BR102020024059A2

BR102020024059A2 - Método de extinção acelerada de corrente residual e método de controle de duração do método de extinção acelerada de corrente residual

Info

Publication number: BR102020024059A2
Application number: BR102020024059-5A
Authority: BR
Inventors: Claudio Eduardo Soares; Roberto Andrich; Andre Dering
Original assignee: Embraco Indústria De Compressores E Soluções Em Refrigeração Ltda.
Priority date: 2020-11-25
Filing date: 2020-11-25
Publication date: 2022-06-07
Also published as: JP2023553796A; EP4252345A1; WO2022109701A1; CN116368728A; US20240007041A1

Abstract

Método de extinção acelerada de corrente residual de uma fase que se abre quando da troca de uma posição elétrica durante o acionamento de um motor BLDC (10), em condições de carga alta, compreendendo:
utilizar o padrão de modulação por largura de pulso unipolar ON_PWM para acionar o motor BLDC (10);
determinar se há corrente residual por meio do monitoramento da tensão da fase que se abre com o uso de um observador de tensão (40);
enquanto houver corrente residual, aplicar um padrão de chaveamento, nas chaves (S1-S6) do motor BLDC (10), que sobrepõe o padrão de modulação por largura de pulso utilizado e maximiza a tensão sobre a fase aberta para extinção acelerada da dita corrente residual,
o dito padrão de chaveamento compreendendo:
abrir a chave da fase mantida acionada quando da troca de posição elétrica; e
fechar a chave relacionada à fase que foi acionada quando da troca de posição elétrica.

Description

MÉTODO DE EXTINÇÃO ACELERADA DE CORRENTE RESIDUAL E MÉTODO DE CONTROLE DE DURAÇÃO DO MÉTODO DE EXTINÇÃO ACELERADA DE CORRENTE RESIDUAL

Campo Técnico

[0001] A presente invenção se refere a compressores de refrigeradores que compreendem um motor trifásico de corrente contínua sem escovas (BLDC), com tensões induzidas em formato trapezoidal.

[0002] Mais especificamente, a presente invenção se refere a um método de extinção acelerada de corrente residual e a um método de controle de duração do método de extinção acelerada de corrente residual, durante o acionamento de um motor BLDC, em condições de carga alta.

Antecedentes da Invenção

[0003] O procedimento típico de acionamento de um motor BLDC via um inversor trifásico é conhecido como "seis passos", sendo dividido em seis posições elétricas. Nesse tipo de acionamento, apenas duas fases do motor são comandadas em cada posição elétrica, enquanto a terceira fase fica aberta e é utilizada para realizar o monitoramento de uma tensão induzida nas bobinas do motor e, consequentemente, a identificação da posição elétrica do motor.

[0004] A Figura 1 do estado da técnica ilustra o circuito eletrônico quando do acionamento de um motor BLDC 10 trifásico.

[0005] Conforme pode ser observado na Figura 1, o referido circuito compreende uma fonte de alimentação elétrica 20 que fornece tensão/corrente contínua. A fonte de alimentação 20 pode ser fornecida por um estágio conversor na entrada, tal como um retificador com filtro capacitivo ou um conversor CC-CC alimentado por uma bateria. Adicionalmente, o circuito compreende um inversor de tensão trifásico 30 operativamente associado ao motor BLDC 10 e à fonte de alimentação 20; assim, a fonte de alimentação 20 é configurada para prover uma tensão de barramento Vcc contínua a partir da definição de uma tensão de referência Vref na parte inferior do inversor de tensão 30.

[0006] Ainda de acordo com a Figura 1, o inversor de tensão 30 compreende chaves S1-S6 configuradas para energizar as fases Fa, Fb e Fc do motor BLDC 10. Além disso, o inversor de tensão compreende diodos de roda-livre D1-D6, sendo que cada diodo de roda-livre D1-D6 está associado em paralelo a cada uma das chaves S1-S6. Os diodos de roda-livre D1-D6 são capazes de fornecer um caminho para a corrente do motor BLDC 10 durante a operação das chaves S1-S6. Assim sendo, as chaves S1 e S2 estão associadas à fase Fa, as chaves S3 e S4 estão associadas à fase Fb e as chaves S5 e S6 estão associadas à fase Fc do motor BLDC 10.

[0007] De acordo com a Figura 1, o circuito também compreende um observador de tensão 40, responsável pela medição das três tensões de fase Va, Vb e Vc relativas às fases Fa, Fb e Fc do motor BLDC 10 e a tensão do barramento Vcc. Ainda, o circuito compreende uma unidade de controle 50, operativamente associada ao observador de tensão 40, responsável por interpretar os sinais de tensão, identificar a posição elétrica atual do motor BLDC 10 e realizar o acionamento correto do inversor de tensão.

[0008] Ainda de acordo com a Figura 1, também é utilizado um único sensor de corrente 60 no barramento para o controle da corrente do motor ou para proteção contra sobrecorrente, visto que idealmente apenas duas fases do motor são acionadas em cada posição elétrica e, neste caso, a corrente no motor seria igual a corrente que circula pelo barramento.

[0009] A Figura 2 do estado da técnica ilustra as formas de onda da tensão induzida ea-ec, da tensão de fase Va-Vc, da corrente desejada Ia-Ic e dos sinais de comando das chaves S1-S6 quando do acionamento típico, conhecido como "seis-passos", de um motor BLDC 10 com forma de onda trapezoidal. Adicionalmente, as formas de onda da tensão induzida ea-ec são representadas com um deslocamento vertical de Vcc/2 para que possam se sobrepor às tensões de fase Va, Vb e Vc nos momentos em que a fases Fa, Fb e Fc estão abertas, respectivamente. Ainda, de acordo com a Figura 2, o acionamento em "seis-passos" é dividido em seis posições elétricas P1-P6 de 60° elétricos, totalizando 360° elétricos. De acordo com a Figura 2, quando uma das chaves S1-S6 é acionada, a dita chave deve operar por 120° elétricos. Conforme mencionado anteriormente, esse acionamento típico pode ser separado em seis posições elétricas P1-P6, em que, em cada posição elétrica, apenas duas fases do motor BLDC 10 são acionadas por vez, sendo a terceira fase utilizada para monitorar a tensão induzida BEMF do motor BLDC 10, e, por meio da monitoração dessa tensão induzida BEMF, detectar a posição elétrica do motor BLDC 10.

[00010] Nesse sentido, um dos desafios relacionados ao acionamento de um motor BLDC operando com cargas elevadas é a preservação do seu sensoriamento de posição elétrica. O acionamento típico de motores BLDC sem sensor mecânico se baseia na medição da tensão induzida (BEMF) medida na fase aberta, mas tal tensão só é visível quando não há mais corrente circulando na referida fase aberta. Desse modo, se a corrente demorar para ser extinta, pode ocorrer uma falha no sensoriamento de posição elétrica devido ao mascaramento da tensão induzida (BEMF) pela corrente residual, levando a uma falha no acionamento.

[00011] Assim, a posição elétrica de um motor BLDC 10 pode ser estimada de diversas maneiras, sendo as técnicas mais comuns a detecção do cruzamento por zero e a detecção do cruzamento das tensões induzidas.

[00012] A Figura 3 da técnica anterior ilustra a operação dessas duas técnicas, em que o círculo representa a detecção por cruzamento por zero, e o trapézio representa a detecção do cruzamento das tensões induzidas.

[00013] Além disso, é importante salientar que, nessas técnicas, o monitoramento da tensão induzida na fase aberta é afetado pela corrente residual vinda da posição elétrica anterior, quando a fase ainda estava sendo acionada e a corrente circulava. Esta corrente residual circula pelos diodos de roda-livre, forçando a tensão na fase aberta em Vcc ou zero e, assim, mascarando a tensão induzida.

[00014] Por exemplo, a Figura 4a da técnica anterior ilustra o grampeamento da tensão na fase aberta na tensão do barramento Vcc do inversor de tensão 30, grampeamento este que ocorre quando a corrente estava saindo por Fb do motor BLDC 10 na posição elétrica anterior, e circula pelo diodo de roda-livre superior D3 até a sua completa extinção.

[00015] A Figura 4b da técnica anterior ilustra como operam as grandezas elétricas corrente aplicada Ib, tensão induzida eb e tensão lida Vb, associadas à fase B do motor BLDC 10, quando da troca de uma posição elétrica.

[00016] Por exemplo, a Figura 5a da técnica anterior ilustra o grampeamento da tensão da fase aberta na referência da ponte inversora, grampeamento este que ocorre quando a corrente estava entrando pela fase B do motor BLDC 10 na posição elétrica anterior, e então passa a circular pelo diodo de roda-livre inferior D4 até a sua completa extinção.

[00017] A Figura 5b ilustra como operam as grandezas elétricas corrente aplicada Ib, tensão induzida eb e tensão lida Vb, associadas à fase B do motor BLDC 10, quando da troca de uma posição elétrica.

[00018] Além disso, as técnicas de acionamento de motores BLDC sem sensor mecânico contêm etapas de operação para filtrar os impactos da corrente residual na leitura da tensão induzida BEMF, a fim de permitir o funcionamento adequado do sensoriamento de posição elétrica.

[00019] Por exemplo, o documento de patente PI0004062-2, intitulado "MÉTODO DE CONTROLE DE MOTOR ELÉTRICO, SISTEMA DE CONTROLE DE MOTOR ELÉTRICO E MOTOR ELÉTRICO", publicado em 16/04/2002, propõe um tempo mínimo de proteção, após cada troca de posição elétrica, antes de ativar o processamento da tensão induzida BEMF pelo sensoriamento de posição elétrica.

[00020] O documento de patente US6512341 (B2), intitulado "APPARATUS AND METHOD OF DRIVING A BRUSHLESS MOTOR", publicado em 14/03/2002, monitora se a tensão lida está grampeada na tensão do barramento ou na referência da ponte inversora antes de ativar o processamento da tensão induzida BEMF pelo sensoriamento de posição elétrica.

[00021] Não obstante, nenhuma das técnicas acima mencionadas fornece um tipo de ação para preservar o sensoriamento de posição elétrica em condições de alta carga, condições estas em que a corrente pode demorar demais para extinguir-se, ocasionando a perda do instante ideal de comutação das chaves de acionamento e podendo levar a uma falha no acionamento do motor BLDC.

[00022] Por exemplo, as Figuras 6a e 6b da técnica anterior exemplificam a perda do cruzamento por zero devido ao prolongamento da corrente até a sua extinção. É importante ressaltar que tal problema não se limita às técnicas de detecção do cruzamento por zero, mas a qualquer técnica que dependa do monitoramento da tensão induzida na fase aberta. Além disso, essas Figuras ilustram como operam as grandezas elétricas corrente aplicada Ib, tensão induzida eb e tensão lida Vb, associadas à Fb do motor BLDC 10, quando da perda do cruzamento por zero.

[00023] Mais especificamente, a Figura 6a exemplifica o caso do grampeamento da tensão da fase aberta na tensão do barramento Vcc, enquanto a Figura 6b exemplifica o grampeamento da tensão da fase aberta em zero, ou seja, na tensão de referência Vref da ponte inversora, ocasionando o mascaramento da tensão induzida e a perda do cruzamento por zero.

[00024] Adicionalmente, existem diversos padrões de modulação de largura de pulso para o acionamento de motores BLDC, tais como os padrões analisados no artigo "Assessment of Pulse-Width Modulation Techniques for Brushless DC Motor Drives" de LAI, Y.-S. e LIN, Y.-K. publicado em 2006 no Conference Record of the 2006 IEEE Industry Applications Conference Forty-First IAS Annual Meeting, em que as diferenças entre esses padrões consistem em: possibilidade de circulação da corrente residual pelo barramento CC, duração da corrente residual e restrições do circuito de acionamento das chaves de acionamento.

[00025] O documento JP2017046513 intitulado "MOTOR DRIVE DEVICE, DRIVE DEVICE OF COMPRESSOR USING THE SAME, AND FREEZING DEVICE, REFRIGERATOR", publicado em 02/03/2017, descreve a aplicação de um padrão de chaveamento unipolar alternado, em que a modulação por largura de pulso é aplicado alternadamente, ora na chave superior e ora na chave inferior, e sempre associado à fase mantida na última troca de posição. Esse padrão alternado de chaveamento propicia uma eliminação mais rápida da corrente na fase que foi aberta, melhorando, assim, o sensoriamento de posição e a operação em condições de alta carga. O referido documento ainda cita o uso dessa invenção em aplicações onde existe válvula de bloqueio para impedir a equalização do sistema, ou seja, foi desenvolvido para aplicações com partida desequalizada. Entretanto, é importante salientar que o padrão de chaveamento alternado e associado à fase mantida na troca de posição, descrito no documento JP2017046513, já era utilizado no artigo "Four-quadrant sensorless brushless ecm drive" de BECERRA, R. C. et al publicado em 1991 no Proc. Sixth Annual Applied Power Electronics Conf and Exposition APEC'91.

[00026] O documento JP2017046512, intitulado "MOTOR DRIVE DEVICE, DRIVE DEVICE OF COMPRESSOR USING THE SAME, FREEZING DEVICE AND REFRIGERATOR", publicado em 02/03/2017, descreve um padrão de chaveamento com o objetivo de realizar o retorno das correntes de roda-livre pelo capacitor de barramento. Nesse documento é proposto o desligamento por um tempo determinado da chave associada à fase que foi mantida acionada após uma troca de posição do motor, de modo a forçar a passagem da corrente de roda-livre da fase que foi aberta pelo barramento, e, assim, acelerar a extinção da corrente de roda-livre, para que o sensoriamento de posição não seja impossibilitado em condição de alta carga. O documento ainda cita o uso dessa invenção em aplicações onde existe válvula de bloqueio para impedir a equalização do sistema, ou seja, foi desenvolvido para aplicações com partida desequalizada.

[00027] Um problema da técnica anterior consiste no fato de que a aceleração da extinção da corrente residual não depende diretamente do retorno dessa corrente pelo capacitor do barramento, mas da maior tensão reversa que pode ser aplicada sobre a fase por onde circula a referida corrente residual.

[00028] A diferença conceitual fica mais evidente na tentativa de associação do método proposto para o retorno da corrente residual pelo capacitor de barramento com as técnicas de chaveamento típicas para o controle do motor BLDC, tais como a associação representada na Figura 2 da patente JP2017046512 (representada na parte superior da Figura 8 do presente documento). Conforme será demonstrado adiante, a abertura das duas chaves decorrentes da associação do método proposto na patente JP2017046512 com o chaveamento unipolar aplicado as chaves superiores, reduz a efetividade da aceleração da extinção da corrente residual, apesar da corrente residual continuar retornando pelo capacitor de barramento.

[00029] A fim de demonstrar os problemas da patente JP2017046512, é importante notar que a corrente em cada fase do motor BLDC 10 pode ser definida a partir do diagrama ilustrado na Figura 1, conforme as equações abaixo:

[00030] Em que L representa a indutância, R a resistência, ea, eb e ec as tensões induzidas, va, vb e vc as tensões de fase nos terminais do motor BLDC 10, vn a tensão resultante no ponto neutro, ia, ib e ic as correntes de fase, e dia/dt, dib/dt e dic/dt as derivadas da corrente de fase.

[00031] Além disso, a tensão no ponto neutro Vn pode ser modelada a partir das equações acima, considerando um motor simétrico, ou seja, as resistências R e as indutâncias L de fase são todas iguais, de tal forma que:

[00032] Dessa forma, é possível reescrever a dinâmica das correntes separando-se a dinâmica do motor BLDC 10 da ação de controle conforme as equações abaixo:

[00033] Em que a primeira parcela entre colchetes do lado direito da equação representa a dinâmica do motor BLDC, e a segunda parcela entre colchetes representa a ação de controle sobre cada fase, de acordo com a tensão aplicada a cada fase do motor BLDC.

[00034] Dessa forma, a ação de controle pode ser definida pelas equações abaixo:

[00035] Em que Ua, Ub e Uc representam a ação de controle sobre cada fase e un a ação de controle no ponto neutro, todas em função das tensões va, vb e vc aplicadas aos terminais do motor.

[00036] Assim, é possível controlar as correntes nas fases do motor BLDC por meio do controle das tensões de fase.

[00037] Por exemplo, para aumentar a corrente ia é possível aumentar Va ou ainda diminuir a tensão média da ação de controle no ponto neutro un. Para diminuir a corrente ia é possível diminuir va ou ainda aumentar a tensão média da ação de controle no ponto neutro un. Essa análise possibilita um melhor entendimento para a extinção da corrente residual.

[00038] Nesse sentido, considere o acionamento clássico em seis passos de um motor BLDC, em que será analisada a transição para a posição elétrica P1, conforme ilustrado na Figura 7 da técnica anterior. Ao realizar a transição para posição elétrica P1, a chave S4 é mantida fechada, a chave S1 é fechada e a chave S5 é aberta. Ao abrir a chave S5, uma corrente residual ic começa a percorrer o diodo de roda-livre D6.

[00039] De acordo com a Figura 7, como se deseja que ia seja positiva e ib seja negativa, aplica-se a maior tensão na fase A e a menor tensão na fase B, ou seja, as chaves S1 e S4 são acionadas.

[00040] Além disso, como ainda há corrente residual na fase C recém-aberta, essa corrente circula pelo diodo de roda-livre D6.

[00041] Assim, a tensão média da ação de controle no ponto médio un para este padrão de acionamento clássico, é dada pela equação abaixo:

em que, Vcc é o valor da tensão no barramento.

[00042] Além disso, a tensão aplicada da ação de controle em cada fase pode ser calculada pelo conjunto 1 de equações abaixo:

[00043] Sendo ic positiva e ib negativa, e ainda tendo por objetivo que ia assuma a corrente de ic, esta é uma boa opção para manutenção do torque durante a troca da posição elétrica, pois favorece o aumento rápido de ia e a manutenção da corrente ib. No entanto, em condições de alta carga, pode demorar demais para que ic seja extinta.

[00044] A solução proposta pela patente JP2017046512 consiste em realizar o retorno da corrente de roda-livre pelo capacitor de barramento. Nesse sentido, é proposto o desligamento por um tempo determinado da chave associada à fase que foi mantida acionada, tal como ilustrado na Figura 8. Assim, ao realizar a transição para posição elétrica P1, a chave S4 é aberta por um tempo determinado a fim de forçar o retorno da corrente ic pelo capacitor de barramento.

[00045] O problema da técnica anterior fica evidente ao associar um padrão de modulação por largura de pulso à fase A, a fim de permitir o controle da tensão aplicada ao motor BLDC 10 enquanto força-se a extinção da corrente, tal como é sugerido na descrição da patente JP 2017046512 e na Figura 2 desta mesma patente. Tal associação pode levar a abertura das duas chaves associadas a posição, o que é ruim tanto para a extinção da corrente residual como para o estabelecimento da nova posição elétrica de acionamento.

[00046] Durante a abertura da chave S1, devido à associação da modulação por largura de pulso, tal como representado na Figura 8, a corrente ia circularia pelo diodo de roda-livre D2, conectando a fase A à referência da ponte inversora.

[00047] Neste cenário, a tensão média da ação de controle no ponto médio un para este padrão de acionamento pode ser representada pela equação abaixo:

[00048] Além disso, a tensão aplicada em cada fase pode ser representada pelo conjunto 2 de equações abaixo:

[00049] Ao comparar o conjunto 1 de equações com o conjunto 2, fica claro que a tensão uc aplicada à fase C, no documento JP2017046512, ficaria igual a tensão aplicada no acionamento clássico, ou seja, não aceleraria a extinção da corrente residual. Além disso, tanto a corrente ib quanto a corrente ia seriam reduzidas significativamente, prejudicando o torque do motor BLDC no momento da troca de posição elétrica.

[00050] Outro problema da técnica anterior consiste no fato de que não é realizado um monitoramento da duração da corrente residual para saber por quanto tempo deve ser aplicada a técnica para redução do tempo de extinção da corrente de roda-livre.

Sumário

[00051] Um objetivo da presente invenção consiste em prover um método de extinção acelerada de corrente residual que evite os inconvenientes da técnica anterior.

[00052] Este objetivo é alcançado por meio de um método de extinção acelerada de corrente residual de uma fase que se abre quando da troca de uma posição elétrica durante o acionamento de um motor BLDC, em condições de carga alta, compreendendo:
utilizar o padrão de modulação por largura de pulso unipolar ON_PWM para acionar o motor BLDC;
determinar se há corrente residual por meio do monitoramento da tensão da fase que se abre com o uso de um observador de tensão;
enquanto houver corrente residual, aplicar um padrão de chaveamento, nas chaves do motor BLDC, que sobrepõe o padrão de modulação por largura de pulso utilizado e maximiza a tensão sobre a fase aberta para extinção acelerada da dita corrente residual,
o dito padrão de chaveamento compreendendo:
abrir a chave da fase mantida acionada quando da troca de posição elétrica; e
fechar a chave relacionada à fase que foi acionada quando da troca de posição elétrica.

[00053] Uma vantagem da presente invenção consiste em extinguir a corrente residual da fase que se abre, em condições de alta carga, de uma maneira mais rápida que a técnica anterior.

[00054] Convenientemente, o método de acordo com a presente invenção consiste no fato de que enquanto houver corrente residual saindo da fase que se abre por um diodo de roda-livre superior, a tensão lida pelo observador de tensão, da fase que se abre, estará próxima da tensão do barramento e aplica-se o padrão de chaveamento para extinção acelerada da corrente residual.

[00055] O método de acordo com a presente invenção consiste ainda no fato de que enquanto houver corrente residual entrando pela fase que se abre por um diodo de roda-livre inferior, a tensão lida pelo observador de tensão, da fase que se abre, estará próxima de zero e aplica-se o padrão de chaveamento para extinção acelerada da corrente residual.

[00056] Além disso, o método de acordo com a presente invenção consiste no fato de que o monitoramento da corrente residual deve ser realizado até a extinção completa dessa corrente.

[00057] Ainda, o método de acordo com a presente invenção consiste no fato de que o padrão de modulação por largura de pulso unipolar ON_PWM pode ser substituído por qualquer outro padrão unipolar ou bipolar de modulação por largura de pulso

[00058] Uma vantagem adicional do método de acordo com a presente invenção consiste em preservar o sensoriamento de posição do efeito causado pela corrente residual da fase aberta. Outra vantagem seria possibilitar a adequada operação da técnica evitando sua perturbação pela associação da modulação por largura de pulso.

[00059] A presente invenção também provê um método de controle da duração do método de extinção acelerada de corrente residual, compreendendo:

- ajustar um intervalo de tempo de extinção acelerada de corrente residual para proteção do sensoriamento de posição elétrica.

[00060] Covenientemente, o método de acordo com a presente invenção consiste no fato de que o intervalo de tempo de extinção acelerada de corrente residual necessário depende de um intervalo de tempo de janela para leitura da tensão induzida, um intervalo de tempo de janela mínimo e um intervalo de tempo de extinção de corrente residual.

[00061] O método de acordo com a presente invenção consiste também no fato de que o intervalo de tempo de janela para leitura da tensão induzida consiste no intervalo de tempo compreendido pelo momento em que uma corrente residual é extinta até o momento em que uma posição elétrica do motor BLDC é detectada.

[00062] Ademais, o método de acordo com a presente invenção consiste no fato de que o intervalo de tempo de extinção de corrente residual consiste no intervalo de tempo compreendido pelo momento em que o motor BLDC troca de posição elétrica, e assim é gerada uma corrente residual na fase que é aberta do referido motor BLDC, até o momento em que essa corrente residual é extinta.

[00063] Adicionalmente, o método de acordo com a presente invenção consiste no fato de que o intervalo de tempo de extinção acelerada de corrente residual deve ser saturado no seu valor mínimo, ou seja, zero, e no seu valor máximo, ou seja, igual ao tempo de extinção de corrente residual.

[00064] Ainda, o método de acordo com a presente invenção consiste no fato de que o intervalo de tempo de janela mínimo é definido e função da distância elétrica mínima que se deseja para operação segura do sensoriamento de posição elétrica e da velocidade elétrica do motor BLDC.

[00065] Além disso, o método de acordo com a presente invenção consiste no fato de que o aumento ou a diminuição do intervalo de tempo de extinção acelerada de corrente residual é definido comparando-se o tempo de janela mínimo com o intervalo de tempo de janela para leitura da tensão induzida.

[00066] O método de acordo com a presente invenção consiste ainda no fato de que a aplicação do padrão de chaveamento para extinção acelerada da corrente residual resulta na redução da corrente na fase mantida ligada na troca de posição, evitando a limitação na proteção de sobrecorrente em baixa velocidade feita por um único sensor de corrente no barramento, promovendo uma proteção mais efetiva do motor BLDC contra sobrecorrentes.

[00067] Adicionalmente, o método de acordo com a presente invenção consiste em que no início da partida do motor BLDC, o intervalo de tempo de extinção acelerada de corrente residual deve ser igual ao tempo de extinção de corrente residual.

Breve Descrição dos Desenhos

[00068] Os objetivos e vantagens da presente invenção irão se tornar mais claros através da seguinte descrição detalhada dos exemplos e desenhos não-limitativos apresentados no final deste documento:

[00069] A Figura 1 ilustra um circuito eletrônico utilizado no acionamento em seis passos de um motor BLDC da técnica anterior;

[00070] A Figura 2 ilustra as formas de onda de tensão induzida, de corrente desejada, de tensão de fase e dos sinais de comando em um motor BLDC da técnica anterior;

[00071] A Figura 3 ilustra as técnicas de detecção por cruzamento por zero ou por cruzamento das tensões induzidas da técnica anterior;

[00072] A Figura 4a ilustra a saída da corrente residual pelo diodo de roda-livre superior da fase B da técnica anterior;

[00073] A Figura 4b ilustra o grampeamento da tensão de fase na tensão do barramento da ponte inversora quando a corrente residual sai do motor pelo diodo de roda-livre superior da fase B da técnica anterior;

[00074] A Figura 5a ilustra a entrada da corrente residual pelo diodo de roda-livre inferior da fase B da técnica anterior;

[00075] A Figura 5b ilustra o grampeamento da tensão de fase na tensão de referência da ponte inversora quando a corrente residual entra no motor pelo diodo de roda-livre inferior da fase B da técnica anterior;

[00076] As Figuras 6a e 6b exemplificam a perda do cruzamento por zero devido ao prolongamento da corrente residual até sua extinção da técnica anterior;

[00077] A Figura 7 ilustra a transição para a posição elétrica P1 do motor BLDC em um acionamento da técnica anterior;

[00078] A Figura 8 ilustra a transição para a posição elétrica P1 do motor BLDC em um acionamento da técnica anterior com retorno da corrente residual pelo barramento;

[00079] A Figura 9 ilustra a transição para posição elétrica P1 em um acionamento com o método de extinção acelerada de corrente residual de acordo com a presente invenção;

[00080] A Figura 10 ilustra as tensões de fase utilizadas para monitorar a ocorrência da corrente residual de acordo com a presente invenção;

[00081] A Figura 11 ilustra um acionamento com o método de extinção acelerada de corrente residual de acordo com a presente invenção;

[00082] As Figuras 12a e 12b ilustram como é realizado o monitoramento da integridade do sensoriamento de posição elétrica do motor BLDC de acordo com a presente invenção; e

[00083] As Figuras 13a e 13b ilustram possíveis aplicações práticas do método de acordo com a presente invenção.

Descrição Detalhada

[00084] Para a operação adequada um motor BLDC 10 acionado pela estratégia de seis-passos convencional, sem sensor de posição mecânico, é necessário que a corrente residual, que circula na fase do motor BLDC 10 que é aberta quando da troca de posição elétrica, seja extinta antes do evento representativo da próxima posição elétrica do motor BLDC 10, o qual pode ser o cruzamento por zero, ou o cruzamento das tensões de fase ou ainda uma tensão que possibilite um adiantamento de fase.

[00085] Assim, uma concretização da presente invenção fornece um método de extinção acelerada de corrente residual, método este que busca ajustar o padrão de chaveamento do motor BLDC 10 com o objetivo de extinguir mais rapidamente a corrente residual na fase que é aberta, buscando diminuir seu impacto nas correntes das outras duas fases.

[00086] Para que isso seja possível, o método de acordo com a presente invenção aplica um padrão de chaveamento que gera a maior tensão possível sobre a fase que foi aberta, após a troca de posição, para a extinção acelerada da corrente residual, ao invés de propor um padrão de chaveamento que force a passagem dessa corrente pelo barramento.

[00087] Nesse sentido, de acordo com a Figura 9 da presente invenção, que também ilustra a transição para posição elétrica P1, uma opção para a extinção mais rápida da corrente residual ic consiste em aumentar a tensão resultante da ação de controle no ponto médio un, visto que Vc já está no valor mínimo.

[00088] Além disso, como a tensão Va também já está no valor máximo, conectada à tensão do barramento Vcc, a melhor opção para aumentar un consiste em aumentar Vb, conectando-se Vb à tensão do barramento Vcc, tal como mostrado na Figura 9 da presente invenção.

[00089] Para que isso seja possível, no método de acordo com a presente invenção, enquanto houver corrente residual, a modulação por largura de pulso, aplicada às chaves associadas a uma determinada posição elétrica, é sobreposta por um padrão de chaveamento específico para extinção acelerada da corrente residual. De acordo com a presente invenção, este padrão de chaveamento consiste em: abrir a chave da fase mantida acionada quando da troca de posição elétrica e fechar a chave relacionada à fase que foi acionada quando da troca de posição elétrica. Após a corrente residual ser extinta, retorna-se com a modulação por largura de pulso escolhida para o controle da tensão aplicada ao motor BLDC 10.

[00090] Conforme pode ser observado na Figura 9, na transição para a posição elétrica P1, aplica-se um padrão de chaveamento, em que a chave S4, relacionada à fase B mantida ligada, é aberta enquanto há corrente residual e, simultaneamente, a chave S1, relacionada à fase A que foi ligada, é fechada quando da troca para posição elétrica P1.

[00091] Assim, a tensão média da ação de controle no ponto médio un para o padrão de acionamento utilizando o método de acordo com a presente invenção pode ser representada pela equação abaixo:

[00092] Além disso, a tensão aplicada da ação de controle em cada fase do motor BLDC 10 pode ser calculada pelo conjunto 3 de equações abaixo:

[00093] Conforme pode ser observado no conjunto 3 de equações, no método de acordo com a presente invenção, a tensão na fase C, recém-aberta, é o dobro quando comparada com o acionamento clássico, o que ajuda na extinção mais rápida da corrente residual.

[00094] Outra característica do método de acordo com a presente invenção é o fato de que pode ser associado a qualquer padrão de modulação por largura de pulso para motores BLDC, tanto os padrões do tipo unipolar como os do tipo bibolar, desde que o padrão de chaveamento do método de acordo com a presente invenção tenha prioridade e sobreponha o padrão de modulação por largura de pulso enquanto houver corrente residual. Por exemplo, o método de acordo com a presente invenção pode ser associado à aplicação da modulação por largura de pulso somente nas chaves superiores S1, S3 e S5, conforme pode ser observado na Figura 11. De acordo com a Figura 11, é possível observar que, quando da sobreposição pelo padrão de chaveamento para extinção mais rápida da corrente residual quando da troca de posição elétrica, a chave relacionada à fase mantida ligada é aberta enquanto há corrente residual e, simultaneamente, a chave relacionada à fase que foi ligada é fechada.

[00095] Apesar da possibilidade de associação com todos os padrões de modulação conhecidos, o padrão de modulação por largura de pulso preferencialmente associado é o unipolar do tipo ON_PWM. Nesse tipo de padrão, aplica-se modulação por largura de pulso apenas na chave mantida acionada quando da troca de posição elétrica. Adicionalmente, essa modulação por largura de pulso só é aplicada nos 60° elétricos finais da operação da chave, enquanto nos 60° iniciais a chave é mantida ligada continuamente. Assim, é possível minimizar as perdas de chaveamento e ondulação do torque, e também privilegiar o sensoriamento de posição nos 30° elétricos finais de uma determinada posição elétrica.

[00096] No método de acordo com a presente invenção, é possível determinar a aplicação do padrão de chaveamento para a extinção acelerada da corrente residual da fase aberta, por meio do monitoramento das tensões de fase do motor BLDC 10.

[00097] Conforme ilustrado na Figura 4a, quando a corrente residual ib está saindo do motor BDLC 10 pela fase B aberta, a corrente circula pelo diodo de roda-livre superior D3 e conecta a tensão da fase ao barramento. Ainda, conforme ilustrado na Figura 5a, quando a corrente residual ib está entrando no motor BLDC 10 pela fase B aberta, a dita corrente residual ib circula pelo diodo de roda-livre inferior D4 e conecta a tensão da fase à referência do inversor. Assim, é possível monitorar, de forma indireta, a ocorrência da corrente residual por meio da medição da tensão, medida por um observador de tensão 40, da fase que abre do motor BLDC 10.

[00098] Conforme pode ser observado na Figura 10, a presente invenção busca monitorar a ocorrência da corrente residual por meio do sensoriamento das tensões de fase Va, Vb, Vc e da tensão do barramento Vcc e aplicar o padrão de chaveamento para extinção acelerada da corrente residual enquanto essa corrente existir.

[00099] Assim, a tensão lida pelo observador de tensão 40, na fase que se abre, deve ser próxima de zero, ou próxima da tensão do barramento Vcc. Dessa forma, enquanto a tensão medida na fase que abre for próxima de zero ou próxima da tensão de barramento Vcc, ainda há corrente residual circulando pelo motor BLDC 10.

[000100] É importante salientar que esse monitoramento deve ser realizado até a extinção completa da referida corrente residual.

[000101] Uma segunda concretização da presente invenção compreende um método de controle da duração do método de extinção acelerada de corrente residual a fim de proteger o sensoriamento de posição elétrica. A duração do método de extinção acelerada pode ser ajustada e até mesmo cancelada quando o sensoriamento de posição elétrica puder operar sem risco de falhar.

[000102] Naturalmente, o tempo de duração desse método pode variar, dependendo do tipo de aplicação em que ele é utilizado.

[000103] Esse ajuste é possível, conforme pode ser observado nas Figuras 12a e 12b, medindo-se um intervalo de tempo de janela para leitura da tensão induzida tj, um intervalo de tempo de extinção acelerada de corrente residual tf e um intervalo de tempo de extinção de corrente residual te.

[000104] O referido intervalo de tempo de janela para leitura da tensão induzida tj consiste no intervalo de tempo compreendido pelo momento em que uma corrente residual é extinta até o momento em que uma posição elétrica do motor BLDC é detectada.

[000105] Além disso, o referido intervalo de tempo de extinção acelerada de corrente residual tf consiste no intervalo de tempo compreendido pelo momento em que o motor BLDC 10 troca de posição elétrica, e assim é gerada uma corrente residual na fase que é aberta do referido motor BLDC 10, até o momento em que a extinção acelerada de corrente residual não é mais necessária.

[000106] Ademais, o intervalo de tempo de extinção de corrente residual te consiste no intervalo de compreendido pelo momento em que o motor BLDC 10 troca de posição elétrica, e assim é gerada uma corrente residual na fase que é aberta do referido motor BLDC 10, até o momento em que essa corrente residual é extinta.

[000107] É importante salientar que o intervalo de tempo de extinção acelerada de corrente residual tf deve ser saturado no seu valor mínimo, ou seja, zero, e no seu valor máximo, ou seja, igual ao tempo de extinção de corrente residual te.

[000108] Além disso, um sensoriamento adequado da posição elétrica do motor BLDC 10 requer um tempo mínimo desejado para o intervalo de tempo de janela tjmin. O tempo mínimo do tempo de janela tjmin, por sua vez, pode ser definido em função de uma distância elétrica mínima desejada e da velocidade do motor, onde:

[000109] Em que Δθmin é a distância elétrica mínima que se deseja para operação segura do sensoriamento de posição elétrica, e ωθ a velocidade elétrica do motor BLDC 10.

[000110] Assim, o aumento ou a diminuição do intervalo de tempo de extinção acelerada de corrente residual tf é definido comparando-se um tempo mínimo de janela tjmin desejado com o intervalo de tempo de janela para leitura da tensão induzida tj.

[000111] Uma possível aplicação prática da presente invenção tem como objetivo impedir que a proteção contra sobre-corrente feitas por meio de um único sensor de corrente no barramento não seja efetiva durante uma troca de posição elétrica, especialmente nas condições de baixa velocidade como na partida do motor.

[000112] Conforme demonstrado no artigo "Analysis of torque ripple due to phase commutation in brushless DC machines" de Carlson, R. et al publicado em 1992 na IEEE Transactions on Industry Applications, o controle da corrente via controladores de histerese com um único sensor não é tão efetivo durante uma troca de posição elétrica.

[000113] O problema da utilização de um único sensor de corrente no barramento CC se deve a uma limitação desta configuração em monitorar a corrente na fase mantida conectada durante uma troca de posição. Isto acontece porque a corrente que circula pelo sensor de corrente após uma troca de posição é a corrente que circula pela fase conectada, ao invés da corrente na fase mantida na troca de posição.

[000114] Por exemplo, na Figura 4a, a troca de posição foi feita entre a fase B e a fase C, sendo a fase A mantida. Neste caso, a corrente que circula pelo sensor de corrente no barramento CC é a da fase C, ou seja, a fase que foi conectada na troca de posição. De forma semelhante, na Figura 5b a corrente que circula pelo sensor de corrente no barramento CC também é a da fase C, ou seja, a fase que foi conectada na troca de posição.

[000115] Sendo assim, a corrente na fase mantida conectada não é monitorada logo após uma troca de posição, e sua amplitude vai depender da taxa de variação da corrente tanto da fase que está entrando como da fase que está saindo durante a troca de posição.

[000116] No caso específico de operação em baixa velocidade, como por exemplo na partida do motor, a corrente na fase que está entrando sobe rapidamente, enquanto a corrente na fase que está saindo demora mais para se extinguir devido à baixa tensão induzida BEMF do motor. O resultado é que a corrente na fase mantida conectada acaba escapando e gerando uma sobrecorrente transitória durante a extinção da corrente residual, tal como ilustrado na Figura 13a, prejudicando a proteção contra sobrecorrente do motor.

[000117] Conforme demostrado anteriormente, a aplicação do padrão de chaveamento para extinção acelerada da corrente residual também gera uma redução na corrente da fase mantida durante a comutação. Dessa forma, não há mais sobrecorrente durante a troca de posição, tal como ilustrado na Figura 13b, garantindo uma proteção efetiva do motor contra sobrecorrentes mesmo com um único sensor de corrente no barramento.

[000118] Além das concretizações apresentadas anteriormente, o mesmo conceito inventivo poderá ser aplicado a outras alternativas ou possibilidades de utilização da invenção. Por exemplo, em compressores de ar e motores de arranque de veículos.

[000119] Embora a presente invenção tenha sido descrita em relação a certas concretizações preferidas, deve ser entendido que não se pretende limitar a invenção a essas concretizações particulares. Ao contrário, pretende-se abranger todas as alternativas, modificações e equivalências possíveis dentro do espírito e escopo da invenção, conforme definido pelas reivindicações anexas.

Claims

Método de extinção acelerada de corrente residual de uma fase que se abre quando da troca de uma posição elétrica durante o acionamento de um motor BLDC (10), em condições de carga alta, caracterizado pelo fato de que compreende:
utilizar o padrão de modulação por largura de pulso unipolar ON_PWM para acionar o motor BLDC (10);
determinar se há corrente residual por meio do monitoramento da tensão da fase que se abre com o uso de um observador de tensão (40);
enquanto houver corrente residual, aplicar um padrão de chaveamento, nas chaves (S1-S6) do motor BLDC (10), que sobrepõe o padrão de modulação por largura de pulso utilizado e maximiza a tensão sobre a fase aberta para extinção acelerada da dita corrente residual,
o dito padrão de chaveamento compreendendo:
abrir a chave da fase mantida acionada quando da troca de posição elétrica; e
fechar a chave relacionada à fase que foi acionada quando da troca de posição elétrica.
Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que enquanto houver corrente residual saindo da fase que se abre por um diodo de roda-livre superior, a tensão lida pelo observador de tensão (40), da fase que se abre, estará próxima da tensão do barramento (Vcc) e aplica-se o padrão de chaveamento para extinção acelerada da corrente residual.
Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que enquanto houver corrente residual entrando pela fase que se abre por um diodo de roda-livre inferior, a tensão lida pelo observador de tensão (40), da fase que se abre, estará próxima de zero e aplica-se o padrão de chaveamento para extinção acelerada da corrente residual.
Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que o monitoramento da corrente residual deve ser realizado até a extinção completa dessa corrente.
Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o padrão de modulação por largura de pulso unipolar ON_PWM pode ser substituído por qualquer outro padrão unipolar ou bipolar de modulação por largura de pulso.
Método de controle da duração do método de extinção acelerada de corrente residual conforme definido em qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que compreende:
- - ajustar um intervalo de tempo de extinção acelerada de corrente residual (tf) para proteção do sensoriamento de posição elétrica.
Método, de acordo com a reivindicação 6 caracterizado pelo fato de que o intervalo de tempo de extinção acelerada de corrente residual (tf) necessário depende de um intervalo de tempo de janela para leitura da tensão induzida (tj), um intervalo de tempo de janela mínimo (tjmin) e um intervalo de tempo de extinção de corrente residual (te).
Método, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que o intervalo de tempo de janela para leitura da tensão induzida (tj) consiste no intervalo de tempo compreendido pelo momento em que uma corrente residual é extinta até o momento em que uma posição elétrica do motor BLDC (10) é detectada.
Método, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que o intervalo de tempo de extinção de corrente residual (te) consiste no intervalo de tempo compreendido pelo momento em que o motor BLDC (10) troca de posição elétrica, e assim é gerada uma corrente residual na fase que é aberta do referido motor BLDC (10), até o momento em que essa corrente residual é extinta.
Método, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que o intervalo de tempo de extinção acelerada de corrente residual (tf) deve ser saturado no seu valor mínimo, ou seja, zero, e no seu valor máximo, ou seja, igual ao tempo de extinção de corrente residual (te).
Método, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que o intervalo de tempo de janela mínimo (tjmin) é definido e função da distância elétrica mínima (Δθmin) que se deseja para operação segura do sensoriamento de posição elétrica e da velocidade elétrica (ωe)do motor BLDC (10).
Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 6 a 11, caracterizado pelo fato de que o aumento ou a diminuição do intervalo de tempo de extinção acelerada de corrente residual (tf) é definido comparando-se o tempo de janela mínimo (tjmin) com o intervalo de tempo de janela para leitura da tensão induzida (tj).
Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que a aplicação do padrão de chaveamento para extinção acelerada da corrente residual resulta na redução da corrente na fase mantida ligada na troca de posição, evitando a limitação na proteção de sobrecorrente em baixa velocidade feita por um único sensor de corrente no barramento, promovendo uma proteção mais efetiva do motor BLDC 10 contra sobrecorrentes.
Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que, no início da partida do motor BLDC (10), o intervalo de tempo de extinção acelerada de corrente residual (tf) deve ser igual ao tempo de extinção de corrente residual (te).