Analisi della gestione di un full bridge chopper a mosfet per il pilotaggio in controllo di corrente di un attuatore elettromeccanico con segnali in banda audio = Management analysis of a full bridge mosfet chopper to drive in current control an electromechanical actuator with audio band signals

L’applicazione esaminata è una centralina per autoveicoli che deve pilotare due attuatori elettromeccanici con segnali in banda audio in modo da produrre nei carichi una corrente con forma d'onda imposta (segnali sinusoidali o somme di sinusoidi con poche armoniche). Gli attuatori sono dei carichi induttivi che devono essere eccitati con correnti sinusoidali (o somme di sinusoidi) a frequenze 10Hz ÷ 400Hz e ampiezze fino a circa 14Aeff. Il range di temperature di funzionamento del dispositivo è -40°C ÷ +120°C con tensioni di alimentazione 9V÷16V. Si è realizzata la sezione di pilotaggio dei carichi mediante l’utilizzo di due ponti ad H realizzati a MOSFET (dispositivi discreti con l’aggiunta del bridge driver) e comandati con segnali a frequenza fissa (f=10÷20kHz) e duty cycle variabile in modo da produrre le opportune commutazioni nei singoli dispositivi attivi per alimentare i carichi. L'applicazione prevede l’impiego di un microcontrollore che gestisce le attuazioni degli H bridge, riceve i valori istantanei della corrente nei carichi (ottenuta con shunt + shunt amplifier), e provvede a chiudere via software i loop di controllo per realizzare le attuazioni desiderate. La forma d’onda da attuare nei carichi (ampiezza, forma e fase del segnale) è calcolata dal software del microcontrollore sulla base delle informazioni ricavate da sensori installati su vettura. Il primo step di questo studio è stato quello di ricavare una gestione dell'alimentazione all'ingresso dei ponti in grado di avere la minima potenza dissipata e garantendo comunque il corretto funzionamento di tutti i componenti. Tale gestione è stata implementata con una struttura mosfet back-to-back e un controllore di protezione LM5060: a fronte delle specifiche progettuali è stata fatta la scelta su quale transistor di potenza utilizzare. Sono state attenzionate in particolar modo le fasi di accensione e di conseguenza è stata fatta una valutazione sulla temperatura di giunzione. Sono stati presi in esame il sensore di temperatura e il filtraggio per l'accelerometro: quest'ultimo, avendo vincoli in fase e in guadagno per determinati range di frequenze, è stato realizzato come una cascata di filtri attivi. E' stata effettuata un'analisi della dissipazione di potenza nel BTN8962TA, analizzando inoltre il corretto andamento del segnale PWM per descrivere il segnale sinusoidale della corrente, variando anche la frequenza del segnale. In seguito, è stata determinata la scelta del pilotaggio del full bridge, valutando quale soluzione fosse in grado di seguire con maggior accuratezza il segnale di ingresso. Lo stadio finale, in conclusione, è composto dall'attuatore: per esso, a seguito di molteplici specifiche, è stato fatto un approfondimento sul comportamento elettrico, ricavato attraverso analisi sperimentali e numeriche. E' stato realizzato uno studio nel dominio delle frequenze, facendo un'analisi e simulando il test sull'emissione condotta (tramite metodo della tensione). Tutte le analisi effettuate si sono basate su uno studio tramite LTspice, strumento per la simulazione di circuiti elettrici analogici. Quanto ottenuto si presenta inevitabilmente come un'ottima alternativa nel campo automotive.