martedì 2 settembre 2025 · 0 min read
Test a Banco di Propulsori Subacquei: Controllo PWM e Monitoraggio
La Pulse Width Modulation (PWM) è una tecnica utilizzata per controllare il valore medio di un segnale analogico variando la larghezza degli impulsi, mantenendo però costante la frequenza. La PWM è particolarmente utile per regolare la potenza media o l’ampiezza fornita da un segnale elettrico. Grazie alla sua versatilità, trova applicazione in un’ampia gamma di dispositivi, dai piccoli LED fino ai motori di grande potenza, risultando una soluzione efficace in diversi sistemi elettronici.
Molti alimentatori impiegano la modulazione PWM per regolare tensione e corrente in uscita. Attraverso il controllo del duty cycle del segnale, la PWM consente di mantenere livelli di tensione stabili, requisito fondamentale per il corretto funzionamento di dispositivi elettronici sensibili come computer ed apparecchiature di comunicazione.
Team PoliTOcean
Il Team PoliTOcean è una squadra studentesca del Politecnico di Torino, specializzata in robotica subacquea, che partecipa alla MATE ROV Competition. Questa competizione internazionale si svolge ogni anno negli Stati Uniti e riunisce team provenienti da tutto il mondo. Dal 2017 PoliTOcean rappresenta con orgoglio l’Ateneo torinese. La gara prevede la presentazione di diversi prototipi di ROV (Remotely Operated Vehicle), i quali vengono messi alla prova ed esaminati attraverso lo svolgimento di complesse missioni subacquee.
Con oltre 75 membri attivi, le sfide non mancano mai, soprattutto nello sviluppo del nostro ROV più recente e avanzato, EVA – vedi Figura 1.
Progettiamo e prototipiamo internamente tutti i componenti, sia meccanici che elettronici. Le nostre PCB (Printed Circuit Boards) sono prodotte da Eurocircuits, mentre per la stampa 3D utilizziamo una stampante Prusa, che ci permette di realizzare parti personalizzate grazie ai filamenti forniti da Filoalfa. Il telaio è realizzato in polietilene ad alta densità (HDPE), un polimero termoplastico derivato dal petrolio, tagliato tramite una macchina CNC messa a disposizione dal nostro mentor, Claudio Sansoè.
Membri del team coinvolti nel progetto:
Giovanni Pellegrino, Team Leader
Gino Marco Fachechi, studente area Firmware
Mahdi Nassereddine, studente area Meccanica
Pietro Canta, studente area Elettronica
Fabio Casini, studente area Elettronica
Michele Carenini, studente area Software
Prototipo EVA
Il prototipo EVA è dotato di otto propulsori, che garantiscono manovrabilità precisa e stabile in ambiente subacqueo. Il sistema di navigazione si basa su una IMU integrata con un filtro di Kalman, supportata da un sensore barometrico per il calcolo della profondità e da cinque telecamere che forniscono un feedback visivo in tempo reale.
La struttura del veicolo è realizzata in HDPE e leghe di alluminio, materiali scelti per la loro resistenza meccanica e alla pressione, che consentono a EVA di operare fino a una profondità di 100 metri.
Durante le fasi di progettazione e prototipazione del nuovo ROV non reinventiamo la ruota ogni volta, ma riutilizziamo componenti già funzionanti, ottimizzati e accuratamente testati nei modelli precedenti. Nel caso specifico di EVA, abbiamo riutilizzato il sistema di alimentazione di AIDA – vedi Figura 3 – il ROV impiegato durante la MATE ROV Competition 2020.
Tuttavia, sebbene questo sistema non avesse mostrato problemi con il ROV precedente, sembra risultare inadeguato per EVA, soprattutto durante manovre più complesse. Il sistema si è dimostrato poco affidabile, arrivando a causare arresti improvvisi e impedendo una riconnessione immediata.
Questa criticità solleva interrogativi importanti: il problema deriva da una scelta inappropriata del componente, da un’interfaccia mal gestita con altri attuatori o da un difetto nel design del componente da noi realizzato?
Per testare il sistema di propulsione di EVA era necessario un banco di prova in grado di ospitare fino a otto propulsori, ciascuno con controllo individuale tramite modulazione a larghezza d’impulso (PWM), al fine di eseguire test di accelerazione e a potenza costante, valutando al contempo l’efficienza della scheda di alimentazione.
Il test è stato condotto in una piscina in dotazione del Politecnico di Torino.
La Sfida
In sostanza, la PWM genera un segnale digitale che rappresenta un livello analogico variabile. Tale rappresentazione si ottiene commutando rapidamente il segnale tra acceso e spento, dove il tempo di accensione (o larghezza dell’impulso) è funzione del valore analogico desiderato.
Tuttavia, per noi una sfida significativa è stata la mancanza di strumenti in grado di acquisire dati con precisione su più livelli di tensione (5V, 12V, 48V). Grazie al SIRIUS-HD-16xLV di Dewesoft e il software DewesoftX, siamo stati in grado di visualizzare le forme d’onda in tempo reale e registrare sia i dati di tensione sia di corrente per tutta la durata della campagna di misurazioni.
I due convertitori DC/DC collegati in parallelo sulla parte superiore della scheda di alimentazione di AIDA (vedi Figura 7) forniscono una potenza totale di 1200 W, con 600 W erogati da ciascun convertitore. I nostri otto propulsori assorbono al massimo 200 W ciascuno. Non è necessario utilizzare tutta la potenza, poiché la competizione prevede attività di manutenzione del fondale che richiedono maggiore precisione; pertanto, limitiamo la potenza al 50% della capacità massima.
Therefore:
Even if:
Le anomalie osservate su EVA (arresti improvvisi, attivazione della protezione del convertitore) non ci permettono di escludere a priori un problema nella fornitura di potenza. Infatti, con gli strumenti Dewesoft prevediamo di analizzare le forme d’onda sia in condizioni stazionarie sia durante i transitori.
La Soluzione
Abbiamo sviluppato un banco di prova composto da componenti sia meccanici sia elettronici (Figura 7).
Abbiamo montato otto T200 thrusters di Blue Robotics su una barra di supporto di alluminio. Questo allestimento consente l’immersione simultanea di tutti i propulsori in acqua, permettendo di sperimentare diverse configurazioni operative – vedi Figura 5.
Dal lato elettronico, il team ha utilizzato le stesse schede impiegate per il controllo dei motori nel ROV. In particolare, la Power board include due convertitori DC/DC che riducono la tensione di ingresso di 48V dall’alimentatore in due uscite da 12V e una da 5V.
La Opto board è dotata di un insieme di uscite opto-isolate e di un connettore per un componente STMicroelectronics, Nucleo board, che ospita un microcontrollore programmato per controllare gli otto propulsori tramite segnali di modulazione a larghezza d’impulso (PWM). L’attuazione dei motori è gestita da un driver Blue Robotics, nello specifico l’Electronic Speed Controller (ESC). Ricevono segnali da 12V e PWM per azionare i motori attraverso le loro uscite trifase.
We used the following equipment:
SIRIUS-HD-16xLV é un modulo di acquisizione dati multicanale, ad alta precisione e in tempo reale, prodotto da Dewesoft.
DS-CLAMP 150DC, una pinza amperometrica prodotta e fornita da Dewesoft. Permette la misurazione di correnti continue fino a 150 A.
Power board, sviluppata internamente dal team PoliTOcean.
Nucleo board, per la generazione dei segnali PWM signal
Cavo da 18-metri per l’alimentazione e il controllo del ROV.
Overview dei collegamenti
L’alimentatore utilizzato è il Mean Well RSP-2000-48 (220V AC, 48V DC). La Figura 9 mostra il collegamento tra l’alimentatore e la scheda di potenza, realizzato tramite il cavo umbilicale da 18 metri del ROV EVA. L’alimentatore fornisce un cavo bipolare a 48V, collegato al cavo umbilicale tramite un connettore Anderson-Powerpole (blu). All’estremità opposta, utilizziamo un connettore XT60 (giallo) per interfacciarci con la scheda di potenza.
La Figura 9 mostra i collegamenti dei cavi utilizzati per le misurazioni di tensione con il SIRIUS HD 16xLV (cavi blu-grigi).
La Figura 10 mostra la scheda di potenza AIDA sviluppata dal team, dotata di due convertitori DC/DC. Abbiamo progettato questa scheda per ricevere un ingresso a 48V e generare due uscite a 12V (utilizzate per alimentare i propulsori) e un’uscita a 5V (per la scheda ST Nucleo). Per le linee a 12V vengono utilizzati connettori XT60 (gialli), adatti a applicazioni ad alta corrente.
Sono inoltre visibili i cavi per il monitoraggio della tensione (rossi e grigi), che misurano la tensione di alimentazione sulle due linee a 12V dei motori e sulla linea a 5V che alimenta la scheda Nucleo. L’alimentazione a 5V è prelevata direttamente dalla scheda PCB tramite due fili saldati sulla scheda (cavi blu e grigi).
La Figura 11 mostra i morsetti utilizzati per collegare i cavi che trasportano l’alimentazione a 12V dalla scheda di potenza a due gruppi, ciascuno composto da quattro ESC.
«Abbiamo deciso di suddividerli in due gruppi», spiega il responsabile elettronica, Fabio Casini. «Non solo per semplificare la disposizione dei cavi, ma anche perché la scheda di potenza dispone di due canali di uscita a 12V». Sottolinea l’importanza di questa scelta: «Ci permette di monitorare la tensione su ciascun canale in modo indipendente e di distribuire la corrente in modo più efficiente. Ogni gruppo di morsetti porta +12V su un lato e il corrispondente GND sull’altro».
La Figura 12 mostra la scheda Nucleo, nella parte centrale inferiore dell’immagine, montata su una scheda personalizzata sviluppata dal team PoliTOcean, denominata scheda Opto. Questa scheda integra diversi output opto-isolati e include un alloggiamento dedicato per la scheda Nucleo. Otto degli output opto-isolati sono collegati direttamente ai cavi di segnale che trasportano i segnali PWM verso gli ESC, permettendo il controllo dei propulsori.
Per questa configurazione abbiamo utilizzato connettori B2C (Board-to-Cable), poiché la stessa scheda Opto è impiegata anche nel sistema centrale del ROV, garantendo compatibilità e modularità.
Setup del Software
Abbiamo sviluppato la configurazione software appositamente per questa campagna di test.
«Con l’aiuto di un’interfaccia grafica, gestire i segnali di test è diventato un compito rapido e semplice», afferma il responsabile firmware, Gino Marco Fachechi, che ha progettato l’interfaccia del generatore PWM. «Questa GUI ci ha permesso di descrivere l’andamento del PWM di ciascun motore inserendo dei punti su un grafico per creare il profilo di ciascun propulsore» – vedi Figura 13.
Premendo un pulsante, gli otto segnali PWM vengono generati e inviati ai motori, seguendo l’andamento del rispettivo grafico.
Il software permette anche di importare profili di test se correttamente formattati, e abbiamo utilizzato questa funzionalità per creare tutti i test in anticipo, basandoci sui suggerimenti e le richieste fornite da Dewesoft.
I grafici preparati in questo modo sono stati poi importati nella GUI al momento del rispettivo test, riducendo al minimo i tempi tra un test e l’altro e diminuendo la probabilità di errori nella creazione dei profili di controllo.
La GUI e la scheda Nucleo, montata sulla scheda motore, comunicano tramite un protocollo sviluppato dal team, che trasferisce messaggi specifici di controllo e debug tra le schede dell’EVA.
Risultati
I risultati ottenuti dalla campagna di misurazioni hanno confermato che il progetto della scheda PCB è corretto e funziona come previsto, rispettando i requisiti specificati.
La limitazione individuata è dovuta al convertitore DC/DC. Quando il motore richiede una corrente superiore alla soglia di erogazione, la tensione cala bruscamente a un livello critico, causando l’ingresso del componente in modalità di protezione e lo spegnimento.
Questo comportamento è osservabile nelle Figure 14 e 15.
Possiamo affrontare questo problema di comportamento in due modi: aggiungendo un convertitore DC/DC per distribuire il carico in modo più efficace oppure eseguendo ulteriori misurazioni per determinare soglie di protezione più adatte e abbassare il livello di intervento, dato che il componente è programmabile.
Fattori chiave
L’utilizzo della strumentazione Dewesoft è stato cruciale per il successo della nostra campagna di test. Senza il sistema SIRIUS-HD-16xLV e il software DewesoftX, non saremmo stati in grado di acquisire in tempo reale più segnali analogici ad alta risoluzione con una sincronizzazione precisa dei canali. Questa configurazione ci ha permesso di individuare i momenti in cui il convertitore DC/DC entrava in modalità di protezione, evidenziando fenomeni come cadute di tensione sotto carico.
La possibilità di visualizzare le forme d’onda in tempo reale e analizzarle subito dopo ogni test ha fatto la differenza: ci ha permesso di capire rapidamente dove intervenire e ha dato al nostro lavoro un livello di precisione che prima non avevamo.
Infatti, senza Dewesoft avremmo dovuto affidarci a numersi strumenti non integrati tra loro, come multimetri o oscilloscopi con un numero ridotto di canali, rischiando di perdere transitori critici o di dover ripetere più volte i test per ottenere dati confrontabili. Inoltre, la possibilità di registrare e analizzare i dati offline ha permesso una diagnosi accurata dei problemi, accelerando così il processo di iterazione nella progettazione della scheda di potenza.
Il supporto di Dewesoft, nella definizione dei profili di test e nella selezione della strumentazione adeguata, si è rivelato un valore aggiunto fondamentale, riducendo i tempi di configurazione e migliorando la qualità complessiva dell’esperimento.
Prospettive Future
Le misurazioni effettuate hanno segnato un punto di partenza fondamentale per lo sviluppo dei sistemi di elettronica di potenza di PoliTOcean.
Prevediamo di collaborare con Dewesoft in futuro per condurre un’altra campagna di test, creando così un ampio dataset. Utilizzeremo questo dataset per addestrare una rete neurale in grado di prevedere il comportamento elettrico e termico dei propulsori in base ai profili di controllo (PWM), alla tensione di alimentazione e alle condizioni operative.
L’idea è quella di sviluppare una rete neurale di tipo Multilayer Perceptron (MLP) o Long Short-Term Memory (LSTM) per modellare con precisione il consumo energetico e la risposta dinamica dei motori in scenari reali. Un modello di questo tipo permetterebbe di simulare l’efficienza e l’affidabilità del sistema di propulsione già in fase di progettazione, senza la necessità di test fisici—ottimizzando così sia la scelta dei componenti che le strategie di controllo.
