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Progetto e realizzazione dell’elettronica di potenza e di controllo per un sistema a quattro ruote sterzanti
di Cataldo Sasso

Copyright © 2008 C. Sasso


    L'elettronica è ormai presente ovunque nella vita quotidiana. In vari campi essa costituisce un valido supporto per il miglioramento delle prestazioni di un sistema. Così anche nell'ambito di sistemi complessi quali gli autoveicoli, sia nell'utilizzo quotidiano che nelle competizioni sportive, l'elettronica consente di raggiungere prestazioni e livelli di sicurezza impensabili senza il suo utilizzo (si pensi ad esempio ai vari sistemi di antibloccaggio delle ruote come l'ABS, o di stabilità come l'ESP, o ancora di antipattinamento come l'ASC, e così via). In questo documento viene trattato il progetto e la realizzazione di uno di questi sistemi di controllo attivi, il Four Wheel Steering (4WS) elettroattuato.
    Con il termine 4WS viene comunemente identificato un sistema a quattro ruote sterzanti. Diverse case automobilistiche in passato hanno già sperimentato questo tipo di sistemi utilizzando un approccio meccanico o idraulico. Una novità in questo progetto risiede nel fatto che la sterzatura delle ruote posteriori è elettroattuata, cioè le ruote vengono sterzate da un motore elettrico comandato da una centralina elettronica. Questa tecnica viene comunemente indicata con la terminologia inglese steer-by-wire ed ha la caratteristica di non avere nessuna connessione meccanica tra il volante e le ruote sterzanti. Utilizzando un approccio di questo tipo è possibile sfruttare il controllo elettronico per realizzare un sistema attivo di sterzatura che consenta di agire sull'angolo di sterzata in base a diverse grandezze fisiche legate alla dinamica del veicolo, a differenza di un approccio classico in cui le uniche variabili sono l'angolo del volante e la velocità del veicolo. Questo costituisce l'altra novità del sistema progettato, ovvero l'agire sull'angolo di sterzata delle ruote posteriori non solo sulla base dell'angolo del volante e della velocità del veicolo, ma anche sulla base di grandezze fisiche come ad esempio l'accelerazione laterale, l'accelerazione longitudinale, la velocità di imbardata, la velocità di rollio, eccetera.
    Il progetto si colloca nell'ambito delle competizioni sportive automobilistiche Formula SAE e Formula Student. Il veicolo sul quale viene inserito il sistema è quello progettato dagli studenti del Politecnico di Torino (Squadra Corse). Su tale veicolo è già presente un sistema 4WS, e il progetto quì presentato si propone come sostitutivo del sistema attualmente in uso ampliandone prestazioni e caratteristiche.
    Nella prima parte del documento di tesi viene fatta una breve introduzione sullo stato dell'arte e sull'ambito in cui si colloca il progetto. Si procede poi con una analisi del sistema attualmente in uso sulla vettura considerando gli aspetti da mantenere invariati e quelli da ampliare. Nella parte centrale del documento viene illustrato il progetto vero e proprio, nella sua implementazione hardware, firmware e software. Per ciascuna di queste tre parti del sistema vengono ampliamente descritte le scelte che hanno portato all'implementazione finale ed il funzionamento di ogni blocco che compone il progetto. Nella parte finale del documento vengono riportate anche alcune foto delle schede elettroniche che compongono il sistema. Esse, infatti, sono state effettivamente realizzate, in modo artigianale, per verificare sperimentalmente il funzionamento del sistema progettato. Nell'ultimo capitolo viene fatta una breve analisi dei risultati raggiunti nella realizzazione del progetto, e vengono indicate le difficoltà riscontrate nello sviluppo del progetto stesso. Infine vengono proposte alcune attività per l'effettiva messa in opera del sistema sul veicolo monoposto del 2008, e vengono proposte alcune idee per lo sviluppo futuro del sistema 4WS con steer-by-wire progettato.
    Riassumiamo ora brevemente i risultati raggiunti. Gli obiettivi iniziali del progetto erano quelli di sostituire il sistema implementato sulla vettura monoposto del 2007, che è basato su un attuatore commerciale, con un sistema elettronico sviluppato ad-hoc, mantenendo almeno le stesse prestazioni ed ampliando le caratteristiche di quel sistema. Si richiedeva infatti di attuare la sterzata delle ruote tenendo conto di più grandezze fisiche legate alla dinamica del veicolo. Nel processo di sviluppo del progetto si è, anzitutto, analizzato il sistema preesistente e le varie parti che lo compongono; quindi si sono scelti i componenti sostitutivi o aggiuntivi da affiancare a quelli che si è deciso di mantenere per il progetto del nuovo sistema; dopodichè si è analizzato il controllo implementato sulla vettura del 2007 ed il modello utilizzato per lo sviluppo di quel controllo. Quì ci si è resi conto che per poter implementare un sistema adeguato, che cioè tenga conto di svariate grandezze fisiche legate alla dinamica del veicolo per attuare la sterzata, si rende necessario un modello più complesso del veicolo e del sistema da controllare, ed inoltre conviene utilizzare un controllo più complesso che non i semplici PID utilizzati in precedenza. Un lavoro di questo tipo richiede molto più tempo di quello a disposizione, e quindi si è deciso di continuare ad utilizzare lo stesso modello anche per il controllo del nuovo sistema, ma predisponendo quest'ultimo per l'implementazione di un controllo molto più sofisticato da realizzare quando si renderà disponibile un modello più accurato del sistema da controllare.
    Nel procedere con la descrizione dello sviluppo del progetto, si è poi passati ad analizzare le implementazioni per tutte le parti del sistema, cioè l'hardware, il firmware ed il software. Anche se in questo documento queste tre parti sono presentate separatamente, il loro sviluppo è avvenuto in modo parallelo. Infatti, il procedimento seguito consiste nell'implementare inizialmente un modulo firmware in vhdl e verificarne il comportamento tramite simulazioni testbench con programmi appositi, come ad esempio ModelSim; quindi si inserisce tale modulo sul dispositivo FPGA reale e si sviluppa il software che dal DSP gestisce il modulo stesso in ogni sua parte; si verifica poi il funzionamento del modulo firmware e del modulo software con l'ausilio di strumenti quali oscilloscopi e generatori di segnali collegati ai pin di ingresso e di uscita; infine si sviluppa il modulo hardware in modo sperimentale, cioè su breadboard o schede millefori o con l'ausilio di evaluation board dei componenti, e lo si collega a tali pin per verificare il funzionamento di tutti e tre i moduli insieme. Questo procedimento è stato seguito per ogni sezione di cui si compone il sistema. In questo modo si è raggiunto il risultato di un sistema complessivamente già pre-collaudato nelle singole parti che lo compongono e nel loro insieme. C'è da dire che, in questo frangente, le difficoltà maggiori si sono riscontrate nell'inserire i moduli firmware, sviluppati in vhdl, all'interno del dispositivo FPGA reale. Questo perchè, mentre in simulazione tutto funziona come ci si aspetta, nel momento in cui si adoperano strumenti di compilazione appositi per i dispositivi FPGA reali, questi a volte inseriscono delle ottimizzazioni non volute sul codice vhdl, che possono alterare in modo sbagliato il comportamento complessivo del modulo. Quindi si sono dovuti prendere particolari accorgimenti nella scrittura del codice vhdl per alcuni moduli affinchè questi non venissero erroneamente ottimizzati dai compilatori nell'inserirli nel dispositivo reale.
    Per quanto riguarda i tempi di sviluppo del sistema, la scelta di utilizzare una scheda elettronica commerciale, cioè la scheda EKU dell'ACTUA, per implementare l'unità centrale di elaborazione e controllo ha sicuramente consentito uno sviluppo molto rapido. Questo, infatti, ha permesso di risparmiare tutto il tempo che sarebbe stato necessario allo sviluppo del layout dell'unità centrale, e ha permesso di utilizzare questo tempo per un più accurato sviluppo degli algoritmi di elaborazione e di controllo. C'è da dire che non tutte le risorse messe a disposizione dalla scheda EKU sono state sfruttate, e quindi ciò consente una possibile espansione futura del sistema implementato senza la necessità di dover apportare modifiche sostanziali al circuito.
    Come detto, il progetto è stato fisicamente realizzato nelle sue parti hardware tramite tecnica filata su schede millefori sperimentali. Purtroppo ridardi nella consegna di alcuni componenti non ha ancora consentito la prova al banco del sistema, ma ciò potrà essere fatta non appena disponibili tali componenti. Da questa prova si potrà verificare il corretto funzionamento del controllo ed effettuare anche delle comparazioni, in termini di prestazioni, con il sistema implementato sulla vettura del 2007. La cura con cui si è sviluppata la parte di controllo, sia dal punto di vista software che hardware, rende comunque fiduciosi per un esito positivo della prova al banco. Le altre parti del sistema, come detto, sono state già parzialmente collaudate durante lo sviluppo del progetto, quindi un collaudo complessivo probabilmente avrà come risultato il funzionamento corretto del sistema.
    In conclusione, il progetto e la realizzazione del sistema 4WS con steer-by-wire, oggetto di questo documento, ha raggiunto risultati soddisfacenti, in quanto si è raggiunto l'obiettivo di avere un sistema da installare sulla vettura del 2008 in grado di sostituire il sistema utilizzato sulla vettura del 2007. Inoltre si è raggiunto l'obiettivo di avere un sistema predisposto per l'utilizzo di una implementazione più complessa del controllo, che cioè sia basata su varie grandezze fisiche legate alla dinamica del veicolo.
    Un'ultima parola per sottolineare che dal punto di vista personale questa esperienza di progetto è stata sicuramente positiva e gratificante. Essa ha permesso all'autore di questo documento di mettere in pratica le conoscenze acquisite durante l'intero corso di studi accademici, e di ampliare le proprie conoscenze nell'ambito dell'elettronica e dell'elettromeccanica. Inoltre, in questa esperienza, si è potuto realizzare fisicamente il progetto teorico, almeno in parte, e ciò ha permesso di vedere realmente funzionare il sistema progettato. Il buon rapporto con i docenti relatori e con il resto del personale all'interno del laboratorio LIM, in cui si è sviluppato questo lavoro, ha poi reso piacevole la permanenza durante il periodo di sviluppo della tesi.

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