Un variatore elettronico, in inglese Electronic Speed Control (ESC) è un dispositivo che serve a modulare elettronicamente la velocità di un motore elettrico.
Facciamo una breve introduzione storica sui variatori di velocità e sul loro funzionamento in generale, prima di vedere come funziona un ESC.
Prima degli ESC
Prima dell’avvento degli ESC, il controllo della velocità avveniva inserendo delle resistenze elettriche in serie tra la batteria e il motore; la resistenza sottraeva una parte del voltaggio alla batteria e costringeva il motore a ricevere un voltaggio parziale.
Alcuni sistemi semplici, come il variatore meccanico TAMIYA, funzionavano con un servocomando che spostava un interruttore mobile su 7 posizioni diverse per ottenere 3 velocità in avanti e 3 indietro, oltre al neutro:
Alla resistenza più alta #1 corrispondeva la velocità più bassa, alla resistenza più bassa #2 la velocità intermedia.
Si trattava di sistemi semplici, che però non erano particolarmente graditi ai modellisti per due motivi: il primo era il comando non proporzionale, ma a step (le 3 velocità); il secondo motivo erano i consumi elevati anche alle velocità più basse, perchè una parte della carica, già scarsa per le batterie di quei tempi, veniva consumata dalle resistenze elettriche.
Funzionamento on/off
Il collegamento diretto tra batteria e motore è senza dubbio il metodo più efficiente di trasferire corrente senza sprechi; un semplice interruttore on/off da azionare per dare potenza, o toglierla.
Le macchinine giocattolo, del resto, dispongono di 1 sola velocità e vengono guidate modulando manualmente gli impulsi on/off sul comando del motore. Questo però è possibile solo perchè la velocità del modello è bassa, infatti per guidare in questo modo anche i modelli più veloci il pilota dovrebbe avere doti di sensibilità e reattività innaturali.
Per fortuna, questa capacità non viena richiesta al pilota, ma delegata proprio all’ESC. Vediamo come.
Pulse Width Modulation – PWM
Immaginiamo di avere tra le mani proprio il radiocomando di una macchinina giocattolo e di dare gas per un decimo di secondo: il motore avrà un impulso e la macchina avanzerà qualche metro per fermarsi dopo poco.
Immaginiamo di ripetere la stessa azione un secondo dopo il primo impulso: la macchina probabilmente sarà ancora in movimento e per un attimo la vedremo nuovamente accelerare, poi di nuovo rallenterà.
Ripetendo la stessa azione, ancora e ancora, vedremo la macchina aumentare di poco la sua velocità a ogni impulso che imprimiamo all'acceleratore.
L’esperimento riproduce manualmente ciò che in elettronica viene chiamata modulazione di ampiezza pulsata (Pulse Width Modulation, PWM) e che presenta una forma d’onda quadra. Se utilizziamo i parametri dell’esempio, l’onda di modulazione pulsata presenta le seguenti caratterische:
periodo (T): 1 s
frequenza (f): 1 Hz
duty cycle: 10%
Il periodo T è il tempo che trascorre tra l’inizio di un impulso e l’inizio del successivo.
La frequenza è l’inverso del periodo, e si esprime in Hertz. Nell’esempio vale 1/T=1/1 s=1 Hz
Il Duty Cycle è la durata dell’impulso, espressa in percentuale rispetto al periodo. L’impulso nell’esempio dura 0,1 secondi, il periodo 1s: 0,1 s/ 1 s = 0,1 = 10%.
Forma d’onda per duty cycle 10%
Immaginiamo di ripetere l’esperimento variando solo la durata dell’impulso: 0,5 s. I nuovi parametri diventano:
periodo (T): 1 s
frequenza (f): 1 Hz
duty cycle: 50%
Forma d’onda per duty cycle 50%
Capito il concetto, è ovvio che aumentando il duty cycle di 5 volte la macchina raggiungerà una velocità più elevata.
Questo che abbiamo spiegato è il principio di funzionamento dei variatori elettronici. Non è la tensione applicata al motore a variare, ma il tempo di applicazione di quella tensione all’interno del periodo T.
Come funziona un ESC - Il comando acceleratore
In un variatore elettronico, la frequenza PWM è fissata dal processore interno ed è un valore fisso, normalmente compreso tra 1 e 32 kHz a seconda delle caratteristiche del ESC.
Attraverso il comando acceleratore sul radiocomando, il pilota non fa altro che variare la durata del duty cycle rispetto al periodo T, che appunto dipende dalla frequenza del ESC.
Nell'immagine seguente possiamo vedere cosa succede quando il comando acceleratore si trova nelle posizioni neutra, 10%, metà corsa e corsa completa:
il comando acceleratore non azionato corrisponde al duty cycle 0%, ovvero non c’è impulso e il motore non riceve corrente;
ad una escursione del 10% dell'acceleratore, il duty cycle corrisponde alla stessa percentuale;
a metà corsa dell'acceleratore, il duty cycle corrisponde al 50%;
con l'acceleratore al massimo il duty cycle è 100% e il motore riceve tutta la potenza, come se fosse collegato direttamente alla batteria.
Conclusioni
Avrete notato che l’articolo si concentra sul funzionamento di un ESC per i motori a spazzole. Lo abbiamo fatto per semplicificare la trattazione, ma il funzionamento di un ESC brushless è molto simile, tenendo conto però che il segnale PWM, che qui viene applicato sempre sulla stessa coppia di fili conduttori, nel motore brushless viene applicato alternativamente su 3 fili, ma solo 2 fili sono contemporaneamente alimentati.
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