BR102015013598A2 - unidade de controle aperfeiçoada - Google Patents

Abstract

“unidade de controle aperfeiçoada”. uma unidade de controle é descrita por acionar um motor elétrico (m1) adaptado para mover uma barreira móvel, tal como um portão. para aperfeiçoar o controle da barreira durante a ação de fechamento, a unidade compreende um pwm com topologia de ponte h e estágio de comutação modulado (m4-m5, m7- m8) capaz de fornecer energia ao motor elétrico, um circuito de retroalimentação para ajustar a velocidade da barreira, e um elemento de armazenamento de energia elétrica (c2) o qual é posicionado em paralelo a ponte h e está adaptado para armazenar a energia vinda do motor durante a ação de fechamento da barreira, de modo a limitar as sobretensões através da ponte h.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção: "UNIDADE DE CONTROLE APERFEIÇOADA".

[001] Descrição [002] A invenção refere-se em geral a uma unidade de controle eletrônico para controlar barreiras móveis acionadas por um motor elétrico, tais como portões deslizantes ou basculantes aqui tomados como um exemplo.

[003] Os portões modernos são movidos por um motor elétrico acionado por uma unidade de controle eletrônico.

[004] O controle e gerenciamento do portão é particularmente difícil durante a fase de fechamento, quando a energia cinética do portão (menos uma pequena parte dispersa devido ao atrito) precisa ser dissipada na unidade de controle, na forma de energia elétrica, onde ela chega proveniente dos cabos conectados ao motor. Com este objetivo existem diferentes topologias de circuito. Muito grosseiramente, a ação de fechamento pode ser atingida provocando curto-circuito no motor, mas se gera uma parada violenta que é comercialmente inaceitável, ou em paralelo ao motor é inserido um resistor de dissipação constante, que não apenas determina um curso de fechamento dependente do peso do portão e de sua velocidade, mas também - por conseguinte, torna a reação/parada a obstáculos imprevistos incerta e/ou inadequada.

[005] Em algumas versões mais sofisticadas, um pequeno motor é controlado por um estágio de comutação de ponte H, que recebe energia de uma bateria e é modulado por PWM de ciclo aberto. O barramento CC é estabilizado em tensão pelo efeito de fixação de um ou mais zener, interno ou externo aos semicondutores da ponte. Este sistema apresenta grandes problemas de dissipação interna da energia elétrica criada pela energia cinética do portão e é, por conseguinte, inutilizável para motores de tamanho médio (velocidade de portão > 60 cm/s) e/ou para portões pesados (acima de400 kg). Além disso, o desempenho de fechamento é deficiente, basicamente estabelecido pelas variáveis mecânicas do portão (atrito) e pela cadeia cinemática do atuador.

[006] Por conseguinte, é desejável aperfeiçoar este estado da técnica, em particular, produzindo uma unidade de controle do tipo supramencionado que: [007] ofereça melhor desempenho no controle de fechamento do portão, e/ou [008] seja utilizável para motores de todos os tamanhos, e/ou [009] tenha resposta de intervenção mais rápida em caso de um obstáculo contra o portão, e/ou [010] elimine surgências no estágio de força de comutação, e/ou [011] recupere a energia cinética do portão fechado.

[012] Isto pode ser atingido com uma unidade de controle de acordo com a reivindicação 1. Demais variantes vantajosas estão contidas nas reivindicações dependentes.

[013] Está proposto uma unidade de controle para acionar um motor elétrico adaptado para mover uma barreira móvel, tal como um portão, compreendendo: [014] Um estágio de comutação modulado por PWM com topologia de ponte H(M4-M5, M7-M8) capaz de fornecer energia ao motor elétrico;

[015] um ciclo de retroalimentação para ajustar a velocidade da barreira;

[016] um elemento de armazenamento de energia elétrica (C2) que está posicionado em paralelo à ponte H e está adaptado para armazenar energia vindo do motor durante a ação de fechamento da barreira, de modo a limitar sobretensões através da ponte H.

[017] O uso de retroalimentação permite aperfeiçoar (acelerar) muito a resposta dinâmica da barreira, com encurtamento extremo da distância de fechamento em caso de um obstáculo e/ou com rastreamento exato de uma rampa de desaceleração regulada (que é impossível com os ciclos abertos conhecidos).

[018] Quando o portão tem que fechar rapidamente, a modulação PWM da ponte muda, desse modo mudando o ciclo de serviço para reduzir a corrente que circula no motor, e aumentando os períodos de comutação nos quais o motor injeta alta corrente no barramento CC. O elemento de armazenamento minimiza surgência de tensões e permite recuperar e/ou acumular energia em excesso durante a fase de fechamento. O benefício e o efeito são fundamentais quando a ponte H é energizada pela rede elétrica via diodos retificadores, porque então a corrente reversa do motor (até 50 A) pode não fluir nos diodos e se destruiría por sobretensões dos dispositivos de força.

[019] Como concretizações preferidas para o elemento de armazenamento, a serem usadas também em combinação, pode ser empregado: [020] - um capacitor elétrico, que serve não somente para estabilizar o barramento CC, mas seu dimensionamento de acordo com a invenção também irá impedir surgências de tensão;

[021] - uma bateria, em que se beneficia de sua baixa impedância interna para limitar surgências de tensão.

[022] A unidade de controle também pode compreender um circuito de proteção adaptado para criar um caminho de baixa impedância entre dois terminais do elemento de armazenamento a fim de dissipar excesso de energia e/ou impedir dano se o excesso de energia tiver um pico muito alto.

[023] A unidade de controle também pode compreender um circuito detector, incluído no ciclo de retroalimentação, para detectar uma tensão através do motor e um circuito condutor (por exemplo, um circuito programável como um microprocessador) para acionar periodicamente a ponte H em um estado de alta impedância para cada componente de suas duas pernas, de modo a isolar o motor da fonte de energia. A medição da tensão no motor dá um sinal proporcional da velocidade angular de sua árvore, sem ter que usar um codificador ou um tacômetro externo. Particularmente, o circuito condutor pode estar configurado para parar a PWM durante um período de leitura da tensão através do motor. A interrupção da PWM pode ser periódica, com um período constante ou, vantajosamente, um período variável. De fato, vale a pena parar a PWM na proporção inversa à velocidade angular do motor: quando mais lento o motor, mais a PWM é encerrada, com a vantagem de limitar a dissipação da ponte H e maximizar a precisão de controle nos intervalos de parada ou desaceleração (por exemplo, contra ou devido a um obstáculo).

[024] Também está proposto, com as mesmas vantagens da unidade de controle, um método de controle de uma unidade de controle adaptada para acionar um motor elétrico usado para mover uma barreira móvel, tal como um portão, compreendendo a etapa de: [025] acumular o excesso de energia vindo do motor durante o fechamento da barreira a fim de limitar sobretensões dentro da unidade de controle. A unidade de controle pode compreender um estágio como o descrito acima e, neste caso, as sobretensões nos terminais da ponte são evitadas ou limitadas.

[026] O método pode apresentar as etapas de: [027] criar um caminho de baixa impedância entre dois terminais de um elemento de armazenamento para o excesso de energia, a fim de dissipar o excesso de energia e/ou evitar dano se o excesso de energia tiver um pico muito alto; e/ou [028] isolar o motor de sua fonte de energia, por exemplo, interrompendo a PWM da ponte H (levando suas pernas para um estado de alta impedância), e detectar a tensão de circuito aberto através do motor para determinar a velocidade de sua árvore, e indiretamente aquela da barreira; e/ou [029] isolar o motor de sua fonte de energia, sem alterar a PWM, durante um período de leitura/detecção da tensão através do motor. Vantajosamente, o isolamento da fonte de energia ou interrupção da PWM pode ser regular ou variável, em particular, a desconexão dos componentes da ponte H pode ocorrer com uma frequência que é maior quanto mais lentamente o motor estiver girando.

[030] O método e a unidade de controle também são aplicáveis a outros dispositivos automáticos, tais como, por exemplo, barreira de estrada, onde a inércia da haste precisa ser controlada de um modo delicado para evitar solavancos, ou com motores assíncronos mediante modificação da ponte H, e introduzindo um codificador para o número de revoluções do motor.

[031] A descrição a seguir refere-se a uma concretização preferida de uma unidade de controle para um portão e ainda destaca suas vantagens, fazendo- se referência aos desenhos anexos, em que: [032] A fig. 1 mostra um diagrama elétrico simplificado da unidade de controle.

[033] A fig. 2 mostra uma captura de dados osciloscópica experimental de algumas formas de onda na unidade de controle.

[034] A fig. 3 mostra duas formas de onda com escala de tempo expandida, relacionadas ao painel R1 na fig. 2.

[035] A fig. 4 mostra uma captura de dados osciloscópica experimental de algumas formas de onda na unidade de controle.

[036] A fig. 5 mostra duas formas de onda com escala de tempo expandida, relacionadas ao painel R2 na fig. 4.

[037] A fig. 6 mostra outra captura de dados osciloscópica experimental de formas de onda na unidade de controle.

[038] Referimo-nos agora à fig. 1, a qual mostra esquematicamente o estado de potência e controle da unidade de controle.

[039] Os terminais de uma ponte H comutação, formados por quatro mosfets M4, M5, M7 e M8, são energizados através de um barramento CC, indicado por e tendo tensão VC, proveniente da rede elétrica um transformador T1 e uma ponte de diodo retificador DB.

[040] A ponte H é acionada por dois chips condutores 1)18, U19 (por exemplo, um chip conhecido da série LM5101) com modulação PWM gerada por um microprocessador IC1 e transmitida através das linhas PWM1-PWM4. Cada nó comum dos mosfets M4-M5, M7-M8 (os diodos de recirculação em paralelo a eles não estão mostrados) que constituem as duas pernas da ponte, ver nós A e B, é comutado alternadamente para a tensão VC do barramento ou para tensão zero.

[041] Entre os nós A, B está conectada a série de um motor elétrico DC M1, que serve para mover um portão (não mostrado), e um resistor de detecção R140.

[042] A tensão através do motor M1 é detectada por um amplificador diferencial U2 cuja saída é conduzida para a entrada do microprocessador IC1.

[043] A tensão através do resistor R140 é detectada por um amplificador diferencial U3 cuja saída é conduzida para a entrada do microprocessador IC1.

[044] Em série com a ponte H existe um resistor de detecção de corrente R6, cuja tensão é detectada por um amplificador diferencial U1 conectado a uma entrada IN1 do microprocessador IC1.

[045] A tensão de barramento VC é nivelada por um capacitor C2, regulado em paralelo à ponte H, que tem em paralelo a série de um mosfet M9 e um resistor de dissipação (purgador) R7. O portão do mosfet M9 é controlado por uma saída Out1 do microprocessador IC1.

[046] Os circuitos integrados U2, U3, o controle no microprocessador IC1 e os estágios de condutor na ponte H formam um ciclo de retroalimentação de controle para a corrente no motor M1 e a velocidade de sua árvore rotativa.

[047] OPERAÇÃO NORMAL

[048] Fase de energização do motor.

[049] Quando se quer mover o portão, o microprocessador IC1 determina um ciclo de serviço na PWM diferente de 50%, desse modo forçando através dos nós A, B uma tensão média (chamada tensão Vab) do valor correto e polaridade corretos. Isto ocasiona uma corrente média Im no motor M1 diferente de zero, e o motor M1 é ativado na direção desejada.

[050] As formas de onda Vab e Im nesta fase de operação são visíveis na parte esquerda da fig. 2.

[051] Fase de leitura da tensão do motor.

[052] Para evitar usar um codificador ótico ou mecânico na árvore do motor M1, a unidade de controle explora a leitura da força eletromotiva (FEM) induzida pelo motor M1 quando por inércia ela continua a rotacionar com corrente Im e tensão de alimentação zero Vab.

[053] A FEM induzida, detectada pelo amplificador U2, é proporcional à velocidade do motor M1. A saída do amplificador U3, ao contrário, oferece um sinal proporcional ao torque.

[054] Periodicamente (ver fig. 2) uma modulação PWM da ponte H é suspensa pelo microprocessador IC1 (todos os quatro mosfets M4-M5, M7-M8 são desligados). A corrente Im após um breve transiente se torna zero (fig. 2, lado direito) e a tensão Vab coincide com a FEM.

[055] A fig. 3, parte superior, mostra em pormenor as interrupções periódicas na modulação da tensão Vab. A caixa ampliada R2, fig. 3 parte esquerda inferior, mostra claramente uma FEM positiva comparada com uma nula Im.

[056] A FEM assim adquirida é processada pelo microprocessador IC1 para calcular a velocidade real do portão e determinar, por exemplo, com um algoritmo PID, o ciclo de serviço no próximo período de comutação, destacado na fig. 3, parte direita de fundo. Em particular, o reinicio da PWM e o retorno da Im ao valor de estado constante pode ser visto.

[057] O algoritmo de controle do microprocessador IC1 pode implementar a arquitetura clássica, mas seus parâmetros são vantajosamente adaptativos. Uma vez que as condições de trabalho são variáveis (inércia, atrito, velocidade, etc., variam de aplicação a aplicação), sem esta particularidade o sistema pode ser, para determinadas condições, marginalmente estável.

[058] Preferencialmente, a frequência de comutação da ponte é de 20 KHz.

[059] A PWM para preferencialmente para ler a FEM com período Tvde 32 min, mas este período não é constante: à medida que o motor M1 desacelera também as atualizações se tornam mais frequentes, nomeadamente 1/Tv aumenta. Assume-se que o motor M1 está sob pressão quando está parando, por conseguinte, por exemplo, os diodos de roda-livre dos mosfets M4-M5, M7-M8 são pressionados ao máximo: aumentando 1/Tveles aquecem menos.

[060] Existe uma correlação na escolha do período Tv. A atualização desta variável deveria ser muito frequente por causa da estabilidade do controle PID, mas isto entra em conflito com a dissipação dos diodos e a eficiência reduzida que ocorrería no motor M1. Ter que para a PWM para efetuar a leitura da FEM é em si mesmo indolor em termos de circuito, mas deve-se ter em mente que o ciclo de serviço máximo alcançável nunca irá alcançar 100%. Se este distúrbio introduzido for raro, nada acontece, do contrário, ele resulta em perda de eficiência.

[061] No exemplo a interrupção ocorre por 3 min, cada Tv = 32 min extensível até 64 m. Estes valores Tvsão um bom compromisso entre controle de eficiência e de posição (obtido pela integração da velocidade). Em sintonia com este compromisso, preferencialmente Tvpode variar de 20 min a 50 min.

[062] O controle duplo da PWM e FEM pode ser implementado no microprocessador IC1 com técnicas de programação comuns. No entanto, deve ser evitado em todos os casos que a ponte H entre em curto-circuito, e o controle da PWM precisa ocorrer mesmo quando o microprocessador IC1 está sendo redefinido ou ativado ou desativado.

[063] OPERAÇÃO DURANTE FECHAMENTO

[064] Quando o portão é fechado (ver a fig. 4), o ciclo de serviço da modulação PWM é modificado para diminuir o mais rápido possível a corrente no motor M1. Uma vez que o motor M1 é parado, por exemplo, a modulação na ponte H pode ser parada (ver forma de onda Vab na fig. 4, na parte direita).

[065] Durante o transiente de fechamento a energia cinética do portão não dissipada no atrito é descarregada na unidade de controle, especialmente na forma de sobrecorrente reversa que circula desde o motor M1 para o barramento CC. A fig. 1 mostra tal corrente, referenciada Irev, para um estado da ponte Η. A corrente Irev só pode carregar o capacitor C2 cuja tensão Vc2 aumenta (ver a fig. 4, Vc2, na parte de topo e centro).

[066] Dimensionando adequadamente o capacitor C2 pode-se limitar a excursão de tensão positiva. Igualmente, a energia armazenada no capacitor C2 é reutilizada mais tarde para reativar o motor M1, assim se pode recuperar energia e aumentar a eficiência da unidade de controle.

[067] A fig. 4 mostra como a tensão Vc2foi inicialmente a 30 V, e depois o transiente de fechamento fica em torno de 35 V.

[068] O método pelo qual o C2 é dimensionado pode ser conforme a seguir. A energia Em acumulada pelo portão pode ser estimada, e uma parte dela termina em atrito de movimento na cadeia cinemática. A partir das medições Em = 10 J com portões pesados e muito deslizantes.

[069] A tensão e a corrente criadas pelo motor são medidas em uma carga apropriada sendo registradas com um osciloscópio e depois integradas ao longo do tempo na duração da parada.

[070] A energia de diferencial Ec que o capacitor C2 pode acumular é 1/2.-C2-(V2max - V2C), onde Vmaxé a sobretensão desenvolvida durante a parada e Vca tensão de alimentação com carga máxima ou bateria. Por exemplo, para C2 = 12 000 pF, pode-se ter Vmax = 63 V, Vc = 24 V, e, por conseguinte, Ec = 23.8 J > Em.

[071] Se C2 é substituído por uma bateria, deve-se ter em mente o pico máximo de corrente que pode desenvolver. O cálculo é facilitado se for considerado o tempo de parada do portão que pode ser de 100 minou menos.

[072] OPERAÇÃO COM ANOMALIA

[073] Uma surgência de corrente excessiva vindo da ponte H pode ser detectada através o amplificador U1. Por exemplo, o microprocessador IC1 pode reagir parando a PWM ou desconectando a conexão do barramento VC do transformador T1 via relés (não mostrados).

[074] Se a tensão do capacitor C2 ultrapassar um determinado limiar, o microprocessador IC1 pode controlar a comutação do mosfet M9 para descarregar à terra o excesso de energia.

[075] A tensão Vc2é lida com um conversor A/C (não mostrado) do microprocessador IC1. A mesma tensão é usada determinar se e quando existe uma falha de potência.

Claims (10)

1- Unidade de controle para acionar um motor elétrico (M1) adaptado para mover uma barreira móvel, tal como um portão, caracterizado por que compreende: um PWM com topologia de ponte H e estágio de comutação modulado (M4-M5, M7-M8) capaz de fornecer energia ao motor elétrico; um circuito de retroalimentação para ajustar a velocidade da barreira; e um elemento de armazenamento de energia elétrica (C2) o qual é posicionado em paralelo a ponte H e está adaptado para armazenar a energia vinda do motor durante a ação de fechamento da barreira, de modo a limitar as sobretensões através da ponte H,

2- Unidade de controle de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por que o elemento de armazenamento compreende um capacitor elétrico e/ou uma batería.

3- Unidade de controle de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado por que compreende um circuito de proteção (M9 R7) adaptado para criar um caminho de baixa impedância entre dois terminais do elemento de armazenamento.

4- Unidade de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado por que compreende; um circuito detector (U2), incluído no circuito de retroalimentação, para detectar a voltagem através do motor; e um circuito acionador (IC1, U18, U19) para acionar periodicamente a ponte H em um estado de alta impedância para cada componente das suas duas pernas, de modo a isolar o motor a partir da fonte de alimetação.

5- Unidade de acordo com a reivindicação 4, caracterizado por que o circuito acionador é configurado para interroper a modulação PWM durante o período para íer/enviar a voltagem através do motor.

6- Unidade de acordo com a reivindicação 5, caracterizado por que o circuito acionador é configurado para interromper a modulação PWM em uma proporção inversa a velocidade angular do motor.

7- Método de controle de uma unidade de controle adaptada para acionar um motor elétrico (M1) usado para mover uma barreira móvel, tal como um portão, caracterizado por que compreende as etapas de; acumular o excesso de energia vinda do motor durante o fechamento da barreira a fim de limitar as sobretensões dentro da unidade.

8- Método de acordo com a reivinidcação 7, caracterizado por que o motor é isolado da sua fonte de energia e a voltagem através do motor pe detectada para determinar a velocidade angular do motor.

9- Método de acordo com qualquer uma das reivínidcações 7 ou 8, caracterizado por que o motor é isolado da sua fonte de energia com um frequência a qual é maior quanto mais lentamente o motor estiver girando.

10- Método de acordo com qualquer uma das reivínidcações 7 a 9, caracterizado por que o excesso de energia é acumulado em um capacitor e/ou uma batería.