ITRM20090334A1 - Metodo per il controllo della velocità di avanzamento in scooter a propulsioneelettrica - Google Patents

Description

DESCRIZIONE dell’invenzione industriale dal titolo:

“Metodo per il controllo della velocità di avanzamento in scooter a propulsione elettrica”

La presente invenzione si riferisce ad un metodo per il controllo della velocità di avanzamento in scooter a propulsione elettrica.

A seguito della sempre crescente attenzione ai problemi ambientali legati all’uso di veicoli con motori a combustibili fossili ed al sempre crescente costo di gestione che questi richiedono, si sta sempre più diffondendo l’uso di veicoli a propulsione elettrica. Una soluzione di grande interesse per le aree metropolitane è rappresentata dagli scooter elettrici, particolarmente adatti ai servizi di trasporto, ad esempio di tipo postale, o per consegne a domicilio.

Numerose amministrazioni hanno quindi iniziato a sostituire i motoveicoli con motore a combustione interna con scooter a propulsione elettrica, ottenendo con un innegabile vantaggio in termini di inquinamento e risparmio economico. Le caratteristiche ed il comportamento di questi ultimi veicoli è tuttavia per molti aspetti differente rispetto ai mezzi di trasporto tradizionali e, tali diversità possono creare delle difficoltà nella guida del veicolo o, comunque, creare un certo impaccio.

Queste difficoltà possono peraltro essere pericolose e fastidiose quando gli scooter sono destinati a servizi di trasporto, durante i quali devono essere trasportati pesi elevati ed il veicolo è soggetto a continue fermate e ripartenze.

È infatti facilmente comprensibile come i due tipi di motori utilizzati, avendo comportamenti tra loro ben differenti, rispondano in maniera differente al comando dell’acceleratore fornendo sensazioni molto differenti durante la guida.

Più precisamente, un motore a combustione offre un comportamento progressivo, con un aumento graduale della coppia, conformemente alla curva caratteristica di tali tipi di motore. Quindi, per avere una partenza o un’accelerazione morbida, negli scooter con motori a combustione interna, sarà sufficiente agire gradualmente sulla manopola dell’accelerazione che regola direttamente l’alimentazione di carburante al motore. Al contrario, negli scooter elettrici, nei quali viene comunque utilizzata una manopola girevole per il comando dell’acceleratore, il comportamento del motore elettrico viene stabilito in base al tipo di controllo utilizzato.

In altre parole, a seguito della rotazione della manopola, verrà inviato un segnale di comando che, tramite un’opportuna implementazione di un controllo, comanderà il motore elettrico.

A seconda delle modalità di controllo utilizzate, il comportamento del motore sarà differente.

Una prima possibilità consiste perciò nell’implementare un controllo di coppia, in maniera concettualmente analoga a quanto avviene negli scooter a con motore a combustione.

Agendo sull’acceleratore verrà variata la coppia erogata dal motore e, conseguentemente, anche la velocità del veicolo.

Tale tipo di controllo presenta però uno svantaggio legato al fatto che quando il veicolo procede in discesa, non agendo sull’acceleratore, il motore non produce alcuna coppia, mentre, al contrario, sarebbe necessario che il motore producesse automaticamente una coppia frenante, in maniera tale da far rallentare il veicolo, analogamente al freno motore nei motori a combustione interna.

Per ovviare a questo inconveniente, ad esempio, si è pensato di consentire la rotazione dell’acceleratore secondo due versi di rotazione, in un primo caso imponendo coppia positiva, nel secondo caso coppia negativa, facendo quindi funzionare il motore elettrico come generatore. Una tale soluzione è descritta nella domanda di brevetto internazionale n. WO 2003078199.

Anche in questo caso, tuttavia, l’utilizzo dell’accelerazione secondo tali modalità è poco pratico e, soprattutto scarsamente intuitivo per un conducente abituato ad utilizzare motoveicoli tradizionali. Inoltre, tale soluzione non consente di sfruttare al meglio la frenata a recupero, vale a dire l’utilizzo del motore come generatore per la ricarica delle batterie con conseguente azione frenante, in quanto il semplice rilascio dell’acceleratore imposta semplicemente coppia nulla. Al contrario, potrebbe essere desiderabile avere un’azione di recupero anche quando lo scooter è in discesa o rallenta procedendo su un tratto piano, ad esempio avvicinandosi ad un incrocio. Nel sistema descritto nel brevetto suddetto tale azione è demandata alla rotazione negativa dell’accelerazione, pertanto, un movimento poco intuitivo e spontaneo da parte del guidatore.

In alternativa, quindi, è stato sviluppato un sistema di controllo di velocità che impone una determinata velocità al motore in base all’angolo di rotazione della manopola dell’acceleratore.

Tale soluzione risolve i problemi legati all’avanzamento in discesa ed alla scarsa intuitività del controllo, ma presenta lo svantaggio di produrre delle accelerazioni, in particolare da fermo ed alle basse velocità, eccessivamente brusche. Tale comportamento può infatti essere pericoloso quando il veicolo elettrico è adibito al trasporto e, conseguentemente, pesante. Inoltre, in generale, non fornisce delle buone sensazioni al guidatore che ha sostanzialmente l’impressione di avere uno scarso controllo del veicolo.

Pertanto il problema tecnico che è alla base della presente invenzione è quello di fornire un metodo di controllo della velocità di avanzamento in scooter elettrici che consenta di ovviare agli svantaggi sopra menzionati con riferimento alla tecnica nota.

Tale problema è risolto dal metodo secondo la rivendicazione 1 e dallo scooter secondo la rivendicazione 10.

La presente invenzione presenta alcuni rilevanti vantaggi. Il vantaggio principale consiste nel fatto che il metodo secondo la presente invenzione consente di controllare uno scooter elettrico in maniera intuitiva, pratica e senza creare alcuna situazione di difficoltà per il conducente. In aggiunta, il metodo secondo la presente invenzione è particolarmente adatto ad integrarsi con una funzione di frenata a recupero, senza necessità di agire su comandi specifici.

Altri vantaggi, caratteristiche e le modalità d’impiego della presente invenzione risulteranno evidenti dalla seguente descrizione dettagliata di alcune forme di realizzazione, presentate a scopo esemplificativo e non limitativo. Verrà fatto riferimento alle figure dei disegni allegati, in cui:

la figura 1 è uno schema a blocchi del metodo per il controllo della velocità di avanzamento in scooter a propulsione elettrica secondo la presente invenzione; e le figura 2A e 2B sono due grafici che illustrano esempi di funzione della variazione rispettivamente del guadagno proporzionale e del guadagno integrale di un controllore PID applicato nel metodo secondo la presente invenzione.

Per inciso, con il termine scooter si intenderà quella una categoria di motoveicoli, dalla caratteristica conformazione della scocca, detta “step-through”, ovverosia attraversabile nel tratto ribassato posto tra il sellino e lo scudo anteriore. Tali veicoli sono normalmente a due ruote ma, in alcuni casi, a tre ruote e, i medesimi concetti inventivi che saranno illustrati a seguire potranno essere applicati anche a quest’ultimo tipo di veicoli.

Con riferimento quindi alla figura 1, viene illustrato uno schema a blocchi che riassume il funzionamento del metodo di controllo della velocità secondo la presente invenzione. In generale, uno scooter elettrico comprende un motore elettrico M, un’unità di controllo CU del motore, in particolare comprendente lo stadio di potenza e collegata al comando dell’acceleratore A e, ovviamente, al motore stesso, ed un gruppo batteria BP per l’alimentazione dello scooter.

Durante la guida dello scooter, il conducente agisce sul comando dell’acceleratore A in maniera da regolare la velocità di avanzamento del veicolo, similmente ai motoveicoli tradizionali.

In particolare, per agire sull’accelerazione A, il conducente effettua una rotazione α della manopola dello stesso, rotazione che avrà una determinata ampiezza rispetto ad una posizione di riposo iniziale dell’acceleratore.

Quindi, secondo modalità che verranno descritte con maggiore dettaglio a seguire, l’ampiezza dell’angolo di rotazione α verrà trasmessa all’unità di controllo CU, la quale assocerà a tale angolo α una predeterminata velocità obiettivo vt. In altre parole, il conducente, tramite la rotazione della manopola dell’acceleratore, seleziona una velocità a cui desidera procedere, indicata come velocità obiettivo.

Tale operazione può essere semplicemente realizzata tramite l’uso di un potenziometro collegato alla manopola dell’acceleratore, in maniera da fornire un segnale variabile in funzione dell’angolo α.

All’interno dell’unità di controllo CU la velocità obiettivo vtviene confrontata con una velocità reale vrche corrisponde alla velocità di avanzamento reale dello scooter, rilevata, ad esempio, tramite un sensore di velocità Sv, associato al motore M. Tale operazione di confronto consente di ottenere un errore di velocità εv, ottenuto dalla differenza tra velocità obiettivo vte velocità reale vr.

Come illustrato in figura 1, l’unità di controllo CU comprende inoltre un controllore PID CPIDdell’anello di velocità che fornisce un segnale di controllo allo stadio di potenza e, conseguentemente, effettua il controllo del motore.

Come noto, il controllore PID effettua un’azione di regolazione di tipo proporzionale, integrale e derivativo, che viene regolata sulla base dei rispettivi guadagni proporzionale Kp, integrale Kie derivativo Kd.

La risposta del motore è quindi fortemente influenzata dai valori di tali guadagni, in particolare, potrà essere definita una risposta più o meno rapida sulla base della regolazione impostata.

Nel metodo di controllo secondo la presente invenzione, il controllore PID utilizza valori dei guadagni, in particolare di Kie Kp, variabili in funzione dell’errore di velocità εv.

Il metodo secondo la presente invenzione prevede in particolare la variazione dei valori dei guadagni Kie Kpdell’anello di controllo di velocità in maniera tale da ottenere una risposta molto rapida del sistema nel caso l’errore di velocità εvsia elevato, ed invece diviene gradualmente ed automaticamente più morbida al diminuire dell’errore εv.

Più precisamente, a valori elevati di Kpcorrispondano risposte più rapide e quindi comportamenti più bruschi mentre, e per valori bassi del guadagno, il sistema ha una dinamica di risposta di primo tipo e più lenta.

Quindi, per ottenere una risposta più morbida è preferibile diminuire il guadagno proporzionale Kpal diminuire dell’errore εv.

Inoltre, sperimentalmente si è osservato che, per ottenere una risposta più corretta, è invece preferibile aumentare il guadagno integrale Kial diminuire dell’errore εv.

La metodologia di controllo della velocità di avanzamento secondo la presente invenzione è quindi basata su un primo passo di impostare la velocità obiettivo vt, agendo sul comando dell’acceleratore e, in particolare, a seconda dell’angolo α.

Al tempo stesso viene rilevata la velocità reale vrdello scooter tramite un apposito sensore Sv, che viene confrontata con la velocità obiettivo vt.

I valori del guadagno proporzionale Kped integrale Kidel controllore PID saranno quindi variabili in funzione dell’errore di velocità εv, ottenuto tramite il confronto fra la velocità reale vre la velocità obiettivo vt.

Quindi, il motore elettrico M dello scooter viene azionato, sulla base dei valori del guadagno proporzionale Kped integrale Ki, in maniera tale che il veicolo tenda a portarsi alla velocità obiettivo vtimpostata dal conducente.

Grazie a tale metodologia di controllo, lo scooter diminuirà la propria accelerazione quando è vicino alla velocità obiettivo, fornendo così un comportamento più intuitivo e semplice da controllare per il guidatore.

Ad esempio, nel caso lo scooter sia fermo e il guidatore voglia regolare la potenza ottenuta per raggiungere una determinata velocità potrà accelerare molto per avere una rapida risposta. Infatti in questo moto il sistema andrà ad utilizzare valori elevati del guadagno proporzionale Kpin quanto l’errore εvsarà grande.

Se il guidatore vuole invece avere un comportamento progressivo del veicolo accelererà gradualmente in maniera tale da selezionare valori di Kppiù piccoli e quindi ottenere una risposta più morbida.

Con riferimento ai grafici di figure 2A e 2B, che illustrano un possibile esempio di variazione rispettivamente del guadagno proporzionale Kpe del guadagno integrale Kial variare dell’errore di velocità ε, il metodo di variazione dei guadagni del controllore PID può essere modificato in funzione dell’errore di velocità determinato.

Più precisamente, come si può notare dai grafici, gli andamenti del guadagno proporzionale Kpe del guadagno integrale Kisono tali per cui si mantengono costanti per errori di velocità inferiori ad un errore di velocità minino εvmine superiori ad un errore di velocità massimo εvmax, mentre variano secondo quanto descritto precedentemente tra tali valori. In questo modo, vengono evitate eventuali instabilità del sistema, che potrebbero avere luogo per valori dei guadagni Kpe Kieccessivamente bassi o elevati.

In aggiunta, il metodo di variazione può essere ulteriormente modificato per velocità prossime alla velocità massima. In particolare, infatti, in questa situazione, si avrebbe, all’avvicinarsi della velocità massima, un errore di velocità sempre più piccolo, quindi con risposte sempre più lente del sistema. Pertanto, teoricamente, lo scooter non raggiungerebbe mai la velocità massima. Per ovviare a tale problema, è possibile prevedere una differente strategia di variazione dei guadagni, in particolare alle alte velocità. Ad esempio, sarà possibile prevedere un coefficiente moltiplicativo funzione della velocità reale dello scooter o, in generale, potranno essere utilizzate delle funzioni matematiche, che si discostano dall’andamento illustrato nelle figure 2A e 2B, che tengano conto delle problematiche che si manifestano a velocità prossime alla massima.

In altre parole, quindi, il guadagno proporzionale Kped il guadagno integrale Kipotranno variare in funzione dell’errore di velocità ε in base a predeterminate funzioni matematiche che tengano conto di altri parametri relativi al moto dello scooter.

Si noti infine che il metodo secondo la presente invenzione prevede l’utilizzo di un controllore di coppia che trasmette un segnale allo stadio di potenza sulla base di un errore di coppia analogamente a quanto descritto per l’anello di velocità.

In questo caso, la coppia obiettivo Ttverrà impostata sulla base di un segnale fornito dal controllore PID, in funzione dell’errore di velocità e quindi dei guadagni Kp, Ki, Kddello stesso.

Tramite un apposito sensore di coppia STviene rilevata un valore di coppia reale Trdel motore dello scooter, che viene confrontato con la coppia obiettivo Ttsuddetta, fornendo un errore di coppia εT.

Attraverso lo stadio di potenza verrà quindi comandato il motore elettrico M dello scooter in maniera fornire la coppia obiettivo Ttrichiesta.

Si noti pertanto che, nel momento in cui il guidatore rilascerà l’acceleratore, verrà impostata una velocità obiettivo nulla, con un errore di velocità negativo e, la coppia obiettivo che verrò impostata sarà negativa, facendo perciò correttamente funzionare il motore come freno. Tale aspetto si rivela poi particolarmente vantaggioso nel caso sia utilizzato un sistema di frenata a recupero, nel quale le batterie potranno essere ricaricate nel momento in cui è richiesta coppia negativa ed il motore, per generare l’effetto frenante, funziona come generatore.

La presente invenzione è stata fin qui descritta con riferimento a forme preferite di realizzazione. È da intendersi che possano esistere altre forme di realizzazione che afferiscono al medesimo nucleo inventivo, tutte rientranti nell’ambito di protezione delle rivendicazioni qui di seguito esposte.

Claims (10)

1. RIVENDICAZIONI 1. Metodo per il controllo della velocità di avanzamento in scooter a propulsione elettrica, comprendente i passi di: a. impostare una velocità obiettivo (vt); b. rilevare una velocità reale (vr) del motore elettrico (M) dello scooter; c. confrontare la velocità reale (vr) con la velocità obiettivo (vt); d. comandare il motore elettrico (M) dello scooter in maniera tale che tenda a portarsi a detta velocità obiettivo (vt), caratterizzato dal fatto che detto passo di comandare il motore elettrico ha luogo tramite un controllore di tipo PID (CPID), in cui il valore del guadagno proporzionale (Kp) del controllore PID (CPID) è variabile in funzione di un errore di velocità (εv) ottenuto da detto passo di confronto fra la velocità reale (vr) e la velocità obiettivo (vt).
2. 2. Metodo secondo la rivendicazione 1, in cui il valore del guadagno proporzionale (Kp) viene aumentato all’aumentare di detto errore di velocità (εv).
3. 3. Metodo secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui il valore del guadagno<proporzionale (Kp) è tale per cui:> • si mantiene costante per errori di velocità inferiori ad un errore divelocità minino (εvmin) e superiori ad un errore di velocità massimo<(εvmax);> • varia per errori di velocità compresi tra detto errore di velocità minino(εvmin) e detto errore di velocità massimo (εvmax).
4. 4. Metodo secondo una delle precedenti rivendicazioni, in cui il valore del guadagno integrale (Ki) del controllo PID (CPID) è variabile in funzione di detto errore di velocità (εv).
5. 5. Metodo secondo la rivendicazione 4, in cui il valore del guadagno integrale (Ki) viene diminuito all’aumentare di detto errore di velocità (εv).
6. 6. Metodo secondo la rivendicazione 4 o 5, in cui il valore del guadagno integrale<(Ki) è tale per cui:> • si mantiene costante per errori di velocità inferiori ad un errore divelocità minino (εvmin) e superiori ad un errore di velocità massimo (εvmax); • varia per errori di velocità compresi tra detto errore di velocità minino (εvmin) e detto errore di velocità massimo (εvmax).
7. 7. Metodo secondo una delle precedenti rivendicazioni, in cui detto passo di impostare una velocità obiettivo (Vt) è effettuato agendo sull’acceleratore (A) dello scooter.
8. 8. Metodo secondo la rivendicazione 5, in cui detta velocità obiettivo (Vt) è associata all’ampiezza dell’angolo di rotazione (α) di una manopola di comando dell’acceleratore (A) dello scooter rispetto ad una posizione di riposo iniziale.
9. 9. Metodo secondo una delle precedenti rivendicazioni, in cui detto passo di comandare il motore elettrico (M) in maniera tale che il veicolo tenda a portarsi a detta velocità obiettivo (vt) comprende ulteriori passi di: • impostare una coppia obiettivo (Tt); • rilevare una coppia reale (Tr) del motore elettrico (M) dello scooter; • confrontare la coppia reale (Tr) con la coppia obiettivo (Tt); • comandare il motore elettrico (M) in maniera da fornire detta coppia obiettivo (Tt), detta coppia obiettivo (vt) essendo determinata sulla base di un segnale fornito da detto controllore PID (CPID), in funzione dell’errore di velocità (εv) e dei guadagni (Kp, Ki) conseguentemente determinati.
10. 10. Scooter a propulsione elettrica comprendente un motore elettrico (M), un’unità di controllo (CU) di detto motore (M), associata ad un comando acceleratore (A) ed a un gruppo batterie (BP), detta unità di controllo comprendente un controllore di tipo PID (CPID) dell’anello di controllo della velocità, caratterizzato dal fatto che i guadagni (Kp, Ki) di detto controllore PID (CPID) sono regolati tramite un metodo secondo una delle precedenti rivendicazioni.