, rumore e precisione
Un controller seziona la tensione della batteria in impulsi, migliaia di volte al secondo, per produrre le correnti del motore. Il numero di cicli al secondo è chiamato frequenza di commutazione, o frequenza PWM. Questa impostazione discreta influenza il riscaldamento del controller, quello del motore, il rumore e la qualità del comando. Non esiste un valore universale corretto: solo un compromesso da trovare per ogni coppia controller-motore.
L'essenziale
- Più la frequenza è elevata, più i transistor del controller si scaldano a ogni commutazione.
- Più è bassa, più la corrente del motore oscilla, il che scalda il motore e può generare rumore.
- I motori a bassa induttanza richiedono una frequenza più elevata.
- La frequenza stabilisce anche il ritmo del comando: limita la rapidità dell'anello di corrente.
Cosa fa la commutazione
Ogni fase del motore è collegata alternativamente al positivo e al negativo della batteria. La proporzione di tempo trascorso su ciascun lato determina la tensione media. Gli avvolgimenti, grazie alla loro induttanza, smussano questi impulsi: la corrente sale un po' durante un impulso, scende durante quello successivo. Mantiene così una piccola ondulazione a dente di sega attorno al valore desiderato. Vedi l'interno di un controller e la modulazione vettoriale.
Aumentare la frequenza: vantaggi e costi
Cosa si guadagna
- Minore ondulazione della corrente: la corrente ha meno tempo per discostarsi tra due impulsi. Le perdite nel motore dovute a questa ondulazione diminuiscono.
- Minore rumore udibile: oltre circa 20.000 cicli al secondo, il limite dell'orecchio umano, il fischio della commutazione non viene più udito.
- Un comando più preciso: il controller misura e corregge a ogni ciclo; più cicli significano un anello di corrente che può essere più rapido.
Cosa si paga
- Maggiori perdite di commutazione: a ogni commutazione, un transistor dissipa un po' di energia. Raddoppiare la frequenza raddoppia queste perdite. Ad alta corrente, ciò può costringere a ridurre la corrente ammissibile.
- Più calcoli: il microcontrollore deve eseguire l'intero comando a ogni ciclo.
- Maggiori perturbazioni elettromagnetiche, da gestire tramite la progettazione del circuito.
Il ruolo dell'induttanza del motore
L'ondulazione della corrente dipende direttamente dall'induttanza del motore: più è bassa, più la corrente varia rapidamente a ogni impulso. I motori molto potenti e compatti, a bassa induttanza, richiedono quindi una frequenza più elevata per mantenere un'ondulazione ragionevole. Al contrario, un motore hub per monopattino, con induttanza più elevata, si accontenta di una frequenza più bassa.
Questo è il motivo per cui non si collega un motore qualsiasi a un controller qualsiasi senza verifica: un motore a bassissima induttanza su un controller a bassa frequenza può subire picchi di corrente significativi.
Il legame con la velocità del motore
Per riprodurre correttamente una sinusoide, è necessario un numero sufficiente di cicli di commutazione per giro elettrico. Tuttavia, la frequenza elettrica aumenta con la velocità e il numero di poli (vedi la nostra guida su Kv, Kt e poli). Ad altissima velocità su un motore con molti poli, una frequenza di commutazione troppo bassa degrada il comando.
Trovare il compromesso
Sui controller di piccoli veicoli elettrici, la frequenza si situa generalmente tra una decina e alcune decine di migliaia di cicli al secondo. La scelta si effettua osservando:
- la temperatura dei transistor del controller ad alta corrente;
- la temperatura del motore a velocità stabilizzata;
- il rumore, soprattutto a bassa velocità;
- la qualità del comando alla velocità massima.
Il consiglio dell'officina
Non modificate la frequenza di commutazione se non per un motivo preciso e disponendo di un mezzo per misurare le temperature. L'impostazione di fabbrica di un controller corrisponde in genere alla progettazione del suo stadio di potenza.
Domande frequenti
Perché il mio motore fischia a bassa velocità?
La commutazione fa vibrare leggermente gli avvolgimenti. Se la sua frequenza rientra nella gamma udibile, la si sente, soprattutto a bassa velocità quando il resto è silenzioso. Una frequenza più elevata riduce questo fischio, al costo di un po' più di riscaldamento del controller.
Una frequenza più elevata è sempre migliore?
No. Riduce l'ondulazione e il rumore, ma aumenta le perdite del controller. Oltre un certo punto, il controller si scalda maggiormente senza benefici sensibili per il motore.
La frequenza di commutazione cambia l'autonomia?
Un po': sposta le perdite tra il controller e il motore. Se ben scelta per la coppia controller-motore, minimizza il totale. L'effetto rimane limitato rispetto a quello della velocità e dello stile di guida.