IT201800008124A1 - Sistema di Cambio CVT automatico per biciclette non elettriche - Google Patents

Description

Titolo: Sistema di Cambio CVT automatico per biciclette non elettriche

DESCRIZIONE

Campo della tecnica

Il seguente trovato consiste di un sistema di controllo automatico di un cambio continuo CVT, specificamente elaborato per biciclette non elettriche. Grazie a tale sistema, il rapporto di marcia varia in modo automatico in rapporto allo sforzo compiuto dal ciclista, per mezzo di sensori di misurazione della coppia al pedale e della velocità. Ciò al fine di migliorare il comfort di guida durante ogni fase della pedalata. Il tutto con la precisazione che, per alimentare i circuiti elettrici o elettronici presenti nel sistema, si utilizza un alternatore: ciò rende il sistema autosufficiente dal punto di vista elettrico e dunque applicabile a bici tradizionali (non elettriche).

L’obiettivo fondamentale del controllo in questione è quello di inseguire costantemente il c.d. rapporto ottimo, definito tale in quanto teso a minimizzare in assoluto il senso di fatica percepito dal ciclista.

Stato della tecnica

Come è noto, il moto impresso ad una bicicletta e quindi la sua velocità di avanzamento (ed in generale la potenza fornita) è il risultato del prodotto della forza applicata al pedale e della cadenza di pedalata, cioè la velocità di rotazione della pedivella. È legge della fisica, infatti, che il prodotto dei due effetti restituisce come risultato la potenza di trazione fornita alla ruota posteriore.

Da ciò discende che possono esistere infinite combinazioni di cadenza e forza esercitata dal ciclista, il cui prodotto restituisce sempre la stessa potenza, ovverosia un uguale effetto di trazione sulla bicicletta. È da sottolineare, tuttavia, che dette combinazioni possono differire in termini di efficienza di pedalata, in quanto lo sforzo muscolare da compiersi può variare notevolmente da una combinazione all’altra. Quindi a parità di potenza erogata è possibile individuare combinazioni di forza-cadenza, o soluzioni di pedalata, più o meno convenienti in termini di efficienza di pedalata e quindi di comfort.

Ora, posto che le combinazioni di cadenza-forza, ad una assegnata potenza, sono infinite, è ben possibile affermare che è sempre esistente una combinazione “ottima” che minimizzi lo sforzo muscolare, e quindi sia tale da fornire il miglior comfort – in assoluto – al ciclista. L’insieme di tali combinazioni ottime, con il variare della potenza costituisce un c.d. “luogo dei punti” ottimo (o ideale) esprimibile quindi con una funzione del tipo: f(ωP,Fp) = 0, dove FP e ωP sono rispettivamente la forza e la cadenza di pedalata.

Tutto ciò premesso, a parità di potenza fornita, l’unico fattore in grado di determinare la combinazione fra la cadenza di pedalata e la forza impressa al pedale è il c.d. rapporto di trasmissione tra pedivella e ruota posteriore. Quindi, in accordo a quanto detto prima, è possibile affermare che, ad una data potenza, esiste sempre quel rapporto di trasmissione tale da garantire una combinazione di forza ωP<* >e cadenza FP<* >che appartiene al quel luogo dei punti ideale o ottimo e quindi tali da verificare la relazione f(ωP<*>,FP<*>) = 0.

Tale rapporto è quindi definibile ottimo in quanto è l’unico in grado di minimizzare, in assoluto, lo sforzo muscolare da compiersi.

Occorre inoltre considerare un altro fattore fondamentale, ovvero la mutevolezza delle condizioni di carico e delle fasi guida: continuamente l’apporto di potenza fornita cambia, determinando la continua variazione del rapporto ottimo.

È chiara quindi la convenienza di fare uso di un cambio o, in alternativa, di una trasmissione automatizzata, tramite un sistema elettronico di controllo, al fine di inseguire il rapporto ottimo che minimizzi lo sforzo muscolare complessivo.

In merito alla tipologia di cambio, è bene considerare che l’uso di cambi a rapporti discreti non può assicurare l’inseguimento del rapporto ottimo, posto che questo può assumere un valore qualsiasi con continuità, mentre una trasmissione discreta garantisce un set finito di rapporti che possono sì migliorare la pedalata, ma solo in un numero finito di condizioni. Del resto, sistemi di cambio discreto automatizzato dotati di dispositivi di controllo, configurati per migliorare il comfort di pedalata, sono già ampiamente divulgati. Si può citare ad esempio: US5266065 e EP0831021A2.

Si potrebbe allora pensare di aumentare sempre più il numero di rapporti discreti, così da fornire maggiori varianti e rimanere sempre più vicino alla zona di confort del ciclista, ma anche in questo caso, si avrebbero così tanti rapporti, che il cambio risulterebbe ingovernabile. In effetti la continua variazione di marcia dovuta all’inseguimento di un obiettivo di comfort, produrrebbe forti discontinuità, con ricadute in punto di fluidità della pedalata.

Non a caso, attualmente i cambi discreti automatici commercializzati, presentano un numero limitato di rapporti con un massimo di 11 rapporti (Shimano Di2).

La soluzione di cambio, tale da garantire l’inseguimento del rapporto ottimo, potrebbe essere ricercata, allora, in un cambio c.d. CVT (Continous Variable Transmission) che consiste in una trasmissione continua in grado di fornire infiniti rapporti di trasmissione senza soluzione di continuità. In effetti l’uso di cambi continui per biciclette come alternativa al cambio discreto tradizionale (deragliatore) è già una realtà nota. Quale esempio di cambio CVT (o meglio CVP: Continous Variable Planetary) ad uso ciclistico, si può citare il prodotto “Nuvinci” realizzato dalla Fallbrook, che propone la sua versione di trasmissione CVT integrato nel mozzo della ruota posteriore: US2018202527A1.

L’automatizzazione di un cambio CV per mezzo di un attuatore motorizzato pilotato da un dispositivo elettronico che selezioni, per il ciclista, il giusto rapporto, sulla base delle informazioni prodotte da alcuni sensori, non rappresenta, di certo, una soluzione innovativa: si può citare come esempio di cambio CVT automatizzato, la stessa soluzione proposta della Fallbrook: US2017/03433105A1.

Tuttavia, detto sistema di CVT automatizzato non fa uso di dispositivi di rilevamento di forza al pedale (o di coppia) per gestire il rapporto di marcia, e quindi non si ritiene tale da realizzare il rapporto ottimo. In effetti, in assenza di tale informazione, non è possibile verificare che il rapporto ingaggiato produca una combinazione di cadenza-forza ottima, posto che non si è in grado di valutare la pedalata in termini di forza erogata.

Ciononostante sono state divulgate soluzioni di cambio generico automatizzato EP2640629, US6714849 che prevedono l’uso di almeno un sensore di forza/coppia e uno di cadenza.

Tuttavia a differenza di tali soluzioni, si vuole illustrare una configurazione di un sistema di controllo di un cambio CVT, montato su biciclette a propulsione esclusivamente umana, che include un metodo di calcolo analitico del rapporto, teso ad inseguire continuamente il rapporto ottimo Z* tale da garantire sempre la condizione f(ωP<*>,FP<*>) = 0 in ogni fase guida, assicurando quindi il miglior comfort, in assoluto, al ciclista.

Inoltre i sistemi CVT automatizzati, posto che dispongono di infiniti rapporti, necessiterebbero di un’azione continua di correzione da parte dell’attuatore del cambio, al fine di poter usufruire a pieno dei loro vantaggi. Tutto ciò richiede quindi un assorbimento di energia elettrica, maggiore in confronto a un cambio discreto che è attivo solo in precisi istanti di tempo (durante l’esecuzione di un cambio marcia). In effetti i cambi CVT automatizzati presenti in commercio sono, allo stato dell’arte noto, utilizzati esclusivamente per eBike o se non altro, non rappresentano dei sistemi autonomi, ovvero tali da generare l’energia necessaria all’alimentazione dei sistemi elettrici, ma di contro utilizzano sistemi di alimentazioni a batterie che richiedono una ricarica frequente o comunque periodica.

Tuttavia la possibilità di autoalimentare una generica trasmissione attraverso una dinamo, o altri dispositivi in grado di generare energia durante il moto della bicicletta, è stata già divulgata, si cita ad esempio: EP2535257A1, US5470277A e lo stesso US2017/03433105A1 che propone una dinamo per autoalimentare il cambio. Tuttavia il presente elaborato oltre a descrive un sistema di cambio CVT configurato per inseguire il rapporto ottimo, intende descrivere tutti i sistemi elettronici e i metodi di controllo annessi per autoalimentare in modo efficiente un cambio ad attuazione continua come il CVT.

Descrizione introduttiva

Il trovato proposto consiste in un sistema di cambio automatico per biciclette a propulsione esclusivamente umana costituito da un cambio a rapporti continui, quindi un CVT, in combinazione con almeno dei sensori per la misurazione della coppia (e quindi della forza), della cadenza di pedalata, e della velocità ruota. Questi sensori, poi, andranno a fornire il “feedback” dello sforzo attuale del ciclista ad un dispositivo elettronico di controllo, il quale automatizzerà il CVT, tramite un attuatore motorizzato, al fine di inseguire costantemente quel rapporto di trasmissione definito ottimo. Detto rapporto ottimo è tale da garantire sempre che tra la cadenza di pedalata risultante ωP, e la forza erogata al pedale FP, valga sempre una relazione del tipo f(ωP,Fp) = 0, dove la funzione f è tale da individuare tutte le combinazioni di forza-cadenza, che al variare della potenza erogata (prodotto tra forza e cadenza), garantiscono sempre la migliore efficienza di pedalata, ovverosia il minore sforzo muscolare da parte del ciclista. Ragion per cui tale rapporto è definito ottimo.

Il trovato, inoltre, è fornito di un alternatore che si aziona durante il moto della bicicletta configurato per alimentare i sistemi elettrici, rendendo il trovato elettricamente autosufficiente.

Nel trovato proposto, poi, non mancano ulteriori sensori ambientali, con la specifica funzione di monitorare l’ambiente circostante, in modo da variare la scelta del rapporto ottimo anche in funzione delle condizioni esterne, quali temperatura e pressione atmosferica ed eventualmente la pendenza strada. Infine il dispositivo di controllo è configurato per alloggiare dispositivi di espansione al fine di aggiungere ulteriori funzionalità al dispositivo di controllo, come funzionalità di comunicazione wireless o USB per trasmettere o ricevere dati, da e verso altri dispositivi wireless o USB.

Breve descrizione delle figure

Fig. 1 – Schema a blocchi del sistema di cambio automatico composto da un cambio CVT integrato nel mozzo della ruota posteriore, un attuatore motorizzato dotato di sensore di posizione, un sensore di coppia e velocità montato nel movimento centrale, un alternatore integrato nel mozzo della ruota anteriore, un dispositivo elettronico di controllo dotato di batteria ed eventualmente un sensore di velocità della ruota.

Fig. 2 – Schema a blocchi del controllo del rapporto con la OWC in presa composto da un blocco funzionale per la determinazione del rapporto ottimo ed un altro blocco funzionale per il controllo a ciclo chiuso del rapporto attuale.

Fig. 3 – Schema a blocchi del controllo del rapporto con la OWC non in presa composto da un blocco funzionale per la determinazione della posizione desiderata dell’attuatore del cambio ed un altro blocco funzionale per il controllo a ciclo chiuso della posizione attuale dell’attuatore.

Fig. 4 – Forme d’onda generate dall’encoder incrementale e decodifica della posizione in funzione della sequenza dei fronti d’onda prodotti.

Fig. 5 – Schema del sensore di coppia e di velocità integrato nel movimento centrale e rappresentazione grafica della forma d’onda della tensione prodotta dal sensore di coppia, durante la pedalata.

Fig. 6e7 – Schema a blocchi del circuito di alimentazione.

Fig. 8 – Schema di principio del circuito di rifasamento a singola capacità e a capacità multiple.

Fig. 9 –Tipico profilo di carica di una batteria a litio.

Fig. 10 – Schema di principio del circuito di controllo della corrente di carica della batteria configurato per variare la corrente tramite un segnale di controllo modulato in PWM.

Fig.11 – Schema di principio del circuito di Load-Sharing configurato per fornire l’alimentazione ai dispositivi di ECU, tramite la batteria o l’alternatore (eventualmente il generatore esterno).

Fig.12 – Schema di principio del circuito di bypass configurato per fornire alimentazione al MCU attraverso i circuiti di regolazione, quando questi sono attivi, o direttamente dalla batteria, in caso contrario.

Fig.13 – Sistema di acquisizione di un segnale analogico per mezzo di ADC integrati nel MCU o esterni al MCU.

Fig.14 – Schema di principio di una sonda di corrente costituita da un trasduttore “correntetensione” di tipo resistivo attivo.

Fig.15 – Schema di principio del circuito di pilotaggio del motore elettrico costituito da un H-Bridge a transistori MOSFET.

Fig.16 e 17 – Diagramma dei collegamenti tra il MCU e i dispostivi di ECU.

Fig.18 – Schema a blocchi del firmware del MCU.

Fig.19 – Schema a blocchi dell’algoritmo del Main.

Fig. 20 e 21 – Rappresentazione grafica della mappa di efficienza e della curva ideale che rappresenta l’obiettivo del controllo del rapporto ottimo.

Fig. 22 – Rappresentazione grafica della variazione della curva ideale in funzione della forma atletica del ciclista.

Fig. 23 – Rappresentazione grafica del rapporto ottimo al variare delle condizioni operative quali velocità ruota e forza al pedale, ed individuazione grafica dei rapporti limite che determinano l’intervallo di rapporti ammissibili.

Fig. 24 – Schema a blocchi del controllo a ciclo chiuso sull’attuatore del cambio per l’inseguimento del rapporto desiderato che include un controllo P.I. (proporzionale integrale).

Fig. 25 – Schema a blocchi del controllo a ciclo chiuso sull’attuatore del cambio per l’inseguimento della posizione obiettivo che include un controllo P.I. (proporzionale integrale).

Fig. 26 – Circuito equivalente del sistema composto dall’alternatore e dal circuito di rifasamento. La figura include, inoltre, una tabella che indica lo stato di rifasamento in accordo con la capacità realizzata dal circuito di rifasamento.

Fig. 27 – Schema a blocchi dell’algoritmo di gestione della batteria.

Fig. 28 – Schema a blocchi dell’algoritmo di selezione della corrente di carica della batteria.

Descrizione dettagliata

In merito alla Fig.1, il trovato proposto è costituito da una bicicletta tradizionale dotata dei seguenti accessori (1a):

1. un cambio a variazione continua (CVT) integrato nel mozzo della ruota posteriore (5);

2. un attuatore di cambio marcia motorizzato e montato in corrispondenza del cambio CVT (7), composto da un motore elettrico a bassa potenza (8), un motoriduttore per la moltiplica della coppia del motore e un sensore (9) per la misura della posizione del rotismo (encoder);

3. un sensore di coppia e velocità della pedivella (4), integrato nel movimento centrale;

4. un alternatore a bassa potenza (2) integrato nel mozzo della ruota anteriore; 5. un dispositivo di controllo elettronico (6), c.d. ECU, integrato nel corpo bici dotato di microcontrollore capace di eseguire gli algoritmi e le logiche di controllo, e di sensori ambientali per monitorare l’ambiente circostante (temperatura, pressione, pendenza strada);

6. una batteria a bassa potenza (3) integrata nella ECU.

Definita detta configurazione (1a), come architettura “a” è possibile, inoltre, considerare una seconda variante c.d. architettura “b” (1b), la quale prevede l’aggiunta di un ulteriore dispositivo rispetto a quelli ora menzionati, ovverosia una ruota fonica magnetica/ottica con sensore ad effetto hall/ottico solidale al telaio (10), per la misurazione della velocità di rotazione della ruota.

Il “cervello” del sistema proposto è rappresentato dalla c.d. ECU (Electronic Control Unit), dotata di un micro-controllore (da qui in avanti MCU) capace di eseguire algoritmi e/o logiche di controllo. La ECU è poi connessa elettricamente a tutti i dispositivi elettrici/elettronici presenti nel trovato, ovverosia l’alternatore, la batteria, l’attuatore motorizzato, il sensore di coppia, i restanti sensori ed eventuali periferiche. La ECU è configurata per elaborare i segnali prodotti dai sensori a cui è collegata, e conseguentemente determinare la cadenza di pedalata e la forza applicata al pedale e la velocità ruota, utilizzando lo stesso alternatore come sensore di velocità nell’architettura a) (posto che questo produce una frequenza proporzionale alla rotazione della ruota) o utilizzando la ruota fonica nell’architettura b).

In merito alla Fig.2, la ECU determina il rapporto di marcia (Zd_opt) del cambio CVT in funzione della misura della forza impressa al pedale (FP) e della velocità della ruota (ωR).

In effetti la ECU, grazie a queste informazioni, può calcolare tramite un algoritmo c.d. logica rapporto ottimo (12), quel rapporto di trasmissione tale da assicurare sempre una cadenza di pedalata ωP, che insieme alla forza erogata FP, rispetti sempre una relazione del tipo f(ωP,Fp) = 0. Lì dove la funzione f individua quel “luogo dei punti” delle combinazioni forza-cadenza, che al variare della potenza erogata, garantisce sempre la migliore efficienza di pedalata, e quindi il minore sforzo muscolare da parte del ciclista. In aggiunta la funzione f è suscettibile di variazione in funzione delle condizioni esterne quali almeno la temperatura e la pressione ambiente. Dette informazioni sono acquisiste dalla ECU grazie a sensori ambientali integrati nel suddetto dispositivo. Il rapporto cosi calcolato è poi attuato tramite un controllo ad anello chiuso sull’attuatore motorizzato (7).

Tale controllo ad anello chiuso, c.d. controllo in Z (13), utilizza come feedback il rapporto di trasmissione attuale, calcolato come il rapporto tra la velocità della ruota e la velocità della pedivella (ωR/ωP). In effetti l’errore (<e>Z) tra il rapporto desiderato e attuale produce continuamente un effetto di correzione sull’attuatore motorizzato in modo che il rapporto attuale e desiderato coincidano.

Tutto ciò, se sussiste un trasferimento di coppia (e potenza) dal ciclista alla ruota posteriore, ovverosia il ciclista è in corso di pedalata.

In effetti è possibile considerare un secondo scenario, durante il quale il ciclista ha smesso di pedalare ma la bicicletta avanza per inerzia, posto che sussista un disaccoppiamento meccanico tra la ruota e la pedivella. In questo scenario non vi è quindi trasferimento di coppia, né tanto meno, è possibile calcolare il rapporto attuale come divisione tra ωR e ωP posto che ωP ha valore nullo. Tuttavia una volta che il ciclista riprenderà a pedalare, è necessario che il rapporto di marcia sia adeguato alla velocità di ripartenza. A tale scopo il sistema prevede un altro tipo di controllo attivo durante tale fase. Tale controllo è mostrato in Fig.3. In questa fase, la ECU non potendo determinare il rapporto di marcia, calcola in funzione della velocita, una posizione dell’attuatore c.d. obiettivo (postarget) e tramite una sezione di logica denominata “controllo in posizione” (15) esegue un controllo a ciclo chiuso sull’attuatore in modo che la posizione attuale (posactual), coincida con quella obiettivo. La posizione attuale del cambio è ricavata dalla ECU tramite encoder (9). La posizione obiettivo è calcolata dalla ECU (16) in modo che il rapporto di marcia, corrispondente a tale posizione, sia coerente con l’attuale velocità di avanzamento, ovverosia tale da garantire una cadenza di pedalata, in fase di ripartenza, intorno ad un certo valore di riferimento.

L’alternatore (2) inserito nella ruota anteriore fornisce, durante la marcia, l’energia necessaria ad alimentare i dispositivi elettronici della ECU, l’attuatore motorizzato, salvo poi poter essere eventualmente utilizzato come sensore per la misura della velocità della ruota. Inoltre l’alternatore in parola provvede altresì a ricaricare la batteria della ECU, che, solo nelle fasi di sosta, fornisce l’alimentazione al sistema.

Da qui in avanti si illustreranno tutti i componenti del sistema per poi descrivere in dettaglio le logiche e i metodi di controllo del sistema.

Il cambio utilizzato nel trovato, come già anticipato, è di tipo CVT, in quanto consistente in una trasmissione meccanica in grado di attuare un rapporto di velocità qualunque, all’interno di un valore minimo e massimo di rapporti attuabili. Infatti, a differenza di un cambio discreto, che permette solo l’attuazione di un numero finito di rapporti, il CVT varia il rapporto di trasmissione senza soluzione di continuità tra due valori limite.

Più specificamente, il cambio che si intende utilizzare è un dispositivo meccanico integrato nel mozzo della ruota posteriore della bicicletta, provvisto di un normale pignone e della c.d. “ruota libera” o “one way clutch” (OWC), ovverosia quel dispositivo che permette alla bicicletta di continuare ad avanzare quando il ciclista smette di pedalare, disaccoppiando il movimento tra pignone e la ruota posteriore. Quindi, il meccanismo del CVT è interposto tra la OWC, che ne rappresenta il suo albero di ingresso, e la campana esterna del mozzo solidale alla ruota, che rappresenta l’albero di uscita. Conseguentemente, il rapporto variabile è ottenuto tra la rotazione del pignone, quando questo è in presa (per via della OWC) e la rotazione della ruota e del suo mozzo. Il moto è successivamente trasmesso dalla pedivella al pignone tramite una trasmissione meccanica a catena o a cinghia, come avviene in una normale bicicletta a rapporto fisso. In particolare, il rapporto di trasmissione totale (che verrà indicato con Z) è da intendere quale rapporto tra velocità di rotazione della ruota posteriore (ωR) e la cadenza di pedalata (ωP). Risulta quindi che Z è esprimibile come ωR/ωP. Si definisce invece Zf (rapporto fisso) come il rapporto tra la velocità di rotazione del pignone (ωS) e la velocità della pedivella (quindi ωS/ωP), e Zv come il rapporto del CVT tra la velocità della ruota e il pignone (ωR/ωS). Il rapporto Z è quindi il risultato del prodotto tra Zf e Zv. Essendo poi Zv variabile in modo continuo in un intervallo compreso tra Zvmin e Zvmax, risulta quindi che l’intervallo di rapporti Z attuabili saranno compresi tra Zmin = Zf · Zvmin e Zmax = Zf · Zvmax. Ciò posto, il cambio CVT permette di inseguire sempre il rapporto ottimo, purché esso (al variare delle condizioni operative: velocità, forza, cadenza, etc.) sia sempre contenuto nell’intervallo individuato dai rapporti limiti Zmin e Zmax, altrimenti i limiti fisici del sistema non permetterebbero l’attuazione del rapporto. Nel seguito verrà descritto in dettaglio l’algoritmo di elaborazione del rapporto ottimo e conseguentemente verrà illustrata la variazione di tale rapporto in funzione delle fasi guida, in modo da determinare i valori limite di Zmin e Zmax che il sistema fisico deve garantire.

Occorre infine precisare che il CVT deve avere un sistema di leveraggio o rotismo capace di variarne il rapporto: l‘attuatore motorizzato agirà su tale meccanismo per effettuare la variazione del rapporto di trasmissione.

L’attuatore è un componente di tipo motorizzato, poiché questo è dotato di un motore elettrico DC (8) a bassa tensione e bassa potenza, pilotato dalla ECU, di modo che quest’ultima possa variare il rapporto del CVT. Il motore elettrico utilizzato deve lavorare ad una tensione tra i 2.4 e 5 volt ed assorbire in condizioni nominali una potenza elettrica di pochi watt (minore di 3W), per potere essere alimentato dall’alternatore. L’attuatore è dotato, inoltre, di un motoriduttore collegato al motore elettrico, in modo da aumentarne la coppia disponibile all’albero finale. Il rapporto di riduzione del motoriduttore sarà tale da raggiungere la coppia necessaria alla movimentazione del meccanismo di cambio marcia del CVT. Del resto non si intende specificare in dettaglio il tipo di ruotismo da utilizzare ritenendo qualunque soluzione equivalente, purché sia soddisfatto il vincolo di coppia descritto in precedenza.

Si prevede inoltre, in aggiunta al motoriduttore, un encoder rotativo incrementale (9) per la misura della posizione (e della velocità) del ruotismo del motoriduttore. L’encoder incrementale, cosi come mostrato in Fig.4, deve fornire due forme d’onda squadrate e sfasate tra loro di 90 gradi (23), definite come canale A (22a) e canale B (22b): in questo modo, la ECU (in particolare il MCU), grazie alla lettura di uno solo dei due canali predetti può calcolare l’informazione relativa alla velocità di rotazione (misura della frequenza degli impulsi), mentre con la lettura di entrambi i segnali è in grado di rilevare il senso di rotazione in base alla sequenza degli stati prodotti dai due segnali, ed infine la posizione relativa, contando gli impulsi prodotti. Anche con riferimento all’encoder in parola non si specificherà, nel corso della trattazione, il ruotismo interposto fra il motore e l’encoder o la tecnologia usata per l’encoder stesso (ottico, effetto hall, magnetico etc.), in quanto si ritengono equivalenti tutte le possibili soluzioni, purché l’encoder sia capace di riprodurre le forme d’onda descritte precedentemente.

Altro componente chiave del sistema è il sensore di coppia (4), ovvero quel sensore che misura la coppia che attraversa la pedivella in corso di pedalata. Esso, come anticipato, è integrato nel movimento centrale della bicicletta, che, a sua volta, è composto da uno statore solidale al telaio della bici e da un albero di pedivella (o perno centrale), che costituisce il rotore ed è quindi libero di ruotare all’interno dello statore. Il sensore determina la coppia misurandola torsione di un elemento deformabile solidale con il rotore qualora sia applicata una forza al pedale. Sono previste due possibili varianti entrambe mostrate in Fig. 5. La prima (27a) utilizza come elemento deformabile lo stesso perno centrale (28a), sul quale vengono montati gli estensimetri (29a) atti alla misurazione della torsione (30a) (o la coppia) che lo attraversa, proporzionale alla forza (31a) applicata al pedale (32). La seconda variante (27b), invece, prevede un manicotto torsionale (36) tra il perno centrale (28b) e la guarnitura (33): gli estensimetri (29b) sono montati su tale manicotto e misurano la coppia che attraversa la guarnitura (30b) e quindi la forza (31b) esercitata sul pedale (32). Infine, posto che il rotore (perno centrale) si trova in rotazione, i segnali degli estensimetri vengono trasferiti allo statore (34) tramite un trasformatore rotativo (35). Il che significa che lo statore è dotato di una sua elettronica interna (37) che elabora i segnali dagli estensimetri e fornisce una tensione proporzionale alla coppia di torsione.

Ora, quando la pedivella è parallela al suolo, cioè quando la stessa forma un angolo di circa 90° (o 270°) rispetto alla verticale, il ciclista, che è in corso di pedalata, scarica la massima forza sul pedale; di contro, invece, quando la pedivella è perpendicolare al suolo (in tal caso, l’angolo con la verticale è di 180° o 360°), il ciclista non imprime forza al pedale e conseguentemente la coppia di torsione risulta nulla. Da quanto appena affermato è possibile ricavare che, durante la pedalata, la coppia ha un andamento sinusoidale rispetto all’angolo di pedivella con il picco di coppia a 90° (o 270°) rispetto alla verticale. Da ciò consegue che il sensore fornirà una tensione analogica con lo stesso andamento riportato nella Fig.5 (25) e con un valore massimo proporzionale alla forza attuata. Tale segnale analogico dovrà essere poi analizzato dal MCU al fine di determinare il giusto valore di forza al pedale applicato dal ciclista.

Il sensore di velocità della pedivella (o cadenza di pedalata) è poi integrato nello stesso dispositivo (si faccia riferimento alla Fig.5), cioè il movimento centrale, e risulta composto da una ruota fonica magnetica/ottica (38) montata sul perno centrale e da un sensore ad effetto hall/ottico (39) fissato sullo statore, il quale fornirà un segnale digitale periodico con frequenza proporzionale alla velocità di rotazione della pedivella. Il MCU può quindi determinare la velocità di pedivella tramite la misura della frequenza del segnale.

L’alternatore (2), invece, è integrato nel mozzo della ruota anteriore, come gli alternatori mozzo già presenti sul mercato ed è quindi composto da un unico avvolgimento statorico avvolto intorno a più estensioni polari montate sul perno centrale della ruota e quindi fisse al telaio. Il rotore di alternatore è costituito da elementi magnetici permanenti fissati sul mozzo della ruota i quali generano un campo magnetico variabile durante la rotazione della ruota. Esso, dunque, produce una tensione e una corrente sinusoidale (o in generale alternata) con frequenza ed intensità proporzionali alla velocità di rotazione e alla velocità di avanzamento della bicicletta.

L’alternatore deve fornire durante il moto della bicicletta l’energia per alimentare la ECU, il motore elettrico dell’attuatore e, nel contempo, l’energia necessaria a ricaricare la batteria. Ciò comporta che la potenza dell’alternatore deve essere sufficiente ad alimentare il sistema, ma non eccessiva al punto da rendere non più trascurabile la quantità di potenza sottratta al ciclista durante la marcia. Quindi tale componente deve avere una potenza nominale di pochi watt, dunque compresa tra i 3 e i 6 W. Con la precisazione che i componenti elettronici della ECU devono assorbire nel complesso una potenza non superiore a quella nominale erogabile dall’alternatore.

La batteria, invece, è integrata nella ECU, alla quale fornisce energia solo quando la bicicletta è ferma. Questo perché durante la marcia l’alternatore ricarica la batteria e, nel contempo, alimenta i sistemi elettronici della ECU. Si tratta quindi di una batteria tampone utilizzata solo in fase di sosta. Per questo, si tratta di una batteria ricaricabile a bassa potenza al litio, tipo litio-ioni, litio polimeri, o tecnologia equivalente, a singola cella, quindi di voltaggio compreso tra i 3.8 e i 4.2 volt. La circostanza che si tratti di una batteria tampone fa sì che non sia necessario che la sua capacità sia molto elevata: si utilizzerà una batteria di capacità non superiore ai 1000mAh.

La ECU (6) è il dispositivo elettronico di controllo capace di eseguire tutte le operazioni necessarie per il funzionamento del sistema. Essa comprende i seguenti sistemi, che verranno più dettagliatamente descritti nel proseguo della trattazione:

● I circuiti di alimentazione

● Il circuito per il pilotaggio del motore del cambio;

● Sensori ambientali per la misura di temperatura, pressione, e pendenza;

● Il micro-controllore (o MCU) per l’esecuzione di tutte le logiche necessarie al corretto funzionamento del sistema;

● Eventuali periferiche ausiliarie del MCU per connettività wireless, e/o USB, e archiviazione dati.

I circuiti di alimentazione comprendono tutti quei dispositivi elettronici necessari per la fornitura e la distribuzione delle alimentazioni al MCU e ai suoi sensori (o periferiche), nonché i circuiti necessari a garantire una corretta ricarica della batteria tramite l’energia fornita dall’alternatore o eventualmente tramite un alimentatore esterno. Il MCU è altresì in grado di “dialogare” con i dispositivi appena menzionati in modo da eseguire quelle logiche di controllo e/o gestione previste per il corretto funzionamento del sistema. Lo schema di principio del circuito in parola è mostrato nelle Fig.6 e 7. Come si evince dalle figure, il circuito di alimentazione (40) si divide in due macro sezioni: il circuito alternatore (41) e il circuito batteria (42).

Con riferimento al circuito alternatore, è da premettere che l’alternatore (2) fornisce, come prima anticipato, una tensione alternata con frequenza e intensità variabili in funzione della velocità di avanzamento. Dunque, prima che questo possa essere utilizzato per alimentare la ECU e ricaricare la batteria, è necessario convertire la sua corrente in continua, stabilizzandone la tensione. Ed è proprio a tale scopo che si è strutturato il circuito di alternatore in un circuito di rifasamento (43), in un raddrizzatore (44) e in un regolatore di tensione (convertitore DC-DC) (45). In particolare, il circuito di rifasamento annulla la componente reattiva (prettamente induttiva) dell’alternatore, al fine di ridurre la potenza reattiva inutilizzabile. Lo schema di principio del circuito di rifasamento è mostrato in figura Fig.8. È dunque composto da una capacità (63) o più capacità (64) poste in serie tra l'alternatore (2) ed il circuito a valle (66). Tuttavia, posto che la frequenza dell’alternatore è variabile a seconda della velocità, il circuito di rifasamento deve disporre di una capacità variabile. A tal fine, le soluzioni proposte sono di due tipi, entrambe mostrate in Fig.8. La prima soluzione (62a) è quella consistente nell’impiego di una capacità fissa (63), in base alla quale il rifasamento avverrebbe in un limitato intervallo di velocità: in questo caso, si utilizzerebbe una singola capacità di rifasamento il cui valore risulta adeguato solo alle basse frequenze e dunque alle basse velocità (inferiori ai 10 km/h), poiché questo è il caso più critico, posto che la potenza complessiva erogata dall’alternatore risulterebbe minima. La seconda soluzione (62b), invece, prevede l’utilizzo di capacità multiple commutate da mini-relè (65) controllati dal MCU (61), in modo da ottenere un rifasamento per un largo intervallo di velocità: in questo modo verrebbe generata una capacità equivalente adeguata alla frequenza dell’alternatore. Ciò in via di premessa, poiché la logica di controllo di MCU per il circuito di rifasamento variabile verrà descritta in dettaglio nel proseguo della trattazione.

Il raddrizzatore (44), invece, è di tipo a doppia semionda composta da un ponte a diodi e una capacità di livellamento. In particolare, si utilizza un ponte a diodi schottky per ridurre la caduta di tensione ai capi dei diodi e ridurre, quindi, la dissipazione di potenza del ponte. In alternativa è possibile utilizzare, come raddrizzatore, un ponte a MOSFET, costituito da P-Mosfet ed N-Mosfet pilotati da un’opportuna logica di controllo integrata nel ponte stesso. Tale soluzione permette di ridurre drasticamente la caduta di tensione del ponte e quindi la potenza dissipata. Infine, il regolatore di tensione (45) è composto da un convertitore switchting DC-DC step-up/step-down che converte la tensione in uscita dal raddrizzatore, variabile in funzione della velocità, in una tensione di uscita constante, indicata come VAltRef, e pari a circa 5V. L’uso di un convertitore DC-DC garantisce un’alta efficienza di conversione (> 80%). È previsto anche l'inserimento di sonde di tensione (46) e corrente (47) collegate al MCU prima del convertitore DC-DC per monitorare lo stato dell'alternatore.

Con riferimento, invece, al prima menzionato circuito batteria (42), si deve preliminarmente notare che esso comprende i circuiti necessari per la ricarica della batteria e la distribuzione dell’alimentazione al resto dei sistemi. Il circuito comprende inoltre un collegamento (48) ad un dispositivo esterno di alimentazione (5V, 1A max.) per ricaricare la batteria in sostituzione dell’alternatore, nel caso in cui la batteria (“una tantum”) si scarichi completamente e non sia possibile eseguire una ricarica tramite l’alternatore. Si prevede, inoltre, anche un segnale (57) di “feedback” (AC Adp.) verso il MCU per informarlo che il circuito di batteria è collegato all’alimentatore esterno. Quindi l’ingresso del circuito di batteria è la tensione di uscita del circuito di alternatore cioè VAltRef o in alternativa la tensione del generatore esterno VExt. Si noti dalla figura che sono utilizzati due diodi schottky per determinare quale sarà l’ingresso al circuito batteria.

Più nello specifico, il circuito di batteria si compone delle diverse sezioni, vale a dire: un circuito di carica (49), con circuito di Load-Sharing, un circuito di controllo corrente di carica (54), diversi regolatori di tensione (50 - convertitori DC-DC) e un circuito di By-Pass (59).

Il circuito di carica (49) è utilizzato per ricaricare la batteria tampone (3) descritta precedentemente. Detto circuito è alimentato dalla linea della VAltRef (o della VExt) Dato che si tratta di una batteria a litio a singola cella, il circuito in parola deve ricaricare la batteria seguendo un preciso profilo di carica per non danneggiare la batteria. Tale profilo, mostrato in Fig.9, è composto da tre fasi distinte, la prima è detta “trickle charge” e si utilizza per ripristinare la carica su batterie molto scariche: fino a quando la tensione della cella si mantiene al di sotto dei 2.8V la cella è caricata con una corrente costante di valore massimo pari a 0.1C (la corrente di carica è in genere espressa come frazione della capacità amperometrica della batteria, indicata usualmente con C[mAh]). Una volta chela tensione della batteria raggiunge la tensione di 2.8V, inizia la seconda fase, detta “fast or bulk charge”, in cui la batteria viene caricata a corrente costante con un valore massimo di 1C, mentre la tensione ai suoi capi aumenta col procedere della carica. Questa fase finisce quando la tensione della cella raggiunge un valore predefinito di tensione, tipicamente di 4,2V. L’ultima fase, detta “costant voltage charge” è caratterizzata dal fatto che la carica avviene a tensione costante: la tensione della cella viene fissata dal circuito di carica alla tensione di 4,2V mentre la corrente è definita dalla stessa batteria. Man mano che la batteria si carica la corrente diminuisce finché non scende al di sotto di una certa soglia e la carica può considerarsi terminata.

Del resto, non si intende specificare in dettaglio il circuito di carica, in quanto è possibile trovare in commercio circuiti integrati (o semplicemente IC) che contengono tutta la circuiteria necessaria per ricaricare correttamente una batteria a litio a singola cella secondo il profilo illustrato precedentemente, soprattutto per batteria a bassa potenza, come quella utilizzata: si può citare, ad esempio, l’IC TP4056 utilizzato largamente per tale uso. Con la conseguenza che come circuito di carica si utilizzerà uno di tali IC, ritenendo, appunto, qualunque scelta equivalente, purché siano rispettati alcuni requisiti descritti di seguito. Lo schema dell’IC di carica è mostrato in Fig.10. In primo luogo, è necessario che il circuito utilizzato (77) preveda due uscite digitali, una per informare l’MCU dello stato di carica (cioè per segnalare al MCU che la batteria sia in carica), CHRG (56), e l’altra per informare il MCU che la batteria sia invece completamente carica, END (55). In sintesi, la relazione tra lo stato della batteria associato ai possibili stati logici di CHRG e END è mostrate nelle tabelle 77a e 77b, considerando sia una logica c.d. diretta (77a) che negata (77b). In secondo luogo, durante la fase di fast charge, posto che la corrente è costante, il MCU deve poter selezionare la corrente di ricarica più appropriata: a tale scopo, il circuito di carica deve prevedere un ingresso c.d. di “programmazione” (70) sul quale agire per regolare la corrente di carica della batteria tramite una resistenza c.d. di programmazione.

Su tale pin è poi possibile agganciare il summenzionato circuito di controllo della corrente di carica, il quale agirà in sostituzione della resistenza di programmazione prevista dall’IC, comportandosi quindi da resistenza variabile. Tale circuito deve garantire la selezione della corrente di carica da 0.1C a 1C (o al massimo valore applicabile dall’IC), tramite un segnale di controllo (53) in PWM (Pulse with Modulation), che può quindi essere generato dal MCU. Lo schema di principio del circuito è mostrato sempre in Fig.10: posto che l’obiettivo del circuito è, appunto, quello emulare il comportamento di una resistenza variabile e quindi di variare la corrente Iprog (71) che scorre nel pin di programmazione (70), si utilizza l’N-Mosfet M1 (73) pilotato in PWM e la capacità C (74), che, in combinazione con le resistenze Rmax (75) ed Rmin (76), formano un filtro passa basso R-C, necessario per filtrare la corrente che scorre nel transistore. Il risultato è una corrente continua e proporzionale al duty-cycle del segnale di controllo in PWM. Più nel dettaglio, la corrente varia tra un valore minimo Iprog_min pari a Vprog/Rmax nel caso limite di duty-cycle pari a 0%, ovvero Mosfet sempre interdetto, ed un valore massimo Iprog_max pari a circa Vprog/ (Rmin || Rmax) nel caso limite opposto di duty cycle pari al 100% o Mosfet sempre attivo. In altri termini, il circuito emula una resistenza di valore variabile (72) tra Rmax e Rmax ||Rmin in funzione del duty-cycle del segnale di controllo. I valori di Rmax, Rmin sono scelti in modo da assicurare un intervallo di correnti di carica da 0.1C, ad un massimo di 1C. Inoltre, è necessario imporre al MCU una frequenza di PWM molto maggiore della frequenza di taglio del filtro R-C per ridurre al minimo il c.d. “ripple” sulla corrente di programmazione dovuto alla modulazione in PWM.

Il circuito di Load-Sharing (o LS), invece, permette di ricaricare la batteria e allo stesso tempo fornire alimentazione al resto del circuito, disaccoppiando la batteria dalla ECU qualora sia attiva l’alimentazione fornita dall’alternatore (VAltRef) o dal generatore esterno (VExt). Lo schema di principio è riportato nella Fig. 11.

In particolare, la figura mostra che in assenza di alimentazione (79), la batteria (3) alimenta il circuito a valle (78) tramite il P-Mosfet M1 (81) che si trova in stato attivo grazie alla resistenza R1 (84). In presenza di alimentazione, invece, il P-Mosfet M1 si disattiva isolando la batteria (3) dal resto del circuito, mentre il circuito a valle continua ad essere alimentato tramite il diodo schottky D1 (83). Infine, il condensatore C1 (82) filtra le fluttuazioni di tensione. Il circuito di Load-Sharing (80) quindi condivide (da cui Load-Sharing) il carico a valle tra la batteria (3) piuttosto che l’alternatore (o il generatore esterno) se questo sta erogando energia. Di conseguenza la tensione in uscita dal circuito di LS (86) (indicata con <V>out) sarà pari alla tensione di batteria (85) (indicata con <V>bat) nel caso di alternatore inattivo e/o generatore esterno assente, mentre corrisponderà a circa il valore della tensione di alternatore, o del generatore, (79) (VAltRef o VExt), nel caso opposto.

I circuiti di regolazione (50) sono a valle del circuito di Load-Sharing (49) e operano adattando la tensione in uscita da quest’ultimo (Vout), alle varie parti del sistema. Tra i circuiti di regolazione ed il circuito di Load-Sharing si considerano due possibili varianti: la prima consiste nel filtrare l’alimentazione del Load-Sharing prima dei circuiti di regolazione utilizzando un filtro (60) antidisturbo (o filtro EMI) costituito a sua volta da un filtro passa basso passivo L-C, per eliminare possibili disturbi indotti dall’alternatore e/o dal motore (Fig.6). La seconda variante, invece, esclude l’utilizzo di un filtro antidisturbo, prevedendo per converso un collegamento diretto del circuito di Load-Sharing ai circuiti di regolazione (Fig.7). I circuiti di regolazione sono costituiti da convertitori DC-DC (step-up o step-down) ad alta efficienza, per adattare la tensione in uscita del Load-Sharing (Vbat o VAltRef/VExt) ai sistemi che andranno ad alimentare e a garantire loro la corretta tensione di alimentazione. In particolare, le alimentazioni fornite sono le seguenti (58):

1) Vmot compresa tra i 2.7 e i 5V, per il circuito di pilotaggio del motore elettrico dell’attuatore cambio

2) Vcore per l’alimentazione dell’MCU, compresa tra i 2.7 e 3.3V (o 3.7-4.2, in bypass)

3) Vcc per i sensori e le periferiche dell’MCU, compresa tra i 2.7 e i 3.3 Volt 4) Vaux per eventuali dispositivi ausiliari collegabili alla ECU (5 Volt).

È da precisare che lo stesso DC-DC che genera la Vcc fornisce anche la Vcore, cioè l’alimentazione del MCU, per un totale di tre convertitori DC-DC. Tuttavia la Vcore può essere fornita direttamente dalla batteria grazie al circuito di by-pass (59), qualora i DC-DC non siano attivi. In effetti, i DC-DC possono essere disattivati dal MCU durante particolari fasi di funzionamento del sistema: a tale scopo, questi devono essere dotati di un “pin” c.d. di “Enable” (57) sul quale il MCU può agire per disattivarli, in modo tale da interrompere l’alimentazione ai dispositivi a valle. Tuttavia, l’alimentazione della MCU, cioè la Vcore, deve essere sempre garantita, cosa che avviene grazie al circuito di by-pass (59) che provvede di fatto a collegare il MCU in “presa diretta” con la batteria, “by-passando” interamente i circuiti di alimentazione. La Fig. 12 mostra lo schema di funzionamento del circuito di by-pass (59): come si evince dalla figura, posto il segnale di “Enable” (57) a valore logico alto, il P-Mosfet <M>1 (87) risulta interdetto, mentre i regolatori DC-DC (50) (Vcc, Vmot e Vaux) sono attivi. Quindi la Vcore (95) può essere fornita dalla linea della Vcc tramite il diodo D1 (92). Se invece il segnale “Enable” è a valore logico basso, tutti i DC-DC (56) risultano disabilitati, quindi la linea della Vcc della Vmot e della Vaux (58) sono spente, mentre il P-Mosfet M1 è in stato attivo alimentando la linea della Vcore (58b) direttamente dalla batteria (3). La resistenza R1 (88), c.d. resistenza di pull-down, stabilizza il segnale di Enable a valore logico basso, nel caso in cui il pin di MCU sia in stato di alta impedenza (c.d. stato “flottante”); tuttavia R1 è così grande che il MCU è in grado di “sovrascrivere” il valore logico imposto dalla resistenza. Infine la capacità C1 (89) filtra le fluttuazioni di tensione. Tale sistema è necessario per la funzione software “ECO-Mode”, al fine di limitare al minimo l’assorbimento di corrente dalla batteria durante le soste prolungate.

Infine, sono previste, per il circuito di batteria (Fig. 6 e 7), sonde di tensione (51) e corrente (52) per la misurazione della corrente e della tensione della batteria. Quindi considerando anche il circuito di alternatore, il MCU è in grado di misurare la tensione (51) e la corrente (52) della batteria e la tensione (46) e la corrente di alternatore (47), prima del regolatore DC-DC. La tensione (meglio definita come differenza di potenziale, c.d. d.d.p.) di un nodo elettrico è acquisita e misurata dal MCU usando i c.d. convertitori analogici digitali, o semplicemente ADC, che fungono quindi da sonde di tensione. Tali ADC possono essere integrati nel MCU, il quale sarà quindi dotato di ingressi c.d. analogici ai quali può essere applicata la d.d.p. oggetto di misura tramite un eventuale circuito passivo di condizionamento (R-C) per evitare danneggiamenti del MCU. In alternativa gli ADC possono essere dispositivi esterni al MCU: in questo caso è quindi necessario che entrambi i dispositivi, MCU e ADC, siano dotati di un “bus” di scambio dati comune (I2C, SPI, RS232 ecc.…), tramite cui l’ADC possa comunicare al MCU la misura della d.d.p. in questione. La Fig.13 mostra lo schema di una sonda di tensione (51b) per la misura del segnale “V” (92) composta dal MCU (250) ed un ADC esterno (91b) alimentato dalla linea della Vcc (58a), con il relativo bus di comunicazione (94). La stessa figura mostra anche lo schema di una sonda di tensione (51a) con ADC interno (91a) al MCU dotato di canale di ingresso analogico (93).

Le sonde di corrente, invece necessarie per la misura di corrente da parte del MCU, sono costituite da trasduttori capaci di convertire la corrente oggetto di misura in una d.d.p. ad essa proporzionale: tale d.d.p. potrà quindi essere misurata dal MCU grazie agli ADC. Come mostrato in Fig.14, il trasduttore che si intende utilizzare è di tipo resistivo attivo, cioè composto da una resistenza c.d. di "shunt" (95) - indicata con Rs - posta in serie al circuito (99) in modo da generare una d.d.p. (98a) proporzionale alla corrente (96) che l'attraversa, e da un amplificare operazionale (A.0.) (97) che amplifichi l'intensità della d.d.p. ad un valore (98b) facilmente misurabile dall' ADC (91). Anche in questo caso l’ADC potrà essere integrato nel MCU, oppure consistere in un dispositivo esterno. Ciò posto, la corrente che scorre in ramo del circuito può circolare in una direzione o nella direzione opposta, come, ad esempio, accade per la corrente di batteria, la quale può infatti circolare dal circuito di alimentazione verso la batteria quando questa è in fase di carica, oppure dalla batteria al circuito, durante una fase di scarica. In questo caso la sonda di corrente produrrebbe una d.d.p. rispetto al riferimento (massa) positiva o negativa in funzione del verso della corrente. Quindi l’ADC utilizzato (sia esso interno od esterno) deve essere di tipo “differenziale”, cioè deve tenere conto del segno della d.d.p. rispetto al riferimento, e di conseguenza anche la misura fornita avere segno positivo o negativo in funzione di questa.

Il circuito motore, invece è composto da un “H-Bridge” (100) a MOSFET pilotabile in PWM. Lo schema circuitale è mostrato in Fig.15. Si utilizzano transistori di tipo MOSFET (101) per ridurre le dissipazioni elettriche e lavorare a frequenza di PWM più elevata rispetto al caso di transistori BJT. Attraverso l’H-Bridge, il MCU, e quindi la ECU, è in grado di controllare la velocità e la direzione (oraria o anti-oraria) nonché di frenare il motore, pilotando il circuito con opportuni segnali modulati in PWM (100t). A tale scopo sono previsti nel circuito motore due “pin” di ingresso, IN A e IN B (102), ai quali è possibile interfacciare il MCU. In aggiunta, l’H-Bridge è munito di due capacità in uscita (103) che filtrano ulteriormente - oltre al motore stesso – il c.d. ripple dovuto al controllo in PWM rendendo il moto del motore più fluido e migliorando quindi il controllo in velocità. In effetti tali capacità, in combinazione con l’induttanza del motore elettrico, formano un filtro passa basso LC, in grado di filtrare la modulazione in PWM, posto che la frequenza di PWM generata dal MCU sia molto maggiore della frequenza di taglio del suddetto filtro

È previsto infine, una sonda di corrente (104) (come quelle descritte in

precedenza) tra l’alimentazione del circuito, la linea della <V>mot (58c), e l’H-Bridge, col fine di inviare un feedback al MCU della corrente assorbita dal motore.

I sensori ambientali sono integrati nella ECU e sono utilizzati per la determinazione della pendenza strada, dell’altitudine, o della pressione ambiente, e della temperatura ambiente. Tali misure saranno poi utilizzate dagli algoritmi del MCU, come verrà spiegato nel proseguo della trattazione. Al fine di ottenere le misure elencate prima, si utilizzano sensori di:

- Accelerazione

- Velocità angolare

- Campo magnetico terrestre

- Pressione atmosferica e temperatura ambiente.

I sensori in parola sono basati su tecnologia “MEMS” e sono provvisti di un processore dedicato per preelaborazione dati. In particolare, i sensori operano inviando le misure già elaborate al MCU tramite un “bus" di scambio dati (quale I2C, SPI, RS232, ecc.…).

Il microcontrollore (MCU), più volte citato quale componente di ECU, capace di eseguire algoritmi più o meno complessi, è dotato di tutti i “pin di I/O” (input e output) necessari per interfacciarsi con i dispositivi elettronici presenti nella ECU descritti in precedenza (sensori ambientali, sonde, ruote foniche, encoder, H-Bridge, ecc.). In particolare, il MCU deve essere dotato dei seguenti pin di input/output:

- Ingressi digitali

- Ingressi Analogici (se non sono presenti ADC esterni)

- Ingressi in frequenza

- Ingressi digitali con Hardware Interrupts

- Uscite digitali

- Uscite in PWM.

Deve inoltre possedere uno o più “BUS” di scambio dati di tipo:

- I2C e/o SPI e/o RS232 (La scelta della tipologia di BUS è indifferente, purché sia comune con il dispositivo (periferica) con cui il MCU dovrà interfacciarsi). Il MCU deve altresì essere dotato di diversi registri speciali, definiti in gergo Timers.

È bene precisare quanto si è appena sintetizzato. Per ingresso digitale si intende un pin di input attraverso il quale il MCU è in grado di leggere il c.d. stato logico ("0" logico o "1" logico) del segnale elettrico applicato a tale pin.

L’ingresso analogico è, di contro, un pin di input al quale è possibile applicare un segnale elettrico analogico: conseguentemente, il MCU, tramite i suoi convertitori analogico digitale (ADC) interni, è in grado di acquisire il segnale analogico per poi convertirlo in un valore numerico proporzionale al valore di tensione.

Sono invece uscite digitali quei pin di uscita sui quali il MCU è in grado di “imporre” due distinti valori di tensione, cioè0 volto, in alternativa, la tensione di alimentazione (Vcore), corrispettivi dello stato logico ("0" logico o "1" logico) che si vuole attuare su tali pin.

Gli Hardware Interrupts sono, poi, un evento di interruzione del codice attualmente in esecuzione nel MCU al fine di mettere in esecuzione repentinamente (cioè con pochi cicli macchina) una routine specifica, definita interrupt service routine o semplicemente ISR. L'evento di interruzione è prodotto da una variazione dello stato logico del segnale applicato a quei pin digitali sui quali è attiva l'Hardware interrupts. Terminata la ISR, il codice principale riprende dal punto da dove è stato interrotto.

I Timers, invece, necessari per l'implementazione degli ingressi in frequenza e delle uscite in PWM (con la precisazione che ogni ingresso e uscita di tale tipo deve utilizzare un proprio Timer), sono contatori interni del MCU. Essi possono essere incrementati o decrementati direttamente dal clock interno del MCU (o tramite divisore di frequenza del clock, definito prescaler) in modo indipendente dalla normale esecuzione di codice.

Specificamente, gli ingressi in frequenza in parola sono ingressi digitali sui quali sono attive particolari Hardware Interrupts, definite “Input Capture Interrupts” o ICI, che si appoggiano ai già citati Timer. La variazione di stato sul pin dov’è abilitato l’ICI genera l’evento di interruzione del codice (come l’hardware interrupt) e l'esecuzione di una ISR che è in grado di “catturare” il conteggio del Timer in quell’istante. La ICI permette, quindi, di eseguire la misura del “periodo” del segnale (conteggio del Timer per il periodo di clock), e quindi della sua frequenza, in modo sufficientemente accurato, se la frequenza di clock del MCU (ordine delle decine di Megahertz) risulta di molto maggiore rispetto alla frequenza del segnale. Inoltre, dato che si tratta di un interrupt, la misura in questione non pregiudica la normale esecuzione del codice principale.

Le uscite di tipo PWM (Pulse With Modulation) sono, invece, uscite digitali pilotate in modo da generare forme d’onda periodiche a frequenza fissa e a “duty cycle” (rapporto tra semiperiodo con stato logico “1” e semiperiodo con stato logico “0”) variabile. Per generare segnali con una precisa variazione temporale, senza impegnare la normale esecuzione di codice, anche in questo caso si utilizzano particolari eventi di interrupts basati sui prima analizzati Timer e definiti “Output Compare Interrupt” (o OCI): in questo caso l’interrupt è generato dal Timer stesso, qualora esso superi un certo valore di conteggio. A questo punto, la routine promossa dall’interrupt interverrà modificando lo stato logico del pin di output al fine di generare la forma d’onda desiderata.

I collegamenti tra il MCU e i vari dispositivi dalle ECU per le varie architetture proposte sono mostrati nelle Fig.16-17.

L’ingresso digitale è utilizzato per interfacciare il MCU (250) con il segnale di “AC Adp.” (58) del circuito di alimentazione (40), al fine di determinare se l’alimentatore esterno è collegato al circuito di batteria (in questo caso il segnale ha valore logico alto), oppure se esso risulta scollegato (valore logico basso).

Gli ingressi digitali con Hardware Interrupts sono utilizzati, invece, per interfacciare il MCU con il circuito di carica per i segnali di stato carica (56) e fine carica (55) e con l’encoder (9) dell’attuatore; con la precisazione che i canali A (22a) e B (22b) dell’encoder possono essere collegati entrambi ai suddetti ingressi, o, in alternativa, uno dei due (A o B) può essere collegato ad un ingresso in frequenza e, in tal caso, l’altro rimane su un ingresso digitale con Hardware Interrupts.

Ancora, gli ingressi analogici (51s, 52s, 46s, 47s, 104s) sono utilizzati per il sensore di coppia (5) e le sonde di tensione/corrente (51, 52, 46, 47, 104) dei circuiti di alimentazione (40) e del circuito motore (109), qualora non siano presenti ADC esterni (Fig.16). In caso contrario, il MCU utilizza il bus di comunicazione (94) per interfacciarsi agli ADC esterni e acquisire così le grandezze analogiche (Fig.17).

Gli ingressi in frequenza (5f, 10f, 2f) si rendono invece necessari per le ruote foniche (5, 10) o per l’alternatore (2) – qualora lo si utilizzi quale sensore di velocità – ed eventualmente, per un canale dell’encoder (22a).

Le uscite digitali sono utilizzate per controllare lo stato di “Enable” (54) dei DC-DC dei circuiti di alimentazione (40) e dei mini-relè del circuito di rifasamento (69), qualora questo sia a capacità multiple.

Gli output digitali in PWM (102, 53), infine, pilotano il circuito di controllo motore (H-Bridge) (109) e il circuito di controllo della corrente di carica del circuito di alimentazione (40). Infine i sensori ambientali (105) sono collegati al MCU tramite il bus (94) di scambio dati.

Tutto ciò con la precisazione che risulta possibile includere nel sistema alcune “periferiche” che dialoghino con il MCU tramite bus dati (94): ciò al fine di ampliare le funzioni che la ECU è in grado di svolgere, qualora tali funzioni non siano già integrate nel MCU. Nello specifico, è possibile considerare (Fig. 16 -17):

- Periferica Tx/Rx Bluetooth o Wi-Fi, per trasmettere o ricevere dati da e verso dispositivi wireless (107);

- Periferica di archiviazione, per il salvataggio di dati su un supporto esterno (106); - Periferica USB Host, per connettere tramite protocollo USB un generico dispositivo al MCU (106).

Del resto, possono essere utilizzate ulteriori uscite digitali al fine di collegare dispositivi di segnalazione ottico-acustici al MCU (quali led o buzzer) per segnalare al ciclista particolari stati di funzionamento della ECU. È inoltre possibile utilizzare altrettanti ingressi digitali del MCU per collegare ad esso pulsanti o keypad, al fine di fare interagire il ciclista con il MCU e quindi con i dispositivi di ECU. Tali configurazioni, ritenute opzionali, non sono mostrate nelle figure riguardanti i collegamenti del MCU. Il MCU è alimentato dai circuiti di alimentazione attraverso la linea della Vcore (58b), mentre le restanti parti della ECU (sensori, periferiche ed eventuali ADC) sono alimentati dalla Vcc (58a), fatta eccezione del circuito motore (l’H-bridge), che è alimentato dalla Vmot (58c). La Vaux (58d), invece, è disponibile per ulteriori dispositivi esterni collegabili al MCU tramite bus dati o eventualmente USB. Bisogna precisare, infine, che il MCU e tutti i dispositivi collegabili alla linea della Vcc devono assorbire una potenza complessiva non superiore a 0.5W per garantire l’autonomia elettrica tramite l’alternatore. Quindi si opterà per microcontrollori e sensori a basso consumo e bassa frequenza di clock (decina di megahertz)

Nella memoria interna del MCU (“flash” o ROM che sia) è caricato il suo “firmware”, che consiste nella lista delle istruzioni macchina che il MCU esegue per realizzare le funzioni ad esso assegnate. Data la doppia funzione svolta dall’MCU, cioè dialogare con l’ambiente esterno(periferiche, attuatori, sensori...) ed eseguire algoritmi di controllo e gestione, è possibile scomporre il firmware in due macro sezioni: esiste infatti un firmware (o codice) di basso livello, che si occupa dell'interfacciamento del MCU con i dispositivi hardware esterni e contenente tutte quelle istruzioni macchina per la gestione ed il setup dei sui pin di I/O, l’abilitazione e la gestione degli interrupts e dell’implementazione dei protocolli di comunicazione del BUS dati (I2C, SPI, RS232), al fine di interagire con i dispositivi o le periferiche esterne; il firmware o codice di alto livello, invece, è costituito da tutte le istruzioni macchina per l’esecuzione di algoritmi logico-matematico di controllo e/o gestione, quali ad esempio, il già citato controllo del rapporto ottimo. Posto che la funzione prevalente del basso livello è quella di ricavare dai sensori a cui il MCU è collegato le variabili necessarie per l’esecuzione degli algoritmi di controllo e di attuare sui dispositivi hardware comandabili dal MCU le operazioni desiderate, tale livello lavora direttamente sulle componenti hardware della ECU e rappresenta l’interfaccia tra l’hardware e il codice di alto livello.

Data, poi, la necessità di coordinare tutte le operazioni, o processi, che il MCU deve eseguire per poter svolgere correttamente tutte le funzioni ad esso assegnate, si rende opportuna l’utilizzo di un c.d. “Scheduler”, ovverosia di un algoritmo in grado di pianificare l’esecuzione temporale delle varie parti di codice di cui il firmware è composto. Ciò detto, ne deriva l’architettura firmware mostrata in Fig.18.

Come mostrato in Fig.18 il firmware esegue in fase iniziale, una volta sola, la funzione c.d. “Setup” (111) utilizzata per definire ed inizializzare le variabili del firmware, configurare i pin di IO ed abilitare e, infine, configurare gli interrupts. Terminata la funzione di Setup, viene eseguito ciclicamente (in Loop) lo Scheduler, che attiva ripetutamente e ad intervalli prefissati di tempo i c.d. “Task” (115-120), cioè le parti di firmware dedicate ad eseguire una particolare operazione. Fanno eccezione le ruotine di interrupts (ISR) (123), che sono eseguite simultaneamente con il verificarsi dell’evento di interrupts e non necessitano quindi dello Scheduler. L’intervallo di tempo di esecuzione di ciascun Task (o periodo di esecuzione) dipende dalla priorità del sistema che andrà a gestire ed è comunque, in generale, compresa tra qualche millisecondo a diverse decine di millisecondi

I Task, essendo parti di codice, sono essi stessi divisi in Task di alto livello (114) e in Task di basso livello (113), a seconda delle operazioni svolte. Ogni Task, poi, dispone di sue variabili interne per eseguire le operazioni ad esso assegnate, definite “locali” (125) perché accessibili solo dal Task stesso: esse sono definite nel Task e vengono inizializzate ogni volta che il Task viene eseguito. In alternativa, il Task può disporre anche di variabili locali c.d. statiche (126), per eseguire operazioni cicliche che necessitano di tenere traccia del valore della variabile all’esecuzione successiva del Task: infatti, una variabile locale statica è inizializzata una sola volta, cioè quando il Task viene chiamato per la prima volta, e il suo valore rimane inalterato una volta usciti dal Task stesso (il che comporta che quando si richiama nuovamente il Task tale variabile ha ancora il valore assegnatogli precedentemente). Inoltre, all’interno del firmware sono definite ulteriori variabili c.d. globali (122), ovvero variabili visibili e modificabili da ogni Task, di modo che il risultato di un Task possa essere utilizzato da un altro o che le operazioni di un Task possano influenzare l’esecuzione di un altro: è quanto avviene per i Task di basso livello, che estraggono dai sensori le misure e le memorizzano nelle variabili globali, in modo da essere utilizzate dai Task di alto livello per eseguire gli algoritmi di controllo.

Infine, nel firmware sono definite anche le c.d. costanti (o “constant”) (121), le quali consistono in parametri globali, visibili ad ogni Task, ma non modificabili.

Posto che, il basso livello funge da substrato per gli algoritmi di controllo, poiché si occupa sia di dialogare con l’IO per la generazione delle variabili di alto livello e dell’attuazione del controllo sui pin di uscita, allora lo Scheduler esegue ripetutamente tre Task di basso livello, cioè:

- ADC Task (115)

- Wheels Task (116)

- BUS Task (117)

Ad ogni Task, poi, è associato ad un particolare sottosistema hardware del MCU: contiene, dunque, la parte di codice specifica per quel sottosistema.

L’alto livello, invece, implementa i Task (definiti da qui in avanti anche come algoritmi) di funzionamento della ECU, per l’inseguimento del rapporto ottimo e la gestione dei dispositivi interni e/o esterni della ECU. In particolare lo Scheduler esegue ripetutamente i seguenti algoritmi:

- Main (118)

- Gestione Alternatore/Batteria (120)

- IMU (119)

- Periferiche (AUX) (119)

Più nel dettaglio, il Main è l’algoritmo principale per la gestione del rapporto di marcia, a differenza dei restanti algoritmi, che si rendono necessari, invece, per la gestione dei restanti dispositivi del sistema. Infatti, gli algoritmi di gestione della batteria e dell’alternatore comprendono le logiche necessarie alla gestione di questi due dispositivi, includendo anche le logiche di risparmio energetico necessarie durante le soste. L’algoritmo IMU, invece, permette di calcolare dai sensori ambientali l’inclinazione e l’elevazione della bicicletta mentre i restanti algoritmi (AUX) si occupano della gestione delle eventuali periferiche collegabili al MCU.

I Task di alto livello possono contenere al loro interno i “sub-task” di basso livello per gestire lo specifico hardware che l’alto livello andrà a pilotare. In particolare il Main contiene la parte di basso livello definita “Controllo Motore” (126) al fine di gestire le uscite del MCU che andranno a pilotare il motore dell’attuatore del cambio. In modo analogo l’algoritmo di gestione dell’alternatore e della batteria conterrà i Task di basso livello del controllo del rifasamento (127), della corrente di carica, e dell’ECO-Mode (128), col fine di gestire rispettivamente il circuito di rifasamento variabile (Fig.8), il circuito di controllo della corrente di carica (Fig.10) ed infine i componenti interni del MCU durante le logiche di risparmio energetico.

Passando all’analisi dell’ADC Task, occorre premettere che le grandezze analogiche, quando non sono previsti ADC esterni, sono misurate tramite ADC integrati nel MCU. In tal caso, il basso livello relativo all’ADC Task si occupa di interrogare il canale analogico del MCU a cui è collegata la d.d.p. oggetto di misura, per ottenere il valore digitale corrispondente alla conversione compiuta dall’ADC. Per ottenere la grandezza finale, il basso livello esegue un calcolo sul valore digitale ottenuto, utilizzando alcune costanti memorizzate nel firmware, quali fondo scala e risoluzione dell’ADC e la c.d. costante di misura, che tiene conto delle proprietà del trasduttore utilizzato per la generazione della d.d.p. dalla grandezza di misura. In particolare, è eseguito il seguente calcolo:

Dove ADCvalue è il valore numerico ottenuto dal convertitore analogico digitale, N rappresenta il numero di bit del convertitore (risoluzione) e FS il fondo scala dell’ADC, cioè la massima tensione misurabile. K è, poi, la costante di misura dell’eventuale trasduttore che esprime la correlazione tra la grandezza da misurare e la tensione prodotta del trasduttore. È prevista poi l’eventualità che il basso livello di ADC Task possa contenere altresì un filtro digitale che, appunto, filtri i segnali acquisiti, nell’ipotesi in cui essi presentino un eccessivo rumore (è il caso della corrente motore e della batteria). In particolare, si implementa un filtro digitale passo basso del primo ordine del tipo che segue:

Dove yn e yn-1 sono rispettivamente le uscite del filtro all’esecuzione corrente del Task (n) e all’esecuzione precedente (n-1), mentre xn rappresenta il valore della grandezza analogica acquisita al passo corrente. Alpha è una costante che determina la frequenza di taglio del filtro digitale (costante del firmware). Le misure acquisite dall’ADC Task (quali tensione e corrente batteria, tensione e corrente alternatore, corrente motore e coppia pedale) sono, poi, memorizzate nelle variabili globali di alto livello.

Come già esposto precedentemente i sensori ambientali ed eventualmente gli ADC esterni comunicano tramite bus dati con il MCU. Il basso livello eseguito dal BUS Task gestisce lo scambio dati sul relativo bus, basato su una comunicazione di tipo Master/Slave: in altri termini, il MCU, che rappresenta il dispositivo Master, ad ogni esecuzioni del BUS Task invia un comando al modulo Slave (composto dai sensori ambientali o gli ADC esterni), codificato in una stringa di bit trasmessa sul bus. La periferica, ricevuto il comando dal MCU, lo esegue ed invia il risultato dell'operazione richiesta (la misura), sotto forma di pacchetti di stringhe di bit al MCU, il quale compone il risultato del sensore per salvarlo poi nelle variabili globali. Le operazioni di scrittura o lettura sul bus in questione sono definite dal protocollo di comunicazione di quel bus e sono implementate dalle c.d. sub-routine del BUS Task. Ciò significa che ad ogni esecuzione il BUS Task restituisce le misure fornite dai sensori ambientali, e quindi i vettori di accelerazione, velocità angolare, campo magnetico terrestre, temperatura e pressione ambiente, unitamente alle misure analogiche come tensione, corrente e coppia pedale, nell’ipotesi in cui gli ADC siano sul bus.

Il Wheel Task invece, si occupa dell’elaborazione dei segnali delle ruote foniche (o della frequenza di alternatore) e dell’encoder ed esegue, altresì, il calcolo della forza al pedale, elaborando la coppia alla pedivella fornita dal Task ADC (o Bus, se l’ADC è esterno). Come già accennato, le ruote foniche (e/o l’alternatore) e l’encoder sono collegati a pin di interrupts: ciò fa sì che le elaborazioni dei segnali possono essere eseguite completamente dalle ISR, non necessitando, dunque, dello Scheduler. Tuttavia, è necessario svolgere elaborazioni cicliche che necessitano dell’uso dello Scheduler e quindi dell’esecuzione del Wheel Task. In particolar modo, per gli ingressi in frequenza e quindi per le ruote foniche (o l’alternatore), la ISR associata alla già citata ICI (o Input Capture Interrupt) può eseguire la misura del periodo del segnale (conteggio del Timer per il periodo di clock) a patto che la ruota fonica (o l’alternatore) sia in rotazione, cioè che la frequenza del segnale sia diversa da zero, poiché, in caso contrario, non si verificherebbe mai un evento di interrupt, posto che il periodo sarebbe infinito. Conseguentemente, il Wheel Task verifica ciclicamente il tempo trascorso dall’ultimo evento di interrupt (usando un counter locale incrementato ad ogni esecuzione del Task) con lo scopo di confrontare tale risultanza con un valore c.d. di time-out, oltre il quale può ritenere la ruota ferma e quindi la sua frequenza nulla. Nell’ipotesi in cui, invece, si verifichi un interrupt prima dello scadere del time-out, allora il Wheel Task potrà utilizzare il periodo misurato dalla ISR durante l’ultimo interrupts, al fine di ottenere la frequenza del segnale (inverso del periodo) e la velocità di rotazione (giri al minuto o rpm), dividendo la frequenza per la costante della ruota fonica (numero di impulsi per rivoluzione) o, nel caso dell’alternatore, per il numero di poli, moltiplicando poi per 60. In aggiunta, sulla velocità cosi calcolata si impone un filtro digitale passo basso del primo ordine del tipo che segue:

Dove yn e yn-1 sono rispettivamente le uscite del filtro all’esecuzione del Task corrente (n) e all’esecuzione precedente (n-1), mentre xn rappresenta la velocità calcolata all’esecuzione del Task corrente. I risultati quali velocità di pedivella e velocità della ruota sono poi memorizzati nelle variabili di alto livello.

La posizione dell’attuatore (posizione relativa) è invece elaborata solo dalle routine di interrupts attive su entrambi i canali dell’encoder A e B, senza necessità di alcuna elaborazione da parte del Wheel Task. In effetti, per decidere di incrementare o decrementare il contatore (Counter Value) che identifichi la posizione dell’encoder è sufficiente che la routine promossa da un cambio di stato su un canale verifichi lo stato logico sull’altro. In particolare, si utilizza la c.d. codifica X4 (24), mostrata in Fig.4, nella quale la posizione dell’encoder cresce o decresce allo stesso modo su ciascun fronte (di salita o di discesa) dei canali A e B. L’ aumento o la diminuzione del valore dipenderà da quale canale anticipa l’altro. Come risulta dalla Fig.4, su ogni ciclo sono presenti quattro incrementi o decrementi (24).

Per la misurazione della velocità dell’encoder, invece, è possibile utilizzare lo stesso approccio valido per le ruote foniche, sempreché si disponga di un ingresso in frequenza sul canale A o B. In alternativa, tale velocità può essere stimata tramite una funzione eseguita ciclicamente dal Wheel Task, come rapporto incrementale della variabile posizione con la formula che segue:

Dove corrisponde alla velocità calcolata all’esecuzione corrente del Task,

è la posizione dell’encoder rispettivamente alla corrente esecuzione del Task e

all’esecuzione precedente, e infine consiste nell’intervallo temporale di esecuzione del Task.

La forza applicata al pedale, invece, si calcola a partire dalla coppia alla pedivella fornita dal Task ADC (o BUS se l’ADC è esterno al MCU). Tuttavia, come prima anticipato, il segnale di coppia ha andamento sinusoidale rispetto all’angolo di pedivella, con valore massimo a 90 gradi (o 270) e zero a 180 gradi (o 360). Quindi il Wheel Task deve sincronizzare il segnale di coppia con la posizione angolare della pedivella, per poter valutare correttamente la forza applicata dal ciclista. A tale scopo, il Wheel Task calcola l’angolo di pedivella integrandone la velocità, ma avendo cura di “resettare” l’integrale ad ogni passaggio per zero del segnale di coppia, come se tale evento rappresentasse una sorta di “trigger” per l’integrale. Quando l’angolo della pedivella cosi calcolato risulta di circa 90°, allora il Task “cattura” il valore di coppia in quell’istante, dividendolo poi per la lunghezza della pedivella (costante memorizzata nel firmware) al fine di ottenere la forza massima applicata al pedale.

Posto che il segnale di coppia (forza) ha andamento sinusoidale, allora la forza media applicata al pedale può essere calcolata a partire dalla forza massima, moltiplicando quest’ultima per il valore della deviazione standard di un lobo di sinusoide compreso tra 0 e π/2.

Inoltre, come per le velocità ruota e pedale, è possibile applicare un filtro digitale passo basso del primo ordine sulla forza (media e massima) al pedale del tipo che segue:

Dove x rappresenta la forza al pedale calcolata col metodo descritto precedentemente, e y invece, la forza al pedale filtrata. Da ultimo, il Wheel task esegue il calcolo della velocità di avanzamento (moltiplicando la velocità ruota per il raggio ruota) e del rapporto di trasmissione, quest’ultimo ottenuto dividendo la velocità di rotazione della ruota per la velocità della pedivella (se la velocità di pedivella non è nulla). I risultati sono poi memorizzati nelle variabili globali per essere utilizzate dagli algoritmi di alto livello.

Come anticipato, l’algoritmo Main è l’algoritmo principale del sistema perché si occupa della gestione del rapporto di marcia della bicicletta. Il flusso logico del Main è mostrato nella Fig.19.Come indicato in figura, la prima operazione svolta del Main è la verifica (131) dello stato logico della la variabile globale Init: se Init è vera (132), allora l’algoritmo passa ad eseguire lo stato di “Inizializzazione Cambio” (133). In questa fase, l’algoritmo pilota l’attuatore del cambio fino alla posizione di battuta, nel verso di riduzione del rapporto, in modo tale che il rapporto finale sia Zmin. Le operazioni di gestione del motore elettrico sono affidate ad una sezione di basso livello contenuta nell’algoritmo Main denominata “Controllo Motore”, che provvede a pilotare adeguatamente le uscite del MCU al fine di inseguire le richieste di alto livello del Main e ad informare lo stesso su particolari condizione di lavoro del motore, come il fine corsa. Difatti, la condizione di fine corsa (135) permette al Main di determinare quando il cambio ha raggiunto la sua posizione di battuta e quindi di considerare terminata la fase di inizializzazione.

Se il cambio non ha ancora raggiunto il fine corsa, il controllo è ceduto di nuovo allo Scheduler (112), fintantoché, alla nuova esecuzione del Main, si verifica il fine corsa. In tal caso (137), si vede come la variabile Init è posta a falso (138) e come essa non sia più modificata dagli stati successivi del Main: ciò significa che alla nuova esecuzione del Main, l’algoritmo non entrerà più nella fase di inizializzazione, ma salterà direttamente agli stati successivi (134), a meno che Init non venga di nuovo posta a vera in un altro Task. Inoltre il Main imposta la posizione di battuta raggiunta (definita come full UnderDrive) come riferimento, azzerando la variabile di alto livello relativa alla posizione del cambio (138). Da questo momento in poi, tutte le posizioni registrate tramite encoder (nel Wheel Task) saranno riferite alla posizione del CVT corrispondente al rapporto di marcia minimo. Negli stati successivi l’inizializzazione, viene effettuata un’operazione di verifica circa lo stato della ruota libera (o OWC) tramite la logica di Main denominata “Gestione stato OWC” (139) con lo scopo di applicare il giusto controllo a seconda della condizione della OWC (142). Sono difatti possibili due scenari: l’OWC è in presa (141) e la ruota è meccanicamente accoppiata alla pedivella, quindi il ciclista trasferisce coppia dal pedale alla ruota posteriore; oppure la OWC non è in presa (140), e nonostante il ciclista abbia smesso di pedalare, la ruota continua a girare e la bicicletta avanza per inerzia senza che vi sia trasferimento di potenza (e di coppia) dal ciclista alla ruota.

Nel primo scenario ora esaminato (141), l’algoritmo esegue la c.d. “Logica rapporto ottimo” (144), la quale ha come obiettivo quello di calcolare il già citato rapporto ottimo in base alle misure di forza e velocità, posto che in questo caso sussiste un trasferimento di potenza dal pedale alla ruota posteriore. Eseguito il calcolo, l’algoritmo prosegue con il blocco “Controllo in Z” (145), che esegue un controllo ad anello chiuso sull’attuatore del cambio, allo scopo di ingaggiare correttamente il rapporto ottimo calcolato dalla logica precedente. Tale controllo utilizza come feedback il rapporto attuale misurato dai sensori nel Wheel Task.

Nel secondo scenario (140), invece, non è possibile misurare il rapporto di trasmissione, perché non vi è più un collegamento meccanico tra la pedivella e la ruota; né tanto meno avrebbe senso calcolare il rapporto ottimo perché non vi è trasferimento di potenza (coppia e velocità). Tuttavia, qualora il ciclista riprenda a pedalare, è necessario che il rapporto iniziale del CVT sia adeguato alla velocità di ripartenza: dunque, nella fase di OWC non in presa agisce il blocco del Main denominato “Controllo in posizione” (143), nel quale si pilota l’attuatore in modo da ingaggiare un rapporto tale da risultare idoneo una volta ripresa la marcia. In questo caso, non potendo misurare il rapporto di trasmissione, il controllo utilizza come feedback la posizione dell’attuatore, stimando quindi il rapporto di trasmissione in base alla posizione del leveraggio del CVT.

Come detto prima, il Main esegue la sezione di basso livello denominata “Controllo Motore”, che ha l’obiettivo di produrre le forme d’onda necessarie a pilotare correttamente il circuito motore. In particolare, dato lo schema dell’H-bridge descritto prima (Fig.15), la selezione della direzione di avanzamento del motore è ottenuta pilotando i canali (A e B) dell’H-bridge nel modo descritto nella tabella (100t) riportata nella Fig.15. Più specificamente, piuttosto che parlare di direzione oraria o anti-oraria del motore, si indicherà la direzione del motore del cambio tale da ingaggiare rapporti veloci (maggiori rotazioni ruota rispetto alla pedivella), come direzione di OverDrive, mentre si indicherà come direzione di UnderDrive, la direzione opposta. Infine, la velocità di rotazione del motore, in una direzione o nell’altra, viene controllata variando il duty-cycle del canale comandato in PWM.

In base a quanto appena esposto, si può dunque affermare che la sezione di basso livello comanda le uscite del MCU nel modo descritto in tabella della Fig.15, con lo scopo di eseguire una richiesta di OverDrive/UnderDrive, o di Brake da parte del Main. Inoltre, tramite la sonda di corrente presente tra l’alimentazione e l’H-Bridge, il Controllo Motore in grado, altresì, di provvedere alla gestione della corrente assorbita dal motore elettrico (letta dall’ADC Task o dal BUS Task), con l’obiettivo di limitare tale corrente, e, correlativamente, la potenza assorbita dal motore, in modo tale da non sovraccaricare l’alternatore. In particolare, il Controllo Motore prevede una gestione c.d. di “Soft-Start” e un'altra di “Hard-Stop”. La prima è utilizzata durante l’inversione del senso di rotazione del motore, a seguito di una richiesta di cambio di direzione da parte del Main (come una richiesta repentina di OverDrive da una di UnderDrive o viceversa): il Controllo Motore prima di pilotare l’H-bridge così come richiesto dall’alto livello esegue un’operazione di Brake e solo quando il motore si arresta (cioè la velocità dell’encoder, misurata dal Wheel Task, diviene nulla), allora il Controllo Motore inizia a pilotare il motore nella direzione richiesta. Questa gestione ha appunto come obiettivo quello di ridurre i picchi di corrente dovuti alla forte inerzia motore durante le fasi di inversione del verso di rotazione.

La parte di Hard-Stop, invece, interviene quando il motore raggiunge il suo fine corsa (cambio in posizione di battuta) a seguito di una richiesta di UnderDrive o di OverDrive, portandosi quindi in una delle due posizioni limite definite rispettivamente di full UnderDrive e di full OverDrive. In tale stato il motore è bloccato e la corrente assorbita risulta molto più elevata rispetto a quando il motore è libero di ruotare: dunque, la sezione di Hard-Stop ha l’obiettivo di rivelare tale condizione al fine di interrompere la richiesta del Main. Ciò posto, la sezione di Hard Stop confronta costantemente il valore di corrente con una certa soglia definita Istall, e, qualora la corrente risulti superiore a tale soglia per oltre un periodo temporale definito time-out (in modo da non confondere il fine corsa con la fase di spunto) considera il motore a fine corsa e blocca la richiesta di alto livello pilotando il motore in Brake. L’unico modo per riprendere il controllo da parte dell’alto livello è di comandare il motore nella direzione opposta, cioè comandare un OverDrive se il motore è in full UnderDrive o un UnderDrive nel caso opposto. Infine la gestione di Hard-Stop produce due “flag”, per informare l’alto livello che il motore è a fine corsa rispettivamente per la posizione di full OverDrive e di full UnderDrive.

Riguardo invece alla parte del Main denominata “Gestione stato OWC”, questa parte di alto livello è indispensabile per discriminare lo stato della OWC e quindi selezionare quale controllo inseguire. La verifica dello stato dell’OWC inizia verificando dapprima che sia la cadenza di pedalata che la velocità ruota siano entrambe diverse da zero, o al più maggiori di una certa soglia minima. In seguito si calcola per entrambe le variabili, le rispettive accelerazioni, approssimando la derivata al rapporto incrementale:

Dove è l’accelerazione calcolata all‘esecuzione corrente del Main, e

sono invece la velocità (ruota o pedivella) rispettivamente alla corrente esecuzione del

Task e all’esecuzione precedente; è l’intervallo temporale di esecuzione del Task. Quindi si ritiene la OWC in presa, se si verifica che almeno una delle due accelerazioni sia maggiore di zero. Nel caso di OWC in presa, dato che sussiste un trasferimento di potenza dal ciclista alla ruota, è calcolato ed applicato il rapporto ottimo, mentre nel caso opposto, si attua il controllo in posizione del cambio, così come descritto in precedenza.

La sezione definita “Logica di controllo rapporto ottimo” (144) esegue il calcolo del rapporto di trasmissione ottimo. Tale rapporto è definito ottimo in quanto è capace di minimizzare lo sforzo e il senso di fatica percepito dal ciclista. Posto che tale logica è eseguita ciclicamente, allora il rapporto è costantemente aggiornato (sulla base delle nuove misure) in modo tale da risultare quello ottimo durante ogni fase della pedalata (spunto, accelerazione, velocità uniforme, ecc.…). Per comprendere in che modo tale logica elabori il rapporto e perché esso sia ritenuto ottimo è utile introdurre il c.d. piano forza-cadenza, ovvero il “luogo dei punti” composti dalle combinazioni della forza al pedale e della cadenza di pedalata che il ciclista è in grado di attuare contemporaneamente sulla bicicletta. Ogni punto sul piano, definito “punto di lavoro”, (L)è individuato all’interno del piano dal “vettore” di cadenza e forza al pedale: (ωP;FP). All’interno del piano suddetto è poi possibile individuare un insieme di punti di lavoro, o aree di lavoro, a cui corrisponde un certo senso di fatica percepibile dal ciclista, onde poi associare ad ogni area un valore numerico o un fattore di merito corrispondente, via via inferiore quanto più il senso di fatica percepibile aumenta. Quindi le aree con fattore di merito maggiore rappresenteranno tutti quei punti di lavoro tali che lo sforzo compiuto dal ciclista è minore. Ne risulta quindi una mappa di efficienza o di merito tale da identificare per ogni punto del piano, la qualità della pedalata in termini di sforzo compiuto dal ciclista.

La Fig.20 mostra un esempio di piano forza-cadenza (144) nel quale sono state delimitare le aree di fatica e i fattori di merito corrispondenti (145). La curva superiore in grassetto (146) rappresenta, invece la curva limite e oltre la quale il ciclista non è in grado di lavorare (equivale alla massima potenza che il ciclista è in grado di erogare).Nonostante la sensazione di fatica percepibile vari da soggetto a soggetto, rendendo difficoltosa la creazione di una mappa di efficienza standard uguale per ogni individuo, è tuttavia possibile definire alcuni criteri oggettivi che permettano di elaborare una mappa di riferimento il cui andamento (o c.d. “trand”) possa essere considerato valido per tutti i possibili soggetti. I criteri in parola sono i seguenti:

1. All’aumentare della cadenza di pedalata, oltre una certa soglia, il senso di fatica percepito aumenta in modo proporzionale.

2. All’aumentare della forza al pedale, il senso di fatica percepito aumenta in modo proporzionale.

3. È sempre opportuno bilanciare bene la cadenza e la forza al pedale erogata.

Utilizzando tali criteri è possibile generare la mappa di efficienza mostrata in Fig.20. Infatti l’efficienza decresce all’aumentare della cadenza, cosi come all’aumentare della forza applicata al pedale. Inoltre lì dove c’è troppo squilibrio tra forza e cadenza, cioè lì dove si percepisce una sensazione di pedalare a vuoto (pochissima forza) oppure si fa troppa fatica per effettuare pochi giri di pedivella, allora l’efficienza si riduce. Risulta quindi che i punti ad efficienza maggiore sono quelli al centro della mappa, con valori di forza e cadenza ben bilanciati tra loro. Introduciamo inoltre nel piano forza-cadenza le curve c.d. di isopotenza (147), ovvero il “luogo dei punti” di lavoro tali che la potenza erogata dal ciclista sia sempre la stessa o meglio costante (matematicamente FPωP = const.).Sempre dalla Fig.20 è facilmente deducibile che, in accordo a quanto detto nel prologo della trattazione, a parità di potenza erogata (e quindi a parità di velocità di avanzamento e carico della bicicletta), sussistono infiniti punti di lavoro possibili, corrispondenti ai punti della curva di isopotenza, ma solo alcuni di questi cadono in zone di merito medio-alte, cioè lì dove lo sforzo del ciclista risulta minimo. Ad esempio, come mostrato in Fig.20, il punto L0 (148) cade nella zona di merito più alta (1.0), mentre il punto L1 (149) sulla stessa isopotenza P3 è in una zona di merito medio bassa (0.5)

Tutto ciò premesso, l’obiettivo del controllo in questione è quello forzare il punto di lavoro quanto più vicino alle zone a fattore di merito maggiori, indipendentemente dalla velocità di avanzamento e dal carico della bicicletta (quindi vento, condizione del fondo stradale, accelerazione, pendenza, ecc.…) e conseguentemente in modo indipendente dalla potenza erogata. Ciò detto, analizziamo l’obiettivo del controllo per mezzo del piano forzacadenza cosi come illustrato in Fig. 21.

Ipotizziamo che ad un dato istante il ciclista si trovi a pedalare nel punto di lavoro L0 (150), quindi con cadenzaω0e forza al pedale pari a F0. Definiamo P0 la potenza erogata in L0 e tracciamo nel piano forza-cadenza la isopotenza corrispondente (150p). Ipotizziamo inoltre che L0 sia un punto ad alta efficienza, cosi come indicato in figura, posto che è situato al centro del piano e quindi sia ω0 che F0 sono valori medie ben bilanciati di cadenza e di forza. Se a questo punto, il ciclista aumenta la sua velocità, e/o si trova in condizione di carico maggiore (leggera pendenza, vento a sfavore etc.), e quindi, in generale, aumenta la potenza erogata da P0 a P1, allora il nuovo punto di lavoro si sposterà nella curva di isopotenza P1 (151p). Come indicato in figura il punto di lavoro migliore, sulla nuova isopotenzaP1, è il punto L1 (151) (ovvero ω1, F1) caratterizzato da una cadenza e una forza al pedale di poco maggiori rispetto a prima ma entrambe non elevate e ben bilanciate: ω1 e F1 rimangono ancora intorno ai valori medi del piano (155a, 155b). Per maggior comprensione sono riportati in figura altri due punti di lavoro sulla stessa isopotenza P1 (e quindi equivalenti a L1), ovverosia i punti L1’ (154) e L1” (153).

L1<’ >è il punto di lavoro c.d. a cadenza costante, cioè è il punto appartenente alla retta parallela all’asse delle ordinate, mentre L1’’ è il punto c.d. a coppia costante ovverosia appartenente alla retta parallela all’asse delle ascisse. Tali punti non garantiscono il comfort migliore perché producono, lungo la nuova isopotenza P1, un forte squilibrio tra la forza e la cadenza, ottimizzando o l’una o l’altra grandezza, ma mai entrambe. Si deduce quindi che il punto L1 compreso tra questi due estremi garantisce la migliore efficienza.

Analogo è il caso in cui il ciclista rallenti e/o riduca il carico sul pedale, spostandosi quindi verso una isopotenza inferiore, cioè sulla isopotenza P2 (152p). Anche in questo caso il punto migliore è il punto di figura indicato con L2 (152) dato che sia la cadenza che la forza sono entrambe ridotte e ben bilanciate, e analogamente, i punti L2’ (156) e L2” (157) rispettivamente a cadenza e coppia costante non danno lo stesso vantaggio prodotto da L2.

Si è voluto introdurre i punti L1’ e L1” (o analogamente L2’ e L2”), non a caso, dato che rappresentano alternative di controllo di un cambio CVT già note: rispettivamente un controllo a cadenza costante e a coppia costante. Tali controlli circoscrivono i punti di lavoro lungo delle rette nel piano, dato che impongono, o la cadenza, o la coppia (quindi la forza) costante. Tuttavia pur producendo un vantaggio in termini di comfort di guida, tali strategie di controllo, come appurato, non garantiscono la soluzione migliore. Ciò posto, individuando per ogni isopotenza, il punto di lavoro migliore, cioè quello situato nella area di efficienza più alta, si ottiene una curva c.d. ideale o ottima (158). La strategia di controllo migliore risulta quindi quella di variare il rapporto di trasmissione in modo tale che i punti di lavoro giacciano sempre sulla curva ideale.

Dalla Fig.21 si evince che la forma della curva ideale è riconducibile ad una parabola, e quindi esprimibile nel piano forza-cadenza tramite la seguente relazione:

In altri termini, l’obiettivo del controllo ottimo consiste nel variare il rapporto di trasmissione in modo tale che tra la forza FP, e la cadenza ωP, valga sempre tale relazione. Ciò si ottiene calcolando quel rapporto definito Zd_opt in funzione delle variabili indipendenti misurate dai sensori (tramite il Wheel Task e l’ADC/BUS Task), ovverosia in funzione della velocità ruota e la forza al pedale FP, in modo che la cadenza risultante sia tale da rispettare l’equazione della curva ideale. Si preferisce fattorizzare Zd_opt per esprimerlo come prodotto tra le funzioni delle s secondo la relazione:

Dove il primo termine g(ωR) è un rapporto di trasmissione definibile Z’, posto che è espresso secondo la relazione:

con una cadenza di rifermento costante. Ne risulta che Z’ è quel rapporto per cui la cadenza di pedalata sia sempre pari a indipendentemente dalla velocità ruota/veicolo.La fattorizzazione permette di normalizzare il rapporto Z rispetto alla velocità e imporre l’equazione della curva ideale per mezzo del solo secondo termine adimensionale݂ In effetti, posto che per la definizione di rapporto di trasmissione Z, vale la relazione:

È possibile sostituire tale relazione nell’equazione della curva ideale, ed infine, utilizzando la definizione di Z’, eliminare il termine ωR. Dopo semplici passaggi si ottiene che:

Risolvendo l’equazione in Z si ottiene infine il termine adimensionale f(FP) in funzione dei parametri della curva ideale (a, b, c) e di e tale da risolvere l’equazione della curva ideale, ovverosia si ottiene:

Si n

Imponendo cosi si ottiene che al variare della velocità e delle

condizioni di carico, ed in generale al variare della potenza erogata, i punti di lavoro del ciclista giacciono sempre sulla curva ideale, lì dove il fattore di merito risulta il migliore, motivo per cui ܼ è il rapporto ottimo.

Tutti i parametri qui introdotti, quindi <a, b e c >sono memorizzati nel firmware come costanti e fanno parte del c.d. “dataset” della logica di rapporto ottimo. Posto che l’andamento della curva ideale è generico, sarà la sua parametrizzazione, cioè il dataset, a rendere la curva specifica. In effetti, all’interno del firmware, saranno presenti più dataset, ognuno dei quali viene calibrato sulla tipologia di ciclista, al fine di adattare il controllo al grado di allenamento di quest’ultimo. In effetti ciclisti allenati sopportano cadenze di pedalata più elevate, il ché sta a dire che la loro efficienza si mantiene alta a cadenze maggiori di un ciclista occasionale, poco o per nulla allenato. Quindi, come mostrato in Fig.22, la curva ideale di un ciclista allenato (158) sarà traslata verso il basso rispetto a quella di un ciclista poco allenato (159) che di contro preferirà, a parità di potenza (160), una cadenza di pedalata più lenta (161). Si disporrà quindi di vari dataset, come ad esempio uno di tipo “corsa”, orientato su cadenze elevate, o piuttosto un dataset di tipo “comfort” orientato invece su cadenze lente, o un altro di tipo “sport” che può rappresentare un dataset intermedio, e così via. In generale non vi è un limite di dataset che possono essere caricati all’interno del firmware in modo da coprire l’intera tipologia di possibili utilizzatori.

Pertanto si prevede che il ciclista possa selezionare (preferibilmente tramite keypad o pulsanti collegati al MCU) il suo dataset, tra quelli presenti nel firmware, in modo da adattare il controllo, in funzione della sua forma atletica. Posto un certo dataset, il ciclista si troverà comunque a pedalare in diversi scenari ambientali, ovvero a temperatura e pressione ambiente differenti. La curva ideale sarà di certo suscettibile a tali variazioni ambientali. Ad esempio, all’aumentare della temperatura (T), e/o al diminuire della pressione ambientale (P), è facile dedurre che i punti ad alta efficienza traslino verso valori di cadenza minori. Per tale motivo si prevede un “gradiente” di variazione dei parametri, in funzione di tali condizioni ambientali. Tale variazione è espressa tramite la relazione seguente:

Dove <p >rappresenta il generico parametro della curva ideale e <p>0 è il generico parametro valutato a temperatura ambiente T0 (17-23 °C) e a pressione ambiente P0 (101.3kPa). GpT e GpP invece rappresentano rispettivamente i coefficienti di gradiente termico e barometrico del generico parametro. Anche per la pendenza strada è possibile fare un ragionamento analogo. In effetti, trascurando il caso di leggera pendenza, possiamo affermare che la potenza media (e massima) che il ciclista eroga in salita è molto maggiore del caso in pianura, di conseguenza la mappa di efficienza trasla verso l’alto, così come la curva ideale. Quindi anche in questo caso, è possibile introdurre un gradiente di pendenza

per variare i parametri della curva ideale in funzione della pendenza strada (β) nel

caso di forte inclinazion e (β0=5%) Quindi risulta:

In ultima analisi è conveniente valutare la variazione di rispetto alle variabili indipendenti, sviluppando l’equazione di definizione del rapporto ottimo. La Fig.23 mostra l’andamento del rapporto ottimo (163) in funzione della forza al pedale e per diverse velocità ruota (164).

Si evince dalla figura che all’aumentare della velocità e al diminuire della forza sul pedale il rapporto ottimo aumenta rapidamente, mentre all’aumentare della forza, il rapporto tende asintoticamente ad un valore limite definibile Zd_opt,min (168). Tuttavia è bene considerare quei punti fisicamente praticabili in corso di pedalata. In effetti, all’aumentare della velocità il ciclista eroga una potenza via via crescente, e di conseguenza, una forza impressa al pedale via via superiore ad una certa soglia minima. Ciò sta a dire che è possibile trascurare i rapporti Z per valori di forza inferiori a tale soglia, dato che i rispettivi punti di lavoro sono impraticabili (a meno di trascurare il fatto che il ciclista sia in discesa, cosa che però rappresenta un vantaggio di per sé). Si stima quindi la potenza minima da erogare (trascurando efficienze, perdite, pendenza, ecc.) tale da avanzare ad una data velocità (v), utilizzando la seguente relazione canonica:

Dove CD è il coefficiente di attrito aerodinamico, ρ la densità dell’aria, N invece rappresenta la reazione normale della bici e c infine è il coefficiente di attrito volvente dello pneumatico. Dalla potenza minima si ricava la coppia alla ruota dividendo tale potenza per la velocità angolare della ruota (v diviso il raggio) e si ricava infine la coppia al pedale (quindi la forza) moltiplicando tale coppia per il rapporto Z. Si ottiene quindi un fascio di curve di forza minima al pedale, in funzione di Z, al variare della velocità (165), cosi come mostrato sempre in Fig. 23. L’intersezione (166) tra la curva di forza minima e la curva del rapporto ottimo (per una data velocità) individua il rapporto massimo fisicamente attuabile. Congiungendo tutte le intersezioni, si individua, infine, il rapporto ottimo massimo Zd_opt,max (167). In conclusione, risulta che tutti i rapporti ottimi possibili sono sempre contenuti in un intervallo chiuso e limitato (169) compreso tra Zd_opt,min e Zd_opt,max. Quindi scegliendo i valori prima menzionati, come rapporti limite della trasmissione (Zmin, Zmax) composta dal cambio meccanico CVT e dal rapporto fisso corona-pignone, risulta che il sistema meccanico sarà sempre in grado di ingaggiare il rapporto ottimo calcolato dalla logica in parola.

Ciò detto, adesso si vuole generalizzare quanto ottenuto, su una curva ideale generica, cioè non necessariamente di tipo parabolico e quindi non più esprimibile con un’equazione del secondo ordine. In effetti consideriamo una generica curva ideale nel piano forza-cadenza esprimibile con una generica funzione polinomiale di ordine n, ovvero del tipo:

È quindi possibile sviluppare tale polinomiale come fatto prima, cioè sostituendo ωP con ωR/Z ed introducendo poi la definizione Z’ per eliminare il termine ωR. Dopo semplici sostituzioni si ottiene la seguente relazione:

Come prima, si risolve il polinomio in Z e si ottiene il rapporto di trasmissione in funzione di Z’ e FP. Si può dimostrare che la soluzione del polinomio è data dal prodotto di Z’ per le radici del polinomio, ovvero:

Dove è una radice reale del polinomio di ordine n. Tuttavia all’aumentare dell’ordine n, non è sempre possibile risolvere l’equazione per via analitica, quindi si può, in alternativa, utilizzare un approccio numerico definito “map based”. Tale approccio consiste nel calcolare la radice reale del polinomio al variare di FP al calcolatore, tramite metodi numerici noti in letteratura, al fine di generare una mappa numerica del termine f(FP), che andrà a costituire una c.d. “look-up table”, cioè una struttura tale da permettere di associare ad ogni valore ammissibile di FP, il corrispondente valore del termine f(FP). Tale mappa o look-up table è poi caricata nel firmware, in modo che il MCU possa determinare il valore del rapporto con una semplice operazione di “consultazione” della mappa. Quindi ogni dataset non è più un parametro ma una nuova mappa o look-up table ottenuta precedentemente al calcolatore. Lo stesso vale per i gradienti termici, barometrici e di pendenza. Le varie curve ideali per le variazioni dei parametri ambientali sono risolte tutte al calcolatore ottenendo così un'unica look-up table multidimensionale (una per ogni dataset), ovvero una struttura unica capace di associare il valore numerico del termine adimensionale corrispondente al rispettivo valore di forza FP, temperatura T, pressione P e pendenza β.

La sezione di Main denominata “Controllo Cambio in Z” (145) (o semplicemente controllo in Z) genera la richiesta di direzione e velocità dell’attuatore, verso il basso livello del controllo motore, con lo scopo di inseguire il rapporto ottimo desiderato (Zd_opt) calcolato dalla logica descritta prima. Lo schema di principio del controllo è mostrato in Fig.24. In altri termini, il controllo in Z effettua la differenza tra il rapporto desiderato (170) e quello attuale (171) (misurato dal Wheel Task) generando o una richiesta di OverDrive (173), verso il basso livello se il rapporto desiderato è maggiore di quello attuale, o di UnderDrive (172) nel caso opposto o, ancora, una richiesta di Brake (174) qualora i rapporti desiderato e attuale coincidano. Il valore di duty-cycle verso il basso livello (175), o in altri termini la velocità dell’attuatore del cambio, è invece generato da un controllore (176) proporzionale integrale (P.I.) incorporato nel suddetto controllo. In particolare, detto controllore genera un segnale di uscita (yn) in funzione dell’ingresso (xn) secondo la seguente relazione:

Dove KP e KI rappresentano rispettivamente i “guadagni” proporzionale e integrale del controllore mentre il termine an è il valore integrale al passo precedente espresso come una funzione di accumulo di tutti gli ingressi durante le esecuzioni precedenti del Task. ∆t, infine, è l’intervallo temporale di esecuzione del Task. L’ingresso del PI (xn) è l’errore assoluto tra il rapporto attuale e un valore leggermente deviato del rapporto ottimo desiderato. In effetti, la suddetta logica genera un termine correttivo (177) come prodotto di un fattore k (178) per l’accelerazione (179) della ruota (o della bici) (calcolata come approssimazione del rapporto incrementale della velocità). Il termine correttivo è poi sommato al valore del rapporto ottimo desiderato, in modo tale che il risultato rappresenti il nuovo obiettivo del controllore P.I. L’intensità del fattore k è in funzione (181) della velocità (ruota/bici) (180) ed in particolare esso diminuisce (al limite zero) con l’aumentare della velocità. Tutto ciò ha lo scopo di ridurre il ritardo del controllo P.I. nell’innestare un rapporto desiderato, soprattutto durante lo spunto (partenza da fermo) ovvero lì dove si verificano forti variazione di velocità (accelerazioni) e conseguentemente brusche variazioni del rapporto ottimo Zd_opt. In effetti fornendo al P.I. un valore obiettivo maggiorato, grazie al fattore di correzione, si accelera il P.I. nell’aggancio del rapporto Zd_opt.

La sezione di Main denominata “controllo in posizione” (143) genera la richiesta di direzione e velocità motore per il basso livello del controllo motore, con lo scopo di inseguire una posizione cambio desiderata definita come posizione obiettivo. Posto che la posizione del cambio è valutata rispetto alla posizione di riferimento o di full UnderDrive, la quale è posta a zero, (il Main azzera la variabile posizione in fase di inizializzazione), allora la variabile posizione aumenta (in modulo) man mano che l’attuatore del cambio si muove nella direzione di OverDrive, e assume valore massimo quando il cambio raggiunge la posizione di full OverDrive. Lo schema del controllo in posizione è mostrato nella Fig.25. Come mostrato in figura, il controllo in posizione effettua la differenza tra la posizione obiettivo (198) e quella attuale (191) e genera una richiesta di OverDrive (184), al basso livello, se la posizione obiettivo è maggiore (in modulo) di quella attuale e di UnderDrive (183) nel caso opposto, o, altrimenti, si ha una richiesta di Brake (185) qualora le posizioni coincidano. Un controllore (187) proporzionale integrale (P.I.) (come quello visto in precedenza), integrato nel suddetto controllo genera, invece, il valore di duty cycle (186) per il basso livello utilizzando l’errore assoluto tra la posizione desiderata e quella attuale.

Il controllo in posizione prevede una mappa c.d. calibrata (189) che genera la posizione obiettivo in funzione della velocità ruota (o della bici) (190). La mappa è definita calibrata perché deriva da una “calibrazione” del cambio CVT al fine di stimare (in linea di massima) il rapporto di marcia in funzione della posizione del rotismo dell’attuatore. In effetti la mappa è ottenuta determinando, per mezzo della calibrazione, la posizione del cambio tale da attuare quel rapporto Z che assicuri la cadenza di pedalata pari a circa ωP,opt (definita prima) per una data velocità ruota (o della bici). (Si precisa che la calibrazione permette di ottenere una relazione di massima tra la pozione dell’attuatore e il rapporto di trasmissione, dato che il rapporto reale, per una data posizione del cambio, può essere soggetto a leggere variazioni: motive per cui si utilizza il controllo in Z per inseguire il rapporto ottimo.)

Posto che tale controllo è attivo solo quando non vi è trasferimento di potenza (cioè quando la bicicletta avanza per inerzia), allora il controllo assicura che una volta ripresa la pedalata, il rapporto di trasmissione iniziale sia adeguato alla velocità di ripartenza.

Altri algoritmi di alto livello sono quello per la gestione dell’alternatore e della batteria. In particolare l’algoritmo per la gestione dell’alternatore è attivo solo se l'alternatore dispone di un circuito di rifasamento a capacità multiple, come quello descritto in precedenza. Quindi lo scopo di tale algoritmo è quello di calcolare il valore della capacità di rifasamento al variare della velocità, per poi pilotare i relè del circuito di rifasamento in modo tale da realizzare una capacità equivalente (Ceq) approssimabile a quella calcolata. La capacità di rifasamento (C) è calcolata in modo tale che l'impedenza equivalente (Zeq) del circuito composto dall’alternatore e dal rifasamento abbia parte immaginaria nulla. Quindi dato il circuito equivalente (192a) rappresentato nella Fig.26, si ottiene la seguente relazione:

In particolare, noti i parametri dell'alternatore quali la sua resistenza interna (Ralt) e soprattutto la sua induttanza (Lalt) è possibile calcolare la C di rifasamento ideale in funzione della frequenza (ω) di alternatore imponendo la parte immaginaria di Zeq nulla. Risulta quindi:

Posto che la frequenza è proporzionale alla velocità di rotazione dell'alternatore e quindi alla velocità di avanzamento, il MCU può calcolare infine il valore di C in funzione di quest'ultima. A questo punto il MCU deve pilotare i relè in modo tale da realizzare una capacità equivalente che approssimi quella ideale calcolata secondo la relazione precedente. Dunque, considerando il circuito di rifasamento variabile (62b), descritto precedentemente in Fig.8, la Ceq sarà uguale alla somma di C0 (64) e delle C (64) per le quali il rispettivo relè (65) è attivo. Quanto appena asserito è riassunto nella tabella 62t rappresentata nella Fig.8 che mostra il valore della Ceq per tutti gli stati di rifasamento possibili (combinazione dei <relè attivi/disattivi). In particolare, posto che:>

allora la Ceq assume valore crescente (C0, C0+C2, C0+C1, C0+C1+C2) man mano che lo stato di rifasamento (0-3) aumenta. Quindi l’algoritmo confronta il valore di C calcolato all’attuale velocità di avanzamento, con la Ceq di ogni stato possibile, e seleziona lo stato tale che la Ceq associata approssimi di più la C calcolata. Ne risulta quindi che l’algoritmo seleziona lo stato di rifasamento secondo le condizioni elencate nella tabella 192b di Fig.26. Infine, il basso livello di rifasamento, integrato nell’algoritmo in parola, pilota le uscite digitali del MCU, in modo da attuare i relè in accordo con lo stato di rifasamento selezionato dall’alto livello.

L’algoritmo di gestione della batteria, invece, gestisce la carica di quest’ultima e le funzioni di risparmio energetico nel caso l’alternatore (o il generatore esterno) non stia fornendo energia alla ECU. L’algoritmo in parola è preceduto da una parte di basso livello necessaria alla lettura dei canali digitali di ingresso del MCU relativi ai segnali di stato carica (CHRG) e fine carica (END) prodotti dal circuito di alimentazione (IC di carica). Lo scopo del basso livello è determinare le variabili “booleane” associate a tali segnali. In particolare, l’IC di carica prima descritto può generare i segnali CHRG e END in logica c.d. “diretta”, cioè tale che alla combinazione dei loro due possibili valori logici sia associato lo stato che è rappresentato nella tabella 77a della Fig.12. Alternativamente, l’IC di carica può essere del tipo a logica c.d. “negata”, come dimostra la tabella 77b della Fig. 10. Il basso livello legge quindi gli stati logici sui “pin” di input e, indipendentemente del tipo di logica del circuito di carica (diretta o negata), genera le variabili booleane di END e di CHRG sempre in logica diretta (quindi inverte le variabili, se l’IC di carica è del tipo a logica negata).

Terminato il basso livello viene eseguita la logica di alto livello, cioè l’algoritmo di gestione della batteria. Il flusso logico dell’algoritmo è mostrato nella Fig.27. In particolare, si noti come negli stati iniziali l’algoritmo monitori (193) le variabili di stato carica (CHRG) e fine carica (END) per verificare se la batteria è supportata o meno dall’alternatore o dal generatore esterno. Infatti, se almeno una di queste due variabili è vera (194), ciò significa che la batteria è isolata dalla ECU e il sistema è completamente alimentato dall’alternatore o dal generatore esterno. Nel caso opposto (195), invece, è la batteria ad alimentare i dispositivi elettrici della ECU, quindi essa si trova in fase di scarica. All’interno dell’algoritmo è presente, dunque, un contatore per misurare l’intervallo di tempo durante il quale la batteria è in tale fase di scarica. Quindi se le variabili stato carica (CHRG) e fine carica (END) sono entrambe false allora tale contatore viene incrementato (196), mentre nel caso opposto (almeno una vera), il contatore è azzerato (197). Ad ogni incremento del contatore, il suo valore è confrontato (198) con una soglia di riferimento o TimeOut: se a seguito di tale confronto, il contatore risulta maggiore del TimeOut (199) allora l’algoritmo attiva la funzione c.d. di ECO-Mode (200). Posto quindi che l’ECO-Mode è eseguito solo se la batteria si trova in fase di scarica per un tempo prolungato (>TimeOut), come ad esempio durante una sosta lunga, il suo obiettivo consiste nel limitare al minimo l’assorbimento di corrente della batteria per preservarne quanto più possibile la carica. La fase di ECO-Mode è gestito dal basso livello e, una volta attiva, tutte le operazioni del firmware sono interrotte, cioè lo Scheduler e i vari Task non sono più eseguiti. L’unico modo per uscire (205) dallo stato di ECO-Mode, ridando quindi il controllo allo Scheduler, è tramite interrupt sul pin dello stato carica (CHRG). Se invece la batteria è in fase di carica (CHRG = 1 o END = 1) ed in particolare è verificato solo lo stato carica, (END = 0) (201) allora l’algoritmo in questione esegue la logica di “Controllo Carica” (203) la quale provvede a selezionare la corrente di carica della batteria. Infine l’algoritmo, passa allo stato denominato “Calcolo SOC” (204) che esegue il calcolo del c.d. “stato di carica” (o <SOC) della batteria secondo la seguente relazione (metodo di Coulomb):>

Dove SOCn e SOCn-1 sono rispettivamente lo stato carica all’esecuzione corrente e precedente dell’algoritmo, mentre ∆t è l’intervallo temporale di esecuzione del Task; Ibat è la corrente circolante nella batteria con segno positivo se è uscente dalla batteria, come in una fase di scarica, o segno negativo nel caso opposto, ovvero in fase di carica (Ibat è misurata da ADC differenziale nell’ADC Task o Bus Task); C, infine, è la capacita amperometrica della batteria espressa in mAh. Il SOC è compreso tra 0 e 1, dove 1 indica lo stato di batteria completamente carica, mentre lo 0 sta per batteria completamente scarica. Posto poi che la batteria al litio non deve mai essere portata sotto una certa soglia di scarica altrimenti potrebbe danneggiarsi, allora una volta calcolato il SOC, questo viene confrontato con un valore di soglia (206), e se il SOC risulta inferiore (207) allora l’algoritmo decide di entrare subito nello stato di ECO-Mode, altrimenti (208) l’algoritmo termina il suo ciclo è il controllo è ceduto allo Scheduler per una nuova esecuzione. È da precisare che lo stato di calcolo del SOC è eseguito anche in fase di scarica della batteria (209) dato che è necessario aggiornare il valore del SOC ad ogni esecuzione dell’algoritmo, fatta eccezione del caso in cui lo stato di fine carica è verificato (END = 1) (202) dato che, in questo caso, il SOC può essere posto direttamente ad 1 (209) e il controllo ceduto allo Scheduler.

Lo stato di L’ECO-mode, come detto prima è una funzionalità di risparmio energetico col fine di preservare la carica della batteria, qualora l’alternatore (o il generatore esterno) non eroghi più energia al sistema, come per esempio durante una sosta lunga. Posto che l’ECO-mode agisce solo sulle componenti hardware interne (clock) ed esterne dell’MCU (pin di IO), si tratta di una parte del firmware esclusivamente di basso livello. In riferimento alla Fig.12 il MCU pilota a valore logico basso il pin di Enable (57), solo nello stato di ECO-Mode, mentre esso è sempre posto a valore logico alto negli altri stati. Ciò significa che esclusivamente in fase di ECO-mode, i circuiti di regolazione (DC-DC) (50) sono inattivi e conseguentemente le alimentazioni Vcc, Vmot e Vaux (58) sono spente. Il MCU, di contro, è alimentato direttamente dalla batteria, grazie al circuito di by-pass (59) così come descritto in precedenza. Posto che in ECO-Mode tutti i dispositivi della ECU sono spenti, fatta eccezione del MCU, lo Scheduler, e i quindi vari Task, non sono più eseguiti. Inoltre il MCU è posto in uno stato c.d. di “Sleep”, nel senso che il basso livello di ECO-Mode provvede a disattivare i clock interni del MCU oppure, laddove ciò non sia possibile, ne riduce di molto la loro frequenza, in modo tale che la corrente assorbita dal MCU sia ridotta al minimo.

Quindi in ECO-Mode il carico della batteria sarà costituito esclusivamente dal MCU, che trovandosi in stato di “Sleep”, avrà un consumo così ridotto da garantire la durata della batteria per un tempo indefinito. Ciò posto, l’unico modo per uscire dall’ ECO-Mode è tramite interrupt, dato che lo Scheduler non è più attivo. Conseguentemente, si abilita, prima della fase di Sleep, un interrupt sul pin stato carica (CHRG) per “rianimare” il MCU e uscire dallo stato di ECO-Mode: a tale interrupts è associata una ISR c.d. di WakeUp che “risveglia” appunto il MCU riattivando i suoi clock interni, “resettando” altresì le variabili globali, tra cui la variabile Init descritta prima (ponendola a vero) e riattivando lo Scheduler, cosicché i vari Task possono di nuove essere eseguiti. Infine la ISR di WakeUp disattiva l’interrupt sul pin di CHRG, in modo che tale ISR non venga più richiamata fino a quando l’ECO-Mode non sarà di nuovo attivo.

Ciò posto, se il sistema si trova in ECO-mode, come nel caso di una sosta prolungata, e l’alternatore ritorna a ricaricare la batteria perché la bici è messa in movimento (oppure si collega l’alimentatore esterno), allora si produce un cambio di stato sul pin CHRG dell’IC di carica e di conseguenza si attiva la ISR di WakeUp e il MCU ritorna ad eseguire di nuovo le normali operazioni assegnategli. Ne risulta che la funzione di ECO-Mode è del tutto automatica, ovvero non si prevede alcun intervento da parte del ciclista né per avviare la modalità di risparmio energetico, quando essa risulta necessaria (soste lunghe o batteria troppo scarica), né al contrario si dovrà intervenire per riattivare il sistema, posto che basterà movimentare la bicicletta.

La sezione dell’algoritmo di batteria, denominata controllo della corrente, seleziona la corrente di carica per la batteria. Il flusso logica di detta logica è mostrato in Fig.28. Posto che la batteria può essere caricata sia da alternatore che dal generatore esterno, il primo passo di tale algoritmo è verificare quale sia la sorgente di alimentazione. A tal scopo la logica verifica lo stato logico (211) del segnale di feedback sul pin digitale AC Adp (57). Infatti se questo è a valore logico alto, allora il circuito di batteria è collegato all’alimentatore esterno mentre nel caso opposto, ovvero valore logico basso l’alimentatore non è collegato, e la ricarica può essere effettuata solo tramite l’alternatore. Nel primo caso (212) allora la logica pilota il circuito di carica direttamente a 1C o al massimo valore dell’IC di carica (Cmax) al fine di ricaricare quanto più velocemente possibile la batteria. Nel caso opposto (213), la logica seleziona accuratamente la corrente di carica da fornire alla batteria. In effetti correnti maggiori implicano tempi di ricarica più brevi, ma di contro richiedono un maggiore assorbimento di potenza dall’alternatore. Posto poi che la potenza erogabile dall’alternatore è limitata (per non sottrarre eccessiva energia al ciclista), è necessario selezionare adeguatamente la corrente in funzione della potenza disponibile. La potenza di alternatore varia in funzione della sua velocità di rotazione e quindi in funzione della velocità di avanzamento della bicicletta. Inoltre, l’alternatore alimenta anche i dispositivi della ECU (MCU, sensori, ecc.…) ed il motore dell’attuatore cambio, quindi la potenza fornibile alla batteria sarà al più tale che la somma della potenza complessivamente assorbita dalla ECU non ecceda la massima potenza erogabile dall’alternatore. È dunque importante che la ECU, ed il motore, non assorbano eccessiva potenza, infatti come descritto prima la ECU (MCU e periferiche/sensori) deve avere un consumo inferiore o uguale a 0.5W mentre il motore assorbire intorno ai 2W.

Posti tali valori di potenza, se la potenza massima erogabile dall’alternatore fosse, ad una certa velocità, di 3W, allora la corrente di carica massima erogabile sarebbe intorno a 100mA cioè 0.5W diviso la tensione stabilizzata di alternatore (VAltRef) che è circa 5V. Da ciò deriva che se si utilizzasse una batteria da 400mAh l’alternatore sarebbe in grado di caricare la batteria al massimo a 0.25C. Per stimare la potenza massima erogabile dall’alternatore, l’algoritmo monitora la tensione di alternatore (prima del regolatore misurata dall’ADC Task o Bus Task), la quale può fornire una stima secondo la relazione che segue:

Dove η è l’efficienza complessiva del sistema (0.8-0.9) e Icc è la corrente di corto circuito dell’alternatore che è costante (costante del firmware) con la velocità a meno che non sia stato eseguito un rifasamento variabile dell’alternatore. In quest’ultimo caso, una mappa è caricata all’interno del firmware, la quale è generata da una calibrazione dell’alternatore e permette di associare ad ogni valore di velocità, la corrente di corto circuito <I>cc corrispondente. Da <P>max si sottrae la potenza assorbita dal motore (<P>act) e dalla ECU (PECU) (entrambi i valori memorizzati del firmware come constanti, ed ottenuti dalle specifiche dei componenti) per ottenere, infine, la potenza massima cedibile alla batteria definita come Pbat,max. Risulta quindi: Pbat,max = Pmax - (PECU + Pact).

Da Pbat,max, la logica determina la massima corrente erogabile alla batteria (214), definita <I>bat,max, dividendo <P>bat,max per <V>AltRef. Quindi si utilizza tale valore <I>bat,max per decidere quale corrente di carica attuare tra quattro possibili scelte, quali 0.1C, 0.25C, 0.5C, e al più 0.75C. In particolare la logica seleziona il valore di corrente, tra quelli possibili, che approssima per difetto, il valore di Ibat,max (215). Infine la parte di basso livello, integrata nel Task di gestione della batteria, attua la scelta della corrente, pilotando adeguatamente in PWM il pin di controllo di carica del MCU. Posto che il circuito di carica è progettato per regolare la corrente di carica tra 0.1C e 1C allora il valore di duty-cycle del segnale in PWM, necessario a garantire un certo valore di corrente di carica (indicata con Ctarget), può essere <espresso con la formula seguente:>

Altro algoritmo di alto livello è l’IMU (119) che elabora le misure dei sensori c.d. inerziali quali accelerometro, giroscopio e magnetometro (ed eventualmente il barometro), al fine di ottenere l’assetto della bicicletta ovvero la sua orientazione nello spazio e, in particolare, l’angolo di beccheggio che corrisponde di fatto alla pendenza strada.

In letteratura sono descritti diversi algoritmi per il calcolo dell’assetto, partendo dalle misure inerziali definite prima, si cita a titolo di esempio l’algoritmo c.d. di “filtro complementare”, oppure di “filtro esteso di kalman”. Pertanto si implementerà nell’algoritmo di IMU uno di tali algoritmi descritti in letteratura al fine di determinare le variabili di interesse.

Le periferiche ausiliare sono gestite da un Task apposito di alto livello definito AUX (119) per eseguire le operazioni software necessarie alla loro gestione. Dato che tali periferiche sono opzionali e non necessarie al funzionamento del sistema cosi descritto, non si intende sviluppare una descrizione accurata di tale gestione. Del resto si è fatta menzione di tale Task, al fine di descrivere l’architettura complessiva del firmware e come strutturarlo nel caso si disponessero di periferiche ausiliarie al MCU. Quindi non si è posta alcuna rivendicazione riguardante il Task in questione.

All’esito della trattazione, preme evidenziare come si sia cercato di illustrare un sistema completo di una bicicletta a cambio automatico completamente autosufficiente dal punto di vista elettrico, in grado di attuare il rapporto che in assoluto produca il miglior vantaggio in termini di confort guida.

Claims (26)

1. Titolo: Sistema di Cambio CVT automatico per biciclette non elettriche RIVENDICAZIONI 1. Un sistema di controllo di una trasmissione per biciclette a propulsione esclusivamente umana, composto da: a) un cambio di tipo CVT integrato all’interno del mozzo ruota posteriore e dotato di una OWC per disaccoppiare meccanicamente la ruota posteriore dal pignone; b) un’unità elettronica di controllo: ECU (6), dotata di un’unità di elaborazione e calcolo (250); c) un primo sensore di coppia e velocità (4) del pedale per determinare la velocità dell’insieme pedale/pedivella e la coppia erogata in corso di pedalata; d) un secondo sensore di velocità ruota per determinare la velocità della ruota della bicicletta; e) un attuatore motorizzato (7) per modificare il rapporto di trasmissione; f) un terzo sensore di posizione per determinare la posizione del rotismo dell’attuatore (9); g) un alternatore integrato nel mozzo della ruota anteriore (2); h) un dispositivo di accumulo di energia elettrica a bassa capacità (3) connessa alla ECU; i) un apparato elettrico di alimentazione (40), connesso all’alternatore e al dispositivo di accumulo di energia elettrica; j) una pluralità di sensori c.d. ambientali (105) integrati in detta ECU comprendenti sensori di temperatura, pressione, accelerazione, giroscopici e magnetometri; k) una pluralità di periferiche (106-107), preferibilmente integrati in detta ECU, e connessi all’unita di calcolo ed elaborazione in modo tale da espandere le operazioni hardware/software eseguibili da detta unità di elaborazione; tale sistema è caratterizzato dal fatto che: i. la ECU riceva ed elabori i segnali dai sensori di coppia, velocità e posizione e, successivamente, determini la velocità della pedivella la velocità ruota la coppia media erogata e la posizione del rotismo dell’attuatore

   ii. la ECU riceva ed elabori i segnali dai c.d. sensori ambientali e ricavi la temperatura ambiente la pressione ambiente e la pendenza strada; iii. la ECU determini il rapporto di trasmissione attuale come il rapporto tra la velocità ruota e la velocità della pedivella quando questa è diversa da zero; iv. la ECU determini lo stato di accoppiamento meccanico della OWC in funzione delle misure della velocità ruota e pedale; v. la ECU determini un rapporto desiderato quando lo stato della OWC è in presa; vi. la ECU determini, una posizione obiettivo del rotismo dell’attuatore quando lo stato della OWC non è in presa; vii. la ECU controlli l’attuatore modulando la velocità e la direzione di avanzamento, così che il rapporto attuale coincida con quello desiderato quando lo stato della OWC è in presa; viii. la ECU controlli l’attuatore modulandone la velocità e la direzione di avanzamento, così che la posizione dell’attuatore coincida con quella obiettivo quando la OWC non è in presa; ix. l’apparato di alimentazione fornisca l’energia elettrica alla ECU, tramite l’alternatore, quando la bicicletta è in movimento; x. l’apparato di alimentazione ricarichi il dispositivo di accumulo di energia elettrica, tramite l’alternatore, quando la bicicletta è in movimento; xi. l’apparato di alimentazione alimenti la ECU, tramite il dispositivo di accumulo di energia elettrica, quando la bicicletta è ferma; xii. la ECU, agendo su detto apparato di alimentazione, tramite una pluralità di segnali di controllo, selezioni la corrente di carica di detto dispositivo di accumulo di energia elettrica, quando questo è in carica; xiii. la ECU, agendo su detto apparato di alimentazione, tramite una pluralità di segnali di controllo, limiti la corrente assorbita da detto dispositivo di accumulo quando questo non è in carica per oltre un certo periodo temporale, oppure è eccessivamente scarico.
2. 2. Il sistema, secondo la rivendicazione 1, dove il sensore di coppia e velocità pedale è integrato nel movimento centrale della bicicletta, e comprende una ruota fonica (38-39) ed elementi sensibili alla torsione montati su un componente solidale con il perno centrale della pedivella (29a, 29b);
3. 3. Il sistema, in accordo alla rivendicazione 1 e 2, dove detto sensore di velocita ruota è costituito da una ruota fonica (10), montata sulla ruota posteriore oppure costituito dallo stesso alternatore (2).
4. 4. Il sistema secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 3, dove detto sensore di posizione dell’attuatore è costituito da un encoder incrementale (9) accoppiato con il rotismo dell’attuatore.
5. 5. Il sistema secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 4, dove detta ECU comprende un circuito elettronico di pilotaggio (100) di detto attuatore motorizzato, caratterizzato dal fatto di modulare la velocità di attuazione, la direzione di attuazione e di franare l’attuatore tramite una pluralità di segnali di controllo generati dalla ECU, ed includere inoltre una sonda di corrente (104) connessa alla ECU.
6. 6. Il sistema, in accordo alle rivendicazioni precedenti dove detta pluralità di periferiche, preferibilmente integrati in detta ECU, comprende le seguenti periferiche: a) una periferica Bluetooth e/o Wi-Fi, per trasmettere o ricevere dati da e verso dispositivi wireless; b) una periferica per salvataggio dati su supporto di memoria esterno; c) una periferica USB Host per collegare un qualunque dispositivo USB all’ unità di elaborazione e calcolo;
7. 7. Il sistema in accordo alle rivendicazioni precedenti dove detto dispositivo di accumulo dell’energia elettrica è costituito da una batteria al litio a singola cella.
8. 8. Apparato di alimentazione per il sistema di controllo di una trasmissione per biciclette a propulsione esclusivamente umana che include: a) un cambio meccanico di tipo CVT integrato all’interno del mozzo della ruota, dotato di una OWC per disaccoppiare meccanicamente la ruota posteriore dal pignone; b) un’ unità elettronica di controllo: ECU (6), dotata di un’unità di elaborazione e calcolo (250); c) un primo sensore di coppia e velocità (4) del pedale per determinare la velocità dell’insieme pedale/pedivella e la coppia erogata in corso di pedalata; d) un secondo sensore di velocità ruota per determinare la velocità della ruota della bicicletta; e) un attuatore motorizzato (7) per modificare il rapporto di trasmissione, pilotato dalla ECU; f) un terzo sensore di posizione per determinare la posizione del rotismo dell’attuatore (9); g) un alternatore integrato nel mozzo della ruota anteriore;(2) h) un dispositivo di accumulo di energia elettrica a bassa capacità (3) connessa alla ECU; i) una pluralità di sensori ambientali (105) integrati in suddetta ECU comprendenti sensori di temperatura pressione accelerazione giroscopio e magnetometro; j) una pluralità di periferiche (106-107) preferibilmente integrati in detta ECU e connessi all’unita di calcolo ed elaborazione in modo tale da espandere le operazioni hardware/software eseguibili da detta unità di elaborazione; dove detto apparato di alimentazione è costituito da: i. un circuito elettronico, c.d. di alternatore (41), alimentato da detto alternatore e configurato per generare una tensione costante e continua (VAltRef), definita linea di alimentazione primaria, in grado di ricaricare correttamente detto dispositivo di accumulo di energia elettrica; ii. un circuito elettronico c.d. di carica (77) per ricaricare correttamente detto dispositivo di accumulo di energia elettrica, alimentato da detta alimentazione primaria, e caratterizzato dal fatto di regolare la corrente di carica in funzione di un segnale di controllo generato dalla ECU ed inoltre di generare una pluralità di segnali per informare la ECU sullo stato di carica di detto dispositivo di accumulo di energia elettrica; iii. un circuito elettronico c.d. di Load-Sharing (80) connesso a detto dispositivo di accumulo e detta l’alimentazione primaria e dotato di un interruttore elettronico con elettrodo di controllo (81) connesso all’alimentazione primaria e caratterizzato dal fatto di scollegare detto dispositivo di accumulo di energia dai circuiti a valle, quando l’alimentazione primaria è attiva; iv. un circuito elettronico di regolazione di tensione (50) alimentato dal circuito di Load-Sharing configurato per generare più linee di tensione per alimentare i dispositivi della ECU e caratterizzato dal fatto di potere essere attivato, o disattivato, per mezzo di un segnale di controllo di detta ECU; v. circuito c.d. di Bypass (59) dotato di un interruttore elettronico con elettrodo di controllo (87) connesso a detto circuito di regolazione e caratterizzato dal fatto di collegare la sola unità di elaborazione e calcolo (250), direttamente al dispositivo di accumulo di energia elettrica, quando il circuito di regolazione è disattivato; vi. sonde di tensione (51) e di corrente (52) interposte tra le connessioni elettriche di detto apparato di alimentazione e detto dispositivo di accumulo di energia elettrica, e connesse alla ECU in modo tale che la ECU sia in grado di misurare la tensione ai capi di detto dispositivo di accumulo, e la corrente che circola in detto dispositivo di accumulo di energia elettrica; vii. sonde di tensione (46) e corrente (47) interposte tra le connessioni elettriche di detto apparato di alimentazione e detto alternatore, e connesse alla ECU in modo tale che la ECU sia in grado di misurare la tensione ai capi di detto alternatore, e la corrente istantanea di detto alternatore; detto apparato di alimentazione è inoltre configurato per essere collegato ad una sorgente esterna di alimentazione (VExt) (48) in grado di fornire l’alimentazione primaria, in sostituzione dell’alternatore.
9. 9. Apparato di alimentazione in accordo alla rivendicazione 8 dove detto circuito elettronico di alternatore include un raddrizzatore costituito da un ponte a diodi schottky o da un ponte a MOSFET.
10. 10. Apparato di alimentazione in accordo alle rivendicazioni 8 e 9 dove detto circuito di alternatore include un circuito di rifasamento (43) per ridurre la componente reattiva dell’alternatore.
11. 11. Apparato di alimentazione in accordo alla rivendicazione 10 dove detto circuito di rifasamento è composto da una capacità (62a) posta in serie tra l'alternatore e il raddrizzatore, oppure una pluralità di capacita (62b) poste in serie tra l'alternatore e il raddrizzatore connesse tramite una pluralità di dispostivi di commutazione elettrica pilotabili dalla ECU in modo che detta ECU, attivando o disattivando detta pluralità di dispositivi di commutazione, realizzi una capacità risultante variabile in funzione della frequenza della corrente di detto alternatore.
12. 12. Metodo di controllo di una trasmissione per biciclette a propulsione esclusivamente umana composta da: a) un cambio meccanico di tipo CVT integrato all’interno del mozzo ruota posteriore e dotato di una OWC per disaccoppiare meccanicamente la ruota posteriore dal pignone; b) un’unità elettronica di controllo: ECU (6), dotata di un’unità di elaborazione e calcolo (250); c) un primo sensore di coppia e velocità (4) del pedale per determinare la velocità dell’insieme pedale/pedivella e la coppia erogata in corso di pedalata; d) un secondo sensore di velocità ruota per determinare la velocità della ruota della bicicletta; e) un attuatore motorizzato (7) per modificare il rapporto di trasmissione f) un terzo sensore di posizione per determinare la posizione del rotismo dell’attuatore (9); g) un alternatore integrato nel mozzo della ruota anteriore (2); h) un dispositivo di accumulo di energia elettrica a bassa capacità (3); i) un apparato elettrico di alimentazione (40), connesso all’alternatore e al dispositivo di accumulo di energia elettrica; j) una pluralità di sensori ambientali (105), integrati in detta ECU, comprendenti sensori di temperatura, pressione, accelerazione, giroscopici e magnetometri; k) una pluralità di periferiche (106-107), preferibilmente integrati in detta ECU, e connessi all’unita di calcolo ed elaborazione in modo tale da espandere le operazioni hardware/software eseguibili da detta unità di elaborazione; detto metodo include le fasi di: i. determinare attraverso i sensori di coppia, velocità e posizione la velocità attuale della pedivella, la velocità ruota la coppia media erogata

    per ogni mezzo giro di pedivella, e la posizione del rotismo dell’attuatore

    ii. determinare attraverso i c.d. sensori ambientali la temperatura ambiente, la pressione ambiente e la pendenza strada; iii. determinare il rapporto di trasmissione attuale come il rapporto tra la velocità ruota e la velocità della pedivella quando questa è diversa da zero; iv. determinare lo stato di accoppiamento meccanico della OWC in funzione delle misure della velocità ruota e pedale (139); v. determinare un rapporto desiderato quando lo stato della OWC è in presa; vi. determinare una posizione obiettivo del rotismo dell’attuatore, quando la OWC non è in presa; vii. controllare l’attuatore modulando la velocità e la direzione di avanzamento così che il rapporto attuale coincida con quello desiderato quando la OWC è in presa; viii. controllare l’attuatore modulandone la velocità e la direzione di avanzamento così che la posizione dell’attuatore coincida con quella desiderata quando la OWC non è in presa; ix. selezionare la corrente di carica di detto dispositivo di accumulo di energia elettrica, quando detto dispositivo di accumulo è in carica; x. limitare la corrente assorbita da detto dispositivo di accumulo di energia elettrica, quando questo non è in carica per oltre un certo periodo temporale, oppure è eccessivamente scarico.
13. 13. Metodo di controllo in accordo alla rivendicazione 12 in cui detta posizione del rotismo dell’attuatore è determinata misurando, tramite detto sensore di posizione, lo spostamento relativo dell’attuatore rispetto ad una posizione di riferimento, includendo la fase di: i. ad ogni accensione del sistema, l’attuatore è pilotato con l’obiettivo di raggiungere il fine corsa e detta posizione di riferimento e registrata quando la corrente elettrica assorbita dall’attuatore è superiore ad una certa soglia per un oltre un certo periodo temporale.
14. 14. Metodo di controllo in accordo alla rivendicazione 12 e 13 in cui la determinazione dello stato di accoppiamento meccanico della OWC, include la verifica di entrambe le seguenti condizioni logiche: i) le velocità ruota e la velocità pedale sono entrambe diverse da zero; ii) almeno una accelerazione ruota o pedale è maggiore di zero; ed è caratterizzato dal fatto che lo stato della OWC è ritenuto essere in presa se entrambe le condizioni logiche sono vere.
15. 15. Metodo di controllo in accordo alle rivendicazioni 12 a 14 caratterizzato dal fatto che la coppia media erogata dal ciclista per ogni mezzo giro di pedivella, è calcolata come il valore efficace di un lobo di sinusoide avente ampiezza il valore della coppia di picco, corrispondente alla coppia erogata dal ciclista quando la pedivella è parallela al suolo, calcolata attraverso le seguenti fasi: i) determinare l’angolo di pedivella come integrale della cadenza di pedalata misurata; ii) determinare la coppia di picco come il valore di coppia misurato quando detto angolo di pedivella vale circa π/2; iii) azzerare detto angolo di pedivella quando la coppia misurata è circa zero: condizione corrispondente alla pedivella perpendicolare al suolo.
16. 16. Metodo di controllo in accordo alle rivendicazioni da 12 a 15 caratterizzato dal fatto che il rapporto di trasmissione desiderato è calcolato in funzione della coppia media erogata e della velocità ruota ( ω R) attraverso le seguenti fasi: i.) stimare, in una fase preliminare, una mappa di efficienza (144) caratterizzata da associare ad ogni combinazione di velocità pedale e coppia pedale un certo valore di efficienza di pedalata, utilizzando i seguiti criteri di stima: a. all’aumentare della velocità di pedalata, oltre una certa soglia, l’efficienza diminuisce in modo proporzionale; b. all’aumentare della coppia al pedale, l’efficienza diminuisce in modo proporzionale; c. l’efficienza aumenta quando coppia e velocità sono ben bilanciate; ii.) individuare, in detta fase preliminare, per ogni valore di potenza erogabile ( P), la combinazione velocità pedale e coppia pedale (ωP; FP) a cui corrisponde, in detta mappa di efficienza, il valore più grande, individuando cosi, nel piano (ωP; FP), la curva ideale (158); iii.) approssimare la forma di detta curva ideale con una funzione matematica parametrica del tipo dentificata univocamente da un pluralità di parametri; iv.) determinare detto rapporto desiderato ( risolvendo, analiticamente o numericamente, rispetto a Z, l’equazione della curva ideale, essendo sostituibile il termine ωP con il rapporto di trasmissione Z, secondo la <relazione Z=ωR/ωP,.>
17. 17. Metodo di controllo in accordo alla rivendicazione 16 caratterizzato dal fatto che la funzione della curva ideale è un generico polinomio in ωP di ordine n, con n maggiore o uguale di 2, e detta pluralità di parametri corrisponde ai coefficienti di detto polinomio.
18. 18. Metodo di controllo in accordo alla rivendicazione 16, in cui detta pluralità di parametri della curva ideale sono soggetti a variazione in funzione della temperatura e della pressione ambiente.
19. 19. Metodo di controllo in accordo alla rivendicazione 16, in cui detta pluralità di parametri della curva ideale sono soggetti a variazione in funzione della pendenza strada.
20. 20. Metodo di controllo in accordo alla rivendicazione 16, dove detti parametri della curva ideale sono soggetti a variazione in funzione del grado atletico del ciclista.
21. 21. Metodo di controllo in accordo alle rivendicazioni dalla 12 alla 20 caratterizzato dal fatto che la posizione obiettivo è determinata in funzione della velocità ruota, attraverso le seguenti fasi: a) determinare in fase preliminare di progetto una mappa di corrispondenza tra la posizione dell’attuatore e il rapporto di trasmissione; b) determinare un rapporto di trasmissione (Z) uguale al rapporto tra detta velocità ruota ) e un velocità di riferimento

    c) determinare detta posizione obiettiv come il valore di posizione corrispondente a detto rapporto di trasmissione (Z) in detta mappa di corrispondenza.
22. 22. Metodo di controllo in accordo alle rivendicazioni dalla 12 alla 21 caratterizzato dal fatto che il controllo dell’attuatore, per entrambi gli stati della OWC, è ottenuto variando la direzione e la velocità di attuazione, di detto attuatore, in modo da annullare il valore di un termine di deviazione (e) in accordo a: i) la direzione di avanzamento dell’attuatore è identificata dal segno di detta deviazione (e) (172/183-173/184); ii) la velocità di attuazione è proporzionale al valore assoluto di detta deviazione e al valore assoluto del termine integrale di detta deviazione (e) (176/187); ii.) l’attuatore è arrestato qualora detta deviazione è nulla (174/185); e dove detta deviazione (e) è calcolata, quando lo stato della OWC non è in presa, come la differenza tra la posizione obiettivo e la posizione attuale dell’attuatore, mentre è calcolato, quando lo stato della OWC è in presa, come la differenza tra il rapporto attuale (Zact) ed il rapporto desiderato più un termine di correzione (Zcorr) proporzionale all’accelerazione ruota (a) tramite un termine di proporzionalità (k) essendo detto termine di proporzionalità (k) sempre positivo e funzione (181) della velocità ruota (v) e tale da diminuire all’aumentare della velocità ruota.
23. 23. Metodo di controllo in accordo alla rivendicazione 22 che include ulteriori fasi di controllo del movimento dell’attuatore quali: i. Arrestare l'attuatore, attraverso un controllo in frenatura, quando durante la movimentazione lungo una certa direzione di attuazione, la corrente elettrica assorbita da detto attuatore risulta superiore ad una certa soglia per oltre un certo periodo temporale; ii. Arrestare completamente l’attuatore, attraverso un controllo in frenatura, prima di procedere ad una inversione del verso di attuazione dell’attuatore.
24. 24. Metodo di controllo in accordo alle rivendicazioni dalla 12 alla 24 dove la corrente di carica di detto dispositivo di accumulo di energia elettrica è selezionato in accordo a: a) variata tra la massima e la minima corrente erogabile da detto circuito di carica in funzione dalla massima potenza erogabile dall’alternatore, essendo questa stimata in funzione della tensione misurata ai sui capi, quando detto dispositivo di accumulo è caricato tramite detto alternatore (210); b) posta pari alla massima corrente erogabile da detto circuito di carica, quando detto apparato di alimentazione è connesso a detta sorgente esterna di energia elettrica.
25. 25. Metodo di controllo in accordo alle rivendicazioni dalla 12 alla 24 dove la limitazione della corrente assorbita dal dispositivo di accumulo di energia elettrica, quando questo non è in fase di carica, oltre un certo periodo di tempo, oppure è eccessivamente scarico (200), include che: i.) detto circuito di regolazione di tensione dell’apparato di alimentazione sia disattivato dalla ECU; ii.) detta unità di elaborazione e calcolo della ECU non esegua alcuna istruzione macchina; e dove detta fase di limitazione della corrente si disattivi, con conseguente attivazione dei circuiti di regolazione e dell’unità di elaborazione e calcolo, quando il dispositivo di accumulo è portato di nuovo in stato di carica (203).
26. 26. Programma per calcolatore per il sistema di controllo di una trasmissione per biciclette a propulsione esclusivamente umana, dove detto sistema è composto di: a) un cambio meccanico di tipo CVT integrato all’interno del mozzo ruota posteriore e dotato di ruota libera, o OWC, per disaccoppiare meccanicamente la ruota posteriore dal pignone. Il sistema include, in combinazione con il cambio CVT, i seguenti dispositivi: b) un unità elettronica di controllo: ECU (6), dotata di un’unità di elaborazione e calcolo (250); c) un primo sensore di coppia e velocità (4) del pedale per determinare la velocità dell’insieme pedale/pedivella e la coppia erogata in corso di pedalata; d) un secondo sensore di velocità ruota per determinare la velocità della ruota della bicicletta; e) un attuatore motorizzato (7) per cambiare il rapporto di trasmissione, e configurato per essere pilotato dalla ECU; f) Un terzo sensore per determinare la posizione del rotismo dell’attuatore (9); g) Un alternatore integrato nel mozzo della ruota anteriore;(2) h) un dispositivo di accumulo di energia elettrica a bassa capacità (3) connessa alla ECU; i) un apparato elettrico di alimentazione (40), connesso all’alternatore e al dispositivo di accumulo di energia elettrica; j) Una pluralità di sensori c.d. ambientali integrati (105) in suddetta ECU comprendenti sensori di temperatura, pressione, accelerazione, giroscopici e magnetometri; k) Una pluralità di periferiche (106-107), preferibilmente integrate in detta ECU, e connesse all’unita di calcolo ed elaborazione in modo tale da espandere le operazioni hardware/software eseguibili da detta unità di elaborazione; dove detto programma comprende un set finito di istruzioni eseguite da detta unità di elaborazione e divise in blocchi funzionali eseguiti nell’ordine seguente: a. un blocco funzionale di Setup (111) eseguito una sola volta all’accensione del sistema e atto a configurare l’unità di elaborazione e calcolo; b. un blocco funzionale di schedulazione (112) eseguito ciclicamente e configurato per pianificare l’esecuzione temporale di tutti gli altri blocchi funzionali, che risultano quindi eseguiti ripetutamente e ad intervalli regolari di tempo, e comprendenti: i) una pluralità di blocchi funzionale (115, 116, 117) per acquisire ed elaborare i segnali dei sensori e conseguentemente determinare le grandezze misurate da detti sensori; ii) un blocco funzionale principale per la gestione del rapporto di trasmissione (118); iii) un blocco funzionale (120) per la gestione dell’apparato di alimentazione incluse le funzioni per la selezione della corrente di carica del dispositivo di accumulo di energia elettrica e delle funzioni di limitazione della corrente erogata da detto dispositivo di accumulo; iv) un blocco funzionale (119) per la determinazione dell’assetto della bicicletta e conseguentemente la pendenza della strada elaborando le misure di detti sensori ambientali; v) un blocco funzionale (119) per gestire detta pluralità di periferiche; c. blocchi funzionali di interruzione (123), eseguibili ogni volta si presenta una variazione di stato dei segnali prodotti da detti sensori di velocità e posizione; caratterizzato dal fatto che ogni blocco funzionale è in grado di comunicare con un altro attraverso l’uso di variabili globali leggibili e modificabili da ogni blocco.