La presente invenzione si riferisce ad un metodo per il controllo senza sensori di posizione di motori elettrici.
Le attuali evoluzioni di mercato mostrano una tendenza sempre maggiore nel voler utilizzare motori elettrici sempre più economici e di dimensioni ridotte.
In tale ambito, la presente invenzione si propone di indicare un metodo che renda possibile il controllo di motori elettrici senza l'ausilio di sensori di posizione del rotore rispetto allo statore, a già dallo stato di quiete del rotore (fermo) e/o a giri molto bassi.
Questi scopi sono raggiunti, secondo la presente invenzione, da un metodo e da un circuito per il controllo senza sensori di posizione di un motore elettrico aventi le caratteristiche indicate nelle rivendicazioni allegate.
L'idea alla base dell'invenzione è l'analisi del punto stella (l'estrazione dal motore dello stesso non è indispensabile, analisi possibile tramite il terminale "inattivo"), in un motore connesso a stella dove, durante un intervallo di commutazione, sempre due fasi sono attive. Nel caso in cui il motore è invece collegato a triangolo, il punto analizzato è il punto, rispettivamente il terminale, non attivo nell'attuale intervallo di commutazione analizzato. Il principio si basa sulla mutazione dell'induttanza propria delle fasi a dipendenza della posizione del rotore rispetto allo statore.
Grazie all'invenzione risulta possibile pilotare motori elettrici a giri molto bassi (inferiori a 60 giri in un minuto) senza l'ausilio di nessun tipo di sensore di posizione.
Le caratteristiche ed i vantaggi dell'invenzione risulteranno chiari dalla descrizione effettuata con riferimento all'esempio di attuazione illustrato nei disegni annessi, in cui:
<tb>la fig. 1<sep>è una rappresentazione schematica parziale del rotore e dello statore di un motore BLDC (BrushLessDC);
<tb>la fig. 2<sep>è uno schema di circuito che illustra il motore di fig. 1 collegato a stella con relativi semiconduttori di potenza;
<tb>la fig. 3<sep>è una rappresentazione grafica dell'andamento dei segnali di comando dei semiconduttori di potenza attivi di fig. 2;
<tb>la fig. 4<sep>è una rappresentazione grafica dei segnali di comando dei semiconduttori attivi di fig. 2 e della tensione al punto stella, in relazione alla posizione del rotore del motore.
In fig. 1 è rappresentato parzialmente in forma schematica un motore BLDC (BrushLessDC). In tale figura, con 1 sono indicate le fasi del motore, con 2 è indicato lo statore e con 3 è indicato il rotore, provvisto di magneti permanenti 3A. Con Q e D sono indicati due assi radiali del motore. Dall'esempio circuitale di fig. 2 si vede come il suddetto motore sia collegato a stella, mediante relativi semiconduttori di potenza indicati con 4; il terminale o punto stella è indicato con S.
In un determinato intervallo di commutazione vi sono due fasi 1 del motore elettrico attive, alle quali è applicata una tensione. Questa tensione è generata tramite i semiconduttori 4 di potenza, che sono comandati tramite segnali rettangolari, come rappresentato in fig. 3. Come si vede in fig. 3, i semiconduttori 4 sono pilotati in modo complementare bipolare, così da avere in ogni instante una tensione ben definita applicata alle due fase 1 attive. Nel caso di fig. 2, le due fasi 1 attive sono quelle collegate ai terminali A e B, la fase 1 collegata al terminale C essendo invece inattiva: pertanto, in fig. 3, sono rappresentati i segnali di comando delle fasi relative ai terminali A e B.
In particolare, con A1 e A2 è indicato il segnale della fase collegata al terminale A, rispettivamente con semiconduttore 4 alto o basso, mentre con B1 e B2 è indicato il segnale della fase collegata al terminale B, rispettivamente con semiconduttore 4 alto o basso.
L'induttanza propria delle due fasi attive 1 si modifica a dipendenza della posizione del rotore 3 rispetto allo statore 2. Nel caso di perfetta eguaglianza tra le due induttanze, la tensione del punto stella (nel caso in cui il motore sia collegato a stella) o al terminale inattivo (nel caso di collegamento a triangolo), sarebbe esattamente pari alla metà della tensione applicata alle due fasi attive 1 del motore. La variazione dell'induttanza propria del motore risulta in un cambiamento di potenziale al punto stella, come raffigurato nella fig. 4, che rappresenta graficamente i segnali di comando dei semiconduttori 4 attivi di fig. 2 (quelli relativi ai terminali A e B) e la tensione al punto stella S, in relazione alla posizione del rotore 3 del motore.
Nella parte sinistra di tale figura sono raffigurate due possibili posizioni del rotore, indicate rispettivamente con P1 e P2, mentre nella parte destra sono raffigurate le corrispondenti tensioni al punto stella S, indicate rispettivamente con P1 e P2, ed i segnali di comando della fase al terminale A con relativo semiconduttore 4 alto, indicati rispettivamente con P1 e P2.
Come si vede, secondo l'invenzione, la posizione attuale del rotore 3 rispetto allo statore 2 può essere determinata tramite analisi della tensione in un unico punto, quando durante un qualsiasi intervallo di commutazione sono attive solo due fasi 1 del motore ed i semiconduttori di potenza 4 sono pilotati in modo complementare bipolare. L'analisi suddetta si basa sulla variazione della tensione in base alla variazione dell'induttanza propria delle fasi dello statore 2 a dipendenza della posizione del rotore 3.
Nel caso di un motore collegato a stella, se il terminale stella è presente, il punto di misura sarà il terminale stella; nel caso invece in cui il terminale stella non sia presente, il punto di misura sarà il terminale della fase non attiva.
Nel caso invece di un motore collegato a triangolo, il punto di misura sarà il terminale della fase non attiva, ossia non collegato attivamente.
The present invention relates to a method for controlling electric motors without position sensors.
Current market developments show an increasing trend in wanting to use ever cheaper and smaller electric motors.
In this context, the present invention proposes to indicate a method which makes it possible to control electric motors without the aid of rotor position sensors with respect to the stator, already from the state of rest of the rotor (stationary) and / or at revolutions very low.
These objects are achieved, according to the present invention, by a method and a circuit for controlling without position sensors of an electric motor having the characteristics indicated in the attached claims.
The basic idea of the invention is the analysis of the star point (the extraction from the engine of the same is not essential, analysis possible through the "inactive" terminal), in a star-connected motor where, during a switching interval , always two phases are active. In the case in which the motor is instead connected in delta, the point analyzed is the point, respectively the terminal, not active in the current switching interval analyzed. The principle is based on the mutation of the inductance of the phases depending on the position of the rotor with respect to the stator.
Thanks to the invention it is possible to drive electric motors at very low rpm (less than 60 rpm in a minute) without the aid of any type of position sensor.
The characteristics and advantages of the invention will become clear from the description made with reference to the embodiment illustrated in the annexed drawings, in which:
fig. 1 <sep> is a partial schematic representation of the rotor and the stator of a BLDC motor (BrushLessDC);
fig. 2 is a circuit diagram illustrating the engine of FIG. 1 connected in star with relative power semiconductors;
fig. 3 <p> is a graphic representation of the trend of the control signals of the active power semiconductors of fig. 2;
fig. 4 <sep> is a graphical representation of the control signals of the active semiconductors of fig. 2 and of the star point voltage, in relation to the position of the motor rotor.
In fig. 1 a BLDC motor (BrushLessDC) is partially shown in schematic form. In this figure, with 1 the phases of the motor are indicated, with 2 the stator is indicated and with 3 the rotor is indicated, provided with permanent magnets 3A. Q and D indicate two radial axes of the motor. From the circuit example of fig. 2 shows how the aforesaid motor is connected to star, by means of relative power semiconductors indicated by 4; the terminal or star point is indicated with S.
In a given switching interval there are two phases 1 of the active electric motor, to which a voltage is applied. This voltage is generated through the power semiconductors 4, which are controlled by rectangular signals, as shown in fig. 3. As shown in fig. 3, the semiconductors 4 are driven in a complementary bipolar manner, so as to have in each instant a well-defined voltage applied to the two active phases 1. In the case of fig. 2, the two active phases 1 are those connected to the terminals A and B, the phase 1 connected to the terminal C being instead inactive: therefore, in fig. 3, the phase control signals relating to terminals A and B are shown.
In particular, with A1 and A2 the signal of the phase connected to the terminal A, respectively with high or low semiconductor 4, while with B1 and B2 the signal of the phase connected to the terminal B, respectively with high or low semiconductor is indicated.
The inductance of the two active phases 1 changes depending on the position of the rotor 3 with respect to the stator 2. In the case of perfect equality between the two inductances, the voltage of the star point (in the case in which the motor is connected to star) or to the inactive terminal (in the case of a delta connection), would be exactly equal to half the voltage applied to the two active phases 1 of the motor. The variation of the motor's own inductance results in a potential change at the star point, as shown in fig. 4, which graphically represents the control signals of the active semiconductors 4 of fig. 2 (those relating to terminals A and B) and the voltage at point star S, in relation to the position of the motor rotor 3.
On the left side of this figure two possible positions of the rotor are shown, respectively indicated with P1 and P2, while on the right side the corresponding voltages at the star point S, shown respectively with P1 and P2, and the phase control signals are shown. terminal A with relative high semiconductor 4, indicated respectively with P1 and P2.
As can be seen, according to the invention, the current position of the rotor 3 with respect to the stator 2 can be determined by analyzing the voltage at a single point, when during any switching interval only two phases 1 of the motor and the semiconductors are active. power 4 are driven in a complementary bipolar manner. The aforementioned analysis is based on the variation of the voltage based on the variation of the inductance proper to the phases of the stator 2 depending on the position of the rotor 3.
In the case of a star-connected motor, if the star terminal is present, the measuring point will be the star terminal; if instead the star terminal is not present, the measuring point will be the terminal of the phase not active.
In the case of a delta-connected motor, the measuring point will be the terminal of the non-active phase, ie not actively connected.