ES2225340T3 - Sistema para la conmutacion electronica de un motor de corriente continua sin escobillas. - Google Patents

Abstract

Sistema para la conmutación electrónica de un motor de corriente continua (1) sin escobillas con tres tramos de devanado (u, v, w) eléctricos desfasados en 120º, con un puente semiconductor (4) que controla los tramos de devanado (u, v, w) para la generación de un campo rotativo magnético de rotor, compuesto por seis semiconductores de potencia (S1 a S6), una unidad de mando (6) que controla correspondientemente los semiconductores de potencia (S1 a S6), así como un dispositivo para la determinación de la respectiva posición angular de un rotor que presenta un armazón polar de imán permanente, estando constituido el dispositivo para la determinación de la posición angular del rotor como unidad de evaluación (8) sin sensores para la evaluación de la tensión medible en la conexión de devanado no dirigida del motor e inducida por el armazón polar rotativo, caracterizado porque la unidad de mando (6) controla los semiconductores de potencia (S1 a S6) en doce estados de conmutación distintos enfunción de las posiciones angulares del rotor por encima de una rotación eléctrica del motor de corriente continua (1) mediante una conmutación de 12 etapas.

Description

Sistema para la conmutación electrónica de un motor de corriente continua sin escobillas.

La presente invención se refiere a un sistema para la conmutación electrónica de un motor de corriente continua sin escobillas con tres tramos de devanados eléctricos desfasados 120º, con un puente semiconductor que controla los tramos de devanado para la generación de un campo rotativo magnético de rotor, compuesto por seis semiconductores de potencia, una unidad de mando que controla correspondientemente los semiconductores de potencia, así como un dispositivo para la determinación de la respectiva posición angular de un rotor que presenta un armazón polar de imán permanente, estando constituido el dispositivo para la determinación de la posición angular del rotor como unidad de evaluación sin sensores, de tal modo que se lleva a cabo una determinación y una evaluación de la tensión medible en la conexión de devanado no dirigida del motor e inducida por el armazón polar rotativo.

Para la conmutación electrónica de motores de corriente continua sin colectores, deben proporcionarse básicamente informaciones acerca de la posición angular actual del rotor de imán permanente con relación al estator a la unidad de mando que controla el puente semiconductor, de modo que para la generación de un momento de rotación, en el sentido de rotación deseado, puedan controlarse los respectivos tramos de devanado adecuadas para así generar un campo rotatorio del estator óptimo. En general, la posición del rotor se determina mediante sensores de posición angular, especialmente mediante sensores de Hall, a partir del campo de imán permanente del rotor. A menudo deben separase físicamente, sin embargo, el motor y su sistema electrónico de conmutación, de modo que se requieren conexiones eléctricas a través de las cuales se alimentan, por una parte, las fases de devanado, y, por otra, se transfieren las señales de los sensores de posición angular del rotor al sistema electrónico de mando. Los conductores de conexión y las conexiones necesarias, por ejemplo, uniones por enchufe, conllevan un elevado coste especialmente para la fabricación (montaje) y el material, aumentando además la propensión a sufrir averías.

Al contrario, en sistemas de esta clase se prevé una determinación sin sensores de las posiciones angulares del rotor por el que puede prescindirse de sensores (de Hall) y correspondientemente de conexiones separadas. En lugar de ello, se determinan y evalúan las polaridades o cambio de polaridad (pasos por cero) de las tensiones (tensión del armazón polar o fuerza electromotriz) inducidas en los devanados del motor por parte del campo de rotor de imán permanente mediante la conexión de devanado sin corriente respectivamente no controlada.

Un sistema de conmutación sin sensores de este tipo se conoce, por ejemplo, por el documento EP
0 881 761 A1. En él, para la determinación de posiciones del rotor sin sensores, se determinan las tensiones en tres conexiones de devanado de motor mediante un circuito de detección de la fuerza electromotriz, y a partir de ello se generan tres señales de salida binarias correspondientes. Mediante una rotación eléctrica del rotor se producen de este modo seis combinaciones distintas de estas señales de salida, lo que posibilita una determinación de la posición del rotor en segmentos de 60º. A cada combinación o cada segmento de posición del rotor se le asigna un estado de conmutación del semiconductor de puente (sincronizándose por modulación de la duración de impulsos en el respectivo estado de conmutación un semiconductor para el posicionamiento de la velocidad de rotación). En una rotación eléctrica, por tanto, existen seis estados de conmutación distintos separados 60º. De este modo se conecta progresivamente la excitación del estator (campo del estator) en seis etapas dentro de una rotación eléctrica, de modo que se trata de una conmutación en 6 etapas.

En los documentos EP 0 872 948 A1, DE
39 34 139 C2, DE 33 06 642 C2 y DE 36 02 227 A1 se describen también circuitos de conmutación similares con conmutación de 6 etapas.

El documento US-A 5 491 393 describe un control por conmutación para motores de corriente continua, sin escobillas, que consiste también básicamente en una conmutación de 6 etapas, ya que la rotación eléctrica del motor en cuanto al sentido variable de la excitación del estator se divide en seis etapas básicas. Cada una de estas etapas básicas se subdivide en dos secciones, pero entre ellas sólo se lleva a cabo un cambio del semiconductor sincronizado respectivamente por modulación de la duración de impulsos. En cada etapa, sin embargo, siempre se encuentran activos únicamente dos de los seis elementos conmutadores semiconductores del circuito puente de potencia, de modo que siempre se conectan de forma activa únicamente dos de las tres conexiones de devanado a través de los elementos conmutadores con la conexión positiva o negativa de la fuente de tensión continua. Por ello, tan sólo pueden existir seis direcciones distintas de la excitación del estator, de modo que se trata de forma inequívoca de una conmutación en 6 etapas en sentido estricto.

El documento US-A-5 835 992 presenta un estado de la técnica muy similar al del documento US-A-5 491 393, según el cual se prevén igualmente seis por dos estados de conmutación o combinaciones de conmutadores, pero también aquí la dirección de la excitación del estator se modifica únicamente en seis etapas (= conmutación de 6 etapas).

La presente invención se propone el objetivo de desarrollar un sistema del tipo genérico descrito al principio con el que, manteniendo una determinación de la posición del rotor sin sensores, económica y poco propensa a averías, se alcance una reducción del ruido de marcha y de conmutación.

Según la invención, con un sistema de esta clase, esto se consigue por el hecho de que la unidad de mando controla los semiconductores de potencia en función de las posiciones angulares del rotor por encima de una rotación eléctrica del motor de corriente continua mediante una conmutación en 12 etapas en doce estados de conmutación distintos. Esta conmutación en 12 etapas se lleva a cabo de tal modo que cada uno de estos 12 estados de conmutación provoca otro estado de excitación del estator que afecta a la dirección del campo magnético generado en el mismo. Para ello, se prevé que se produzcan de forma continuamente alternada, por un lado, estados de conmutación en los que se controlan dos semiconductores de potencia del puente semiconductor y, por otro, estados de conmutación en los que se controlan tres semiconductores de potencia. En una conmutación en 6 etapas, en cambio, los semiconductores de potencia se controlan en unos estados de conmutación que conllevan exclusivamente seis estados de excitación distintos del estator. En la conmutación de 12 etapas, la excitación del estator se conecta progresivamente en etapas angulares respectivas más pequeñas que en una conmutación en 6 etapas, generándose así un campo rotatorio de estator más continuo.

La presente invención se basa en el conocimiento de que, aplicando una conmutación en 6 etapas, se producen durante el instante de conmutación, por una modificación repentina de la excitación del estator, ruidos en el motor, los llamados "clics de conmutación". En aplicaciones del motor eléctrico como accionamiento para un ventilador o un soplador, estos ruidos de conmutación son especialmente acentuados y molestos, sobre todo en el intervalo inferior de velocidad de rotación, durante el cual los ruidos de corriente se producen de fondo, y por ello no son aceptables en muchas aplicaciones concretas. Según la invención puede alcanzarse una reducción considerable de dichos ruidos (especialmente en motores con un rotor exterior) proporcionando, para cada rotación eléctrica, el doble de estados de conmutación de los semiconductores de potencia del puente semiconductor en lugar de sólo seis, es decir, que la excitación del estator se conecta progresivamente en doce etapas en lugar de seis dentro de un ángulo de rotación eléctrico de 360º.

Una conmutación en 12 etapas de este tipo ya se conoce actualmente, aunque exclusivamente provista de unos sensores especiales para la determinación de la posición del rotor. Esto es debido a que los expertos, hasta ahora, han asumido siempre que una realización sin sensores de una conmutación en 12 etapas no resultaba posible porque una determinación de la posición del rotor sin sensores siempre presupone que una conexión de devanado está desprovista de corriente, es decir, separada de la fuente de tensión continua, para poder determinar con una unidad de evaluación sin sensores la tensión de armazón polar (fuerza electromotriz) inducida. Esto, en una conmutación en 12 etapas y al contrario que en una conmutación en 6 etapas, no es el caso general, ya que se producen zonas con superposiciones de corriente de devanado en las que las tres conexiones de devanado conducen corriente.

En este sentido, la presente invención se basa en el conocimiento adicional de que una conmutación en 12 etapas tan sólo resulta posible en caso de que se asegure que los cambios de polaridad o los pasos por cero de la tensión de armazón polar quedan exactamente en aquellos intervalos (drásticamente reducidos en una conmutación de 12 etapas) en los que respectivamente la correspondiente conexión de devanado está separada de la fuente de tensión continua y, por ello, puede emplearse en la determinación de las magnitudes relevantes para el control del dispositivo.

En concreto, esto se consigue preferentemente por el hecho de que la unidad de evaluación de la fuerza electromotriz determina y evalúa respectivamente la tensión del armazón polar entre una conexión de devanado del motor y un punto de referencia conjunto. En este caso, el punto de referencia puede consistir, en caso de que los devanados del motor estén conectados en estrella, en el punto neutro efectivo del motor, extraído mediante un cable, o bien en una red equilibradora del punto neutro. Debe señalarse que puede transferirse también una conexión en triángulo de forma ficticia a una conexión en estrella. La unidad de evaluación de la fuerza electromotriz determina prácticamente la tensión de tramo o "fuerza electromotriz de tramo" respectiva en el sistema en estrella en lugar del "conductor-fuerza electromotriz" desfasado en 30º respecto al anterior e interconectado, es decir, medible entre dos conexiones de devanado. Gracias a esta medida según la invención, se consigue que sea posible determinar los pasos por cero de la tensión del armazón polar, ya que estos se dan exactamente en la etapa en la que una conexión de devanado está sin corriente precisamente durante un corto intervalo de 30º. En cambio, no sería adecuada una determinación y evaluación de la tensión respectiva entre dos conexiones de devanado del motor para una conmutación en 12 etapas, ya que en este caso los pasos por cero de la tensión de armazón polar inducida se producirían siempre cuando las tres conexiones de devanado condujeran corriente, es decir, estuvieran conectadas a la fuente de tensión continua, de modo que resultaría totalmente imposible la determinación.

Otras características de configuración ventajosas de la invención se encuentran en las subreivindicaciones.

A continuación se describe con mayor detalle la invención a partir de las figuras. Estas muestran:

La figura 1, un esquema básico de conexiones de un sistema de conmutación según la invención,

La figura 2, un esquema de conexiones de una realización preferente de una unidad de evaluación de fuerza electromotriz,

La figura 3, diversos diagramas de ejemplo de secuencias en la aplicación del sistema de conmutación según la invención,

La figura 4, un diagrama de flujo de la secuencia de mando para el sistema de conmutación según la invención,

La figura 5, el correspondiente flujo de diagrama especial para el proceso de arranque,

La figura 6, diagramas para el funcionamiento de arranque y normal y

La figura 7, una representación ampliada del intervalo de tiempo VII de la figura 6.

Como se desprende, en primer lugar, de la figura 1, un motor de corriente continua 1 de tres fases es controlado por un sistema de conmutación (sistema electrónico de conmutación) 2 según la invención. En el motor 1 se indican solo un estator con tres tramos de devanado u, v, w desfasadas respectivamente en 120º; no se ha representado un rotor de imán permanente (armazón polar) perteneciente al sistema. En el ejemplo representado, las tramos de devanado u, v, w están conectadas en estrella, aunque según la invención también resulta posible una conexión en triángulo. Las tramos de devanado u, v, w están conectadas mediante sus conexiones de fase U, V, W con un conductor constituido como puente semiconductor 4. El puente semiconductor 4 está compuesto por seis semiconductores de potencia S_{1} a S_{6}, controlados por su parte por parte de una unidad de mando 6 a través de señales de mando \Sigma_{S1} a \Sigma_{S6}, y ello en función de las respectivas posiciones angulares del rotor. Para determinar las posiciones angulares del rotor se prevé una unidad de evaluación de la fuerza electromotriz 8, conectada a las conexiones de fase de devanado u, v, w para determinar la fuerza electromotriz inducida por el rotor rotativo o la así llamada tensión de armazón polar y evaluarla según sus polaridades o pasos por cero. En función de ello, la unidad de evaluación de la fuerza electromotriz 8 produce las correspondientes señales de salida \Pi_{EU}, \Pi_{EV} y \Pi_{EW} para la unidad de mando 6. Para generar un campo rotatorio de estator magnético, la unidad de mando 6 controla los semiconductores de potencia S_{1} a S_{6} en combinaciones cíclicamente variables, conectándose las conexiones de devanado U, V, W con la conexión positiva o negativa de una fuente de tensión continua 10 o bien separada por alta impedancia de la fuente de tensión 10. Se alcanza el funcionamiento del motor 1 respecto a un rendimiento elevado, despreciando la constante de tiempo eléctrica de las tramos de devanado del motor, cuando la fuerza electromotriz detectable entre las conexiones de devanado U, V, W tiene el mismo gradiente y la misma posición de fase que la tensión predeterminada por el puente semiconductor 4 en estas conexiones. Para el control correspondiente, se suministran a la unidad de mando 6 las señales de salida \Pi_{EU}, \Pi_{EV} y \Pi_{EW} de la unidad de evaluación de la fuerza electromotriz 8, las cuales corresponden a la polaridad de la fuerza electromotriz inducida en las tramos de devanado u, v, w del motor 1 y reflejan la posición actual del rotor. Además, la unidad de mando 6 presenta una entrada de mando 6a mediante la cual puede suministrarse una señal de ajuste de la velocidad de rotación S_{D} para actuar sobre la velocidad de rotación del motor.

En aquellas fases en las que respectivamente dos de los tres tramos de devanado están conectadas a la fuente de tensión continua 10 pero la tercera conexión de devanado está separada por alta impedancia de la fuente de tensión 10, puede emplearse esta última para la determinación de la fuerza electromotriz (tensión de armazón polar) inducida en esta fase de devanado. La unidad de evaluación de la fuerza electromotriz 8 determina la polaridad respectiva de la fuerza electromotriz de fase, y produce a partir de ella las tres señales de salida binarias \Pi_{EU}, \Pi_{EV} y \Pi_{EW}, las cuales se asignan respectivamente a una fase de devanado y que, por ejemplo, suministran una señal lógica 1 para una tensión positiva a la correspondiente fase de devanado y una señal lógica 0 para una tensión negativa. Mediante una rotación eléctrica del motor 1 resultan, básicamente de forma análoga a un método con sensores con circuitos sensores de Hall situados en el motor, seis combinaciones distintas de salida que pueden asignarse unívocamente a una determinada posición del rotor (en segmentos de 60º).

En el diagrama 3a de la figura 3 pueden verse esquemáticamente las tensiones E_{U}, E_{V} y E_{W} (fuerzas electromotrices) inducidas por el armazón polar rotativo en las fases individuales de devanado. En el diagrama 3b pueden observarse las correspondientes tensiones E_{U-V}, E_{V-W} y E_{W-U}, las cuales podrían detectarse respectivamente entre dos conexiones de devanado. Además, el diagrama 3b muestra la secuencia real superpuesta de las tensiones U_{U-V}, U_{V-W} y U_{W-U} aplicadas a las conexiones de devanado y las tensiones inducidas. En el diagrama 3c se representan idealmente las señales de salida \Pi_{EU}, \Pi_{EV} y \Pi_{EW} de la unidad de evaluación de la fuerza electromotriz 8, representadas a modo de ejemplo para el motor conectado en estrella.

Aunque los estados de las señales de salida representadas en la figura 3c cambian respectivamente cada 60º, según la invención se prevé que la unidad de mando 6 controle los semiconductores de potencia S_{1} a S_{6} del puente semiconductor 4 en función de las señales de salida según la figura 3c por encima de una rotación eléctrica mediante una conmutación en 12 etapas, es decir, en doce estados de conmutación distintos. Así se alternan, por un lado, estados en los que se controlan dos de los seis semiconductores de potencia, y por otro aquellos en los que se controlan tres de los seis semiconductores de potencia. En aquellos estados de conmutación con dos semiconductores de potencia activos, dos de las tres conexiones de devanado (U, V, W) están conectadas a la fuente de tensión continua 10, y en aquellos con tres semiconductores de potencia activos todas las conexiones de devanado están conectadas a la fuente de tensión continua. Cada uno de estos estados de conmutación conduce a otro estado de excitación del estator, lo que afecta a la dirección del campo magnético generado en el mismo. En una configuración preferente, en cada uno de estos estados de conmutación se sincroniza, preferentemente por modulación de la duración de impulsos, uno de los semiconductores de potencia para el ajuste de la velocidad de rotación.

Como en una conmutación de 12 etapas se producen necesariamente fases en las que periódicamente las tres conexiones de devanado se encuentran a un potencial definido, y por ello no se dispone de ninguna conexión de devanado abierta para la determinación de la fuerza electromotriz, según la invención se procura que los pasos por cero de las fuerzas electromotrices relevantes desde el punto de vista técnico del control queden en aquellos intervalos en los que respectivamente una conexión de devanado está separada de la fuente de tensión continua.

Según la figura 2, esto se consigue mediante un tipo especial de unidad de evaluación de la fuerza electromotriz 8, configurada de tal modo que determina y evalúa la tensión de armazón polar (fuerza electromotriz) entre una conexión de devanado del motor U, V, W y un punto de referencia X conjunto. En el ejemplo de conmutación representado en la figura 2, el punto de referencia X consiste en un punto neutro resistivo del motor conectado progresivamente. Las tensiones tomadas en las conexiones de devanado U, V, W se comparan con el potencial existente en el punto de referencia X mediante unos comparadores U1A, U1B y U1C, a las salidas de los cuales se generan las señales de salida binarias \Pi_{EU}, \Pi_{EV} y \Pi_{EW}.

Como se desprende, además, de la figura 3, la unidad de mando 6 deriva de las señales de salida \Pi_{EU}, \Pi_{EV} y \Pi_{EW} de la unidad de evaluación de la fuerza electromotriz 8 las señales de mando \Sigma_{S1} a \Sigma_{S6} para el puente semiconductor 4. Esta relación resulta de los diagramas 3c, 3d y adicionalmente 3e, observándose en el 3d las señales de mando individuales para los semiconductores de potencia, y en el 3e las tramos de devanado del motor en los respectivos estados de excitación. Los doce estados de conmutación distintos \Sigma_{1} a \Sigma_{12} de los semiconductores de potencia según la figura 3d provocan doce estados de excitación distintos del estator (figura 3e) en relación con las tensiones aplicadas en las conexiones de devanado del motor, que conducen en doce direcciones distintas y sucesivas para constituir el campo magnético del estator. A continuación se explica el principio de funcionamiento en régimen normal a partir del estado \Sigma_{1}.

En el estado \Sigma_{1}, los conmutadores S_{3} y S_{6} están activos. El S_{3} conduce de forma continua, y el S_{6} se sincroniza preferentemente por modulación de duración de impulsos con el ajuste de la velocidad de rotación, lo que indica la parte rayada de la señal \Sigma_{S6}. Como sólo dos conmutadores semiconductores conducen, la detección de la fuerza electromotriz no resulta posible en el devanado u por la que no circula corriente, es decir, en la conducción de devanado U no conectada a la fuente de tensión continua 10. Por rotación del rotor, la fuerza electromotriz cambia en este devanado su polaridad en el instante t_{2}, lo que resulta en un cambio de nivel de la señal \Pi_{EU}. Este flanco del impulso activa el estado de conmutación \Sigma_{2}, que se sitúa, según la conmutación en 12 etapas, entre dos estados de la conmutación en 6 etapas convencional para reducir el ruido de conmutación y de marcha del motor. En este estado, los semiconductores de potencia S_{2}, S_{3} y S_{6} conducen corriente, es decir, que todas las conexiones de devanado están conectadas a la fuente de tensión continua 10, por lo que ya no resulta posible una detección de la fuerza electromotriz. Por ello, se calcula un tiempo de conmutación t_{kom} a partir de la velocidad de rotación actual del motor y de un ángulo de rotación \varphi_{kom} predeterminado. Este tiempo t_{kom} se inicia en el instante t_{2} y finaliza en el instante t_{3} de la transición al siguiente estado de conmutación \Sigma_{3}, en el que se desconecta S_{6}. La conexión de devanado W ya no se encuentra conectada a la fuente de tensión continua 10, lo que permite realizar una detección de la fuerza electromotriz en la fase w. Con el siguiente cambio de nivel de la señal \Pi_{EW} en el instante t_{4}, esta secuencia se repite análogamente, como se desprende de la figura 3d.

En la figura 4, esta secuencia de mando descrita se representa de forma genérica en forma de diagrama de flujo. Debido al texto incluido en la figura 4, no se requieren explicaciones adicionales al respecto.

En la figura 3 y según la invención, las siguientes regularidades se dan en la modulación por duración de impulsos preferentemente prevista para la modificación de la tensión de devanado efectiva, es decir, para actuar sobre la velocidad de rotación:

a)

Durante cada etapa de conmutación, se sincroniza como máximo un semiconductor de potencia por modulación de duración de impulsos.

b)

Cada semiconductor se sincroniza por modulación de duración de impulsos para un ángulo eléctrico coherente de 60º.

c)

En el cambio de un estado par (\Sigma_{2}, \Sigma_{4}...), estando activos respectivamente tres semiconductores, a un estado impar (\Sigma_{1}, \Sigma_{3}...) con dos semiconductores respectivamente activos, el semiconductor sincronizado por modulación de duración de impulsos no cambia. En el cambio de un estado impar a un estado par, el semiconductor sincronizado por modulación de duración de impulsos cambia.

d)

El grado de modulación del semiconductor sincronizado por modulación de duración de impulsos es preferentemente distinto para estados pares e impares, siendo especialmente menor en los estados pares que en los impares.

Como ya se ha explicado, la conmutación en 12 etapas resulta posible porque en la secuencia de conmutación unida a la unidad de evaluación de la fuerza electromotriz 8 especial, por ejemplo, según la figura 2, el cambio de polaridad de la fuerza electromotriz ocurre siempre en una fase en un instante en el que la conexión de devanado correspondiente está abierta y, por ello, está disponible para la determinación y evaluación de la tensión inducida por el armazón polar.

La constante de tiempo eléctrica del devanado del motor no es nula en el caso real. Por ello, se produce un desplazamiento de fase en función de la frecuencia o de la velocidad de rotación entre la corriente de devanado y la tensión alterna aplicada en los devanados, por lo que el rendimiento del motor desciende. Para compensar este fenómeno, la conmutación debe llevarse a cabo con una velocidad de rotación creciente en un instante anterior.

Para los estados impares \Sigma_{1}, \Sigma_{3}, \Sigma_{5}, \Sigma_{7}, \Sigma_{9} y \Sigma_{11}, esto tiene lugar, según la invención, a través del ángulo \varphi_{kom}, que se ajusta a la velocidad de rotación actual del motor. Al aumentar la velocidad de rotación, el ángulo \varphi_{kom} decrece, con lo que la conmutación se lleva a cabo antes. En los estados pares \Sigma_{2}, \Sigma_{4}, \Sigma_{6}, \Sigma_{8}, \Sigma_{10} y \Sigma_{12}, este encendido adelantado no resulta posible, ya que en dicho caso no podría detectarse el cambio de polaridad de la fuerza electromotriz.

En una configuración ventajosa de la invención, el ángulo \varphi_{kom} se ajusta en función de la velocidad de rotación en relación con el comportamiento deseado del motor. En general se exige un rendimiento lo más elevado posible, con lo que se modifica el ángulo \varphi_{kom} de forma degresiva con la velocidad de rotación. En cambio, los estados pares \Sigma_{2}, \Sigma_{4} a \Sigma_{12} se predeterminan simultáneos con el cambio de polaridad de la fuerza electromotriz.

En otra variante ventajosa, a partir de una velocidad de rotación n_{Grenz} del motor predeterminada, los estados pares se reemplazan con los estados impares anteriores. En caso de que la velocidad de rotación sea menor que, la secuencia ...\Sigma_{1}, \Sigma_{2}, \Sigma_{3}...\Sigma_{11}, \Sigma_{12}, \Sigma_{1}... se predetermina por parte de la unidad de mando 6, y si, en cambio, la velocidad de rotación es mayor, se da la secuencia ...\Sigma_{1}, \Sigma_{1}, \Sigma_{3}, \Sigma_{3},... \Sigma_{11}, \Sigma_{11}, \Sigma_{1}... Evidentemente, lo mismo vale en la sucesión contraria para el otro sentido de rotación del motor.

Hasta el momento, se ha partido de un motor en rotación (marcha normal). Con el motor parado, en cambio, (aún) no se induce ninguna fuerza electromotriz en los devanados, con lo falta que la información acerca de la posición del rotor. Para el arranque sin sensores, por tanto, se aplica preferentemente otro procedimiento. En este caso puede trasladarse ventajosamente la conmutación en 12 etapas al proceso de arranque del motor. En este caso se aplican especialmente los pasos intermedios adicionales inseridos en la conmutación en 12 etapas en comparación con la conmutación en 6 etapas.

Según el estado de la técnica, en el arranque del motor (tras orientar el rotor en una posición definida mediante la aplicación de corriente continua en los devanados) se predetermina una secuencia de etapas sin tener en cuenta las señales de la unidad de evaluación de la fuerza electromotriz (el llamado ámbito de acción abierto), hasta que se alcanza una velocidad de rotación lo suficientemente elevada, es decir, que las amplitudes de la fuerza electromotriz son lo suficientemente grandes para determinar su polaridad. Esta secuencia de etapas se fija para una determinada constante mecánica de tiempo del sistema de accionamiento. Las dificultades resultan en caso de relaciones de carga variables o momentos de inercia diferentes. En este caso puede ocurrir que el rotor no pueda seguir la secuencia de etapas y, en consecuencia, no arranque.

Por motivos de costes, a menudo se aplica, para el control de los semiconductores de potencia S_{1}, S_{3}, S_{5}, según la figura 1 "superiores" (impares), para la alimentación de tensión de las etapas de excitación correspondientes, una conmutación llamada bootstrap (secuencia de instrucciones iniciales). Este principio de conmutación presenta sin embargo la desventaja de que los conmutadores semiconductores "superiores" no pueden conectarse tanto tiempo como se desea, o que una derivación del puente no puede permanecer inactiva todo el tiempo que se desea, ya que en caso contrario la tensión a través del condensador bootstrap puede descender hasta un valor insuficiente. En motores de arranque lento, pueden surgir dificultades en el proceso de control.

Un procedimiento de arranque preferente debe superar las desventajas mencionadas.

Este proceso de arranque preferente se basa en el conocimiento de que la fuerza electromotriz puede determinarse de forma fiable incluso para velocidades de rotación relativamente pequeñas mientras todos los devanados permanezcan sin corriente. En caso de flujo de corriente, y debido entre otros a las perturbaciones provocadas por los procesos de conmutación en la modulación por duración de impulsos, se requieren velocidades de rotación mayores, es decir, amplitudes mayores de la fuerza electromotriz, para poder evaluar de forma fiable la fuerza electromotriz.

En la figura 6, así como en la sección ampliada de la figura 7, pueden observarse respectivamente las señales de salida \Pi_{EU}, \Pi_{EV} y \Pi_{EW} de la unidad de evaluación de la fuerza electromotriz 8, así como el recorrido de corriente I en uno de los cables de alimentación del motor. El proceso de aceleración de arranque, desde el estado de parada, está compuesto por las fases de servicio I alineado, II frecuencia de arranque y III marcha normal. Para la alineación en la fase I se suministra corriente continua a todas las fases de devanado. El rotor se alinea así en una posición predeterminada. A partir de la posición del rotor ahora conocida de forma inequívoca se hace pasar corriente de un modo adecuado a través de los devanados del motor, hasta que se alcanza una velocidad de rotación lo suficientemente elevada. A continuación tiene lugar la conmutación según el principio ya descrito más arriba. La secuencia de arranque II especial se describe con mayor detalle a continuación a partir de la figura 7.

Tras alinear el rotor, por ejemplo, determinándose el estado de conmutación \Sigma_{2} por parte de la unidad de mando 6 a través de las señales de mando \Sigma_{S1} a \Sigma_{S6} (ver la figura 6), tiene lugar en un instante t_{1} la determinación del estado \Sigma_{6}, lo que comporta una conexión progresiva del campo del estator, con lo que el rotor acelera en el sentido de rotación deseado. Este estado se mantiene durante el tiempo t_{\Sigma 6}, y hasta el instante t_{2} se desconectan todos los semiconductores del puente semiconductor 4. Así se dejan todas los tramos del devanado sin corriente, con lo que a pesar de la velocidad de rotación, aún relativamente pequeña, resulta posible una detección segura del cambio de polaridad de la fuerza electromotriz en la fase u en el instante t_{3}, lo que señala el flanco ascendente de la
señal \Pi_{EU}. Además, el siguiente estado \Sigma_{8} se activa durante el tiempo t_{\Sigma 8}. El devanado dejado sin corriente tras su desconexión en el instante t_{4} permite una detección fiable del cambio de polaridad de la fuerza electromotriz en la fase w, señalizada por el flanco descendente de la señal \Pi_{EW} en el instante t_{5}. Este flanco introduce el estado \Sigma_{10}. Esta secuencia se repite análogamente hasta que se han dado un número determinado de estados N_{\Sigma} o hasta que se ha rebasado una velocidad de rotación n_{min} determinada. En este caso se produce la transición al régimen normal de marcha, es decir, la aplicación del principio de la conmutación en 12 etapas arriba mencionado.

En la figura 5 se representa de forma complementaria el transcurso descrito del principio básico del proceso de arranque en general en forma de un diafragma de flujo.

El método descrito presenta la ventaja decisiva de que consiste en un ámbito de acción cerrado, es decir, que desde la primera fase de aceleración tras la alineación del rotor, se integra en todo momento el recorrido de la fuerza electromotriz en la secuencia de mando. En comparación con una secuencia de arranque con un ámbito de acción abierto, en la que al inicio, debido a la alimentación constante de corriente de los devanados no puede realizarse la detección de la fuerza electromotriz, se alcanza un comportamiento de arranque sensiblemente mejor. Incluso en el caso de que el motor deba arrancar con una fuerte carga, la conmutación tiene lugar en todo momento en el instante correcto, ya que se produce una integración de la fuerza electromotriz.

En los estados determinados durante la secuencia de arranque II (en el ejemplo, \Sigma_{2}, \Sigma_{6}, \Sigma_{8}, \Sigma_{10}...), para diferentes constantes mecánicas de tiempo del sistema se calculan o se obtienen empíricamente los tiempos t_{\Sigma 2}, t_{\Sigma 6}, t_{\Sigma 8}, t_{\Sigma 10} correspondientes a partir de la ecuación de movimiento, y se almacenan en la unidad de mando 6. Tras cada etapa de secuencia de arranque se comprueba a través de \Deltat cuánto se desvía la duración temporal de la duración óptima, y con ello se selecciona, a partir de los tiempos almacenados, la duración adecuada para el estado siguiente. El proceso se ajusta así automáticamente a la constante mecánica de tiempo del sistema dentro de ciertos límites. Gracias a este método adaptivo, se consigue un buen comportamiento de arranque en un amplio intervalo de casos de carga distintos y diversos momentos de inercia.

Los tiempos t_{\Sigma 6}, t_{\Sigma 8}, t_{\Sigma 10},... según la figura 7 se orientan según la carga mínima y el momento de inercia mínimo posible de las fuerzas rotativas y se pueden calcular de manera simple a partir de la ecuación de movimiento o también empíricamente.

En otro perfeccionamiento ventajoso de este procedimiento se mide la duración \Deltat (véase nuevamente la figura 7) después de la desconexión del interruptor de semiconductor del puente 4, por ejemplo, hasta el momento t_{2} hasta la detección de la modificación de polaridad de la fuerza electromotriz en la bobina u en el momento t_{3}, desde la unidad de mando 6. \Deltat se toma como medida que se acelera el motor, es decir, qué constante de tiempo del sistema existe. En función del tiempo medido \Deltat_{i} después del estado \Sigmai se adapta la duración del siguiente estado t_{\Sigma i+1}, y concretamente de tal manera que se alcanza una aceleración máxima. Con \Deltat_{i} grande se amplia la duración t_{\Sigma i+1} e inversamente.

Una posible realización de este principio puede ser como se indica a continuación. Para una secuencia de arranque determinada comprende estados consecutivos (por ejemplo, \Sigma_{2}, \Sigma_{4}, \Sigma_{6}, \Sigma_{8}, \Sigma_{10}...) para diferentes constantes de tiempo mecánicas del sistema, los correspondientes tiempos t_{\Sigma 2}, t_{\Sigma 6}, t_{\Sigma 8}, t_{\Sigma 10}, ... de la ecuación del movimiento o se determina empíricamente y se almacena en la unidad de mando 6. Después de cada paso de la secuencia de arranque se comprueba a través de \Deltat, hasta qué punto la duración predeterminada se aparta de la óptima y de este modo se selecciona de los tiempos almacenados la duración adecuada para el siguiente estado. El procedimiento se adapta a las constantes de tiempo mecánica del sistema automáticamente a ciertos limites. Mediante este método adaptativo se consigue en una gran gama de casos de carga distintos y diferentes momentos de inercia se consigue un buen comportamiento de arranque.

Un perfeccionamiento adicional de este principio lo representa un método autoadaptativo que durante la secuencia de arranque se ajusta al motor respectivamente conectado, en caso de que, por ejemplo, se emplee el mismo sistema electrónico para distintos motores. El requisito para un método de este tipo, sin embargo, es que las relaciones de carga y momentos de inercia del sistema no cambien drásticamente de un arranque a otro, lo que, por ejemplo, puede asumirse de forma general en el ámbito de las técnicas de aireación. Para arrancar, se predetermina de nuevo una secuencia de arranque fijada con anterioridad como se ha descrito más arriba. Durante el arranque se determinan consecutivamente los tiempos \Deltat_{i}, y los correspondientes tiempos t_{\Sigma i} varían alrededor de los valores de corrección \Deltat_{\Sigma i} de tal modo que en la siguiente aceleración de arranque del motor \Deltat_{i} descendería hasta cero. Los valores de corrección \Deltat_{\Sigma i} se almacenan en la unidad de mando 6 durante largo tiempo, por ejemplo, en una EEPROM. En cada arranque mejora, con este procedimiento, el comportamiento de arranque del motor. Tras algunos arranques, se alcanza finalmente el arranque óptimo para el caso de carga y el momento de inercia determinados, quedando inmediatamente disponible para futuros procesos de arranque. Las pequeñas variaciones del caso de carga o del momento de inercia en el sistema se compensan asimismo de forma ventajosa mediante este proceso, con lo que siempre resulta posible un arranque constantemente optimizado.

Las funciones de mando descritas anteriormente a modo de ejemplo y en las que se basa la invención se realizan en la unidad de mando 6 en forma de lógica combinatoria y secuencial, preferentemente mediante un microprocesador, un microcontrolador o una lógica de circuitos integrada.

Para finalizar, las ventajas principales de la invención en comparación con el estado de la técnica se resumen de nuevo como sigue.

Método económico, desprovisto de sensores y ventajoso en cuanto al ruido para la conmutación de un motor de tres fases permanentemente excitado con conexiones en triángulo o en estrella.

Debido a la conmutación en 12 etapas, las corrientes del motor son aproximadamente sinusoidales. Las mejoras acústicas que resultan de ello son especialmente significativas para motores de rotor exterior. Un motor de rotor exterior resulta, debido a su limitada dinámica por efecto de la gran inercia de masas del rotor exterior, especialmente adecuado para la conmutación en 12 etapas sin sensores según la invención. Esto se basa sobre todo en que, según la invención, el cálculo del tiempo t_{kom} resulta necesario. Este cálculo debe obtenerse a partir de la duración temporal entre las informaciones sobre paso por cero anteriores de la evaluación de la fuerza electromotriz. Esto puede realizarse con suficiente exactitud con medios especialmente sencillos en caso de que la velocidad de rotación del motor no cambie de forma excesivamente rápida. Esto hace que el rotor exterior sea especialmente adecuado.

Métodos robustos para el arranque sin sensores mediante el aprovechamiento de los estados intermedios inseridos adicionalmente en la conmutación en 12 etapas, en fase con los cambios de polaridad de la fuerza electrostática.

La medición de la fuerza electromotriz durante el proceso de arranque con los devanados sin corriente permite una evaluación fiable de la fuerza electromotriz incluso para velocidades de rotación relativamente reducidas. Con ello, durante el proceso de arranque puede también trabajarse con un ámbito de acción cerrado, es decir, que las informaciones de la evaluación de la fuerza electromotriz pueden integrarse en el arranque. De este modo, el comportamiento de arranque se mejora y presenta una mayor tolerancia frente a modificaciones de la carga y del momento de inercia de masas.

Proceso de arranque adaptivo mediante la comparación del tiempo de conmutación determinado con el tiempo de conmutación ideal por medio de la detección de la fuerza electromotriz con los devanados en ausencia de corriente, y ajuste de los tiempos de conmutación siguientes a la constante mecánica de tiempo del sistema.

La invención no se limita a los ejemplos de realización representados y descritos, sino la combinación de características de la reivindicación 1. Configuraciones preferentes se han definido en las reivindicaciones dependientes.

Claims (16)

1. Sistema para la conmutación electrónica de un motor de corriente continua (1) sin escobillas con tres tramos de devanado (u, v, w) eléctricos desfasados en 120º, con un puente semiconductor (4) que controla los tramos de devanado (u, v, w) para la generación de un campo rotativo magnético de rotor, compuesto por seis semiconductores de potencia (S_{1} a S_{6}), una unidad de mando (6) que controla correspondientemente los semiconductores de potencia (S_{1} a S_{6}), así como un dispositivo para la determinación de la respectiva posición angular de un rotor que presenta un armazón polar de imán permanente, estando constituido el dispositivo para la determinación de la posición angular del rotor como unidad de evaluación (8) sin sensores para la evaluación de la tensión medible en la conexión de devanado no dirigida del motor e inducida por el armazón polar rotativo, caracterizado porque la unidad de mando (6) controla los semiconductores de potencia (S_{1} a S_{6}) en doce estados de conmutación distintos en función de las posiciones angulares del rotor por encima de una rotación eléctrica del motor de corriente continua (1) mediante una conmutación de 12 etapas.

2. Sistema según la reivindicación 1, caracterizado porque mediante los doce estados de conmutación distintos de los semiconductores de potencia (S_{1} a S_{6}) se fija el campo de estator del motor (1) a través de los devanados (u, v, w) en doce estados de excitación distintos en cuanto a la dirección del campo magnético, especialmente apareciendo de forma continuamente alternada, por un lado, estados de conmutación con dos semiconductores de potencia controlados y, por otro, estados de conmutación con tres semiconductores de potencia controlados.

3. Sistema según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque la unidad de evaluación (8) determina y evalúa respectivamente la tensión entre una conexión de devanado de motor (U, V, W) y un punto de referencia (X) conjunto.

4. Sistema según la reivindicación 3, caracterizado porque el punto de referencia (X) conjunto se fija de tal modo que las tensiones medidas discurren en fase con las tensiones inducidas por el armazón polar rotativo en las tramos de devanado conectadas en estrella, o en fase con las tensiones entre fases ficticias resultantes de una transformación de una conexión en triángulo en una conexión en estrella equivalente.

5. Sistema según la reivindicación 3 ó 4, caracterizado porque el punto de referencia (X) se deriva directamente de un punto neutro de devanado real del motor.

6. Sistema según la reivindicación 3 ó 4, caracterizado porque el punto de referencia (X) consiste en una red equilibradora exterior de un punto neutro de devanado.

7. Sistema según una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque la unidad de evaluación (8) está constituida de tal modo que las respectivas tensiones de armazón polar (E_{U}, E_{V}, E_{W}) inducidas se determinan en cuanto a sus polaridades, especialmente a sus pasos por cero, y, en función de las mismas, se generan señales de salida (\Pi_{EU}, \Pi_{EV}, \Pi_{EW}) como señales de control de entrada para la unidad (6).

8. Sistema según una de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque la unidad de mando (6) controla sincronizadamente y por modulación de duración de impulso, para el ajuste de la velocidad de rotación del motor (1) y en función de una señal de ajuste de la velocidad de rotación (S_{D}) suministrada por una entrada de mando (6a).

9. Sistema según la reivindicación 8, caracterizado porque en cada estado de rotación como máximo uno de los semiconductores de potencia (S_{1} a S_{6}) se modula sincronizadamente por duración de impulso, y ello especialmente a través de un respectivo ángulo eléctrico coherente de 60º.

10. Sistema según una de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado por una conmutación que cambia en función de la velocidad de rotación, realizándose preferentemente la conmutación respectivamente antes al menos en un subconjunto de las doce etapas de conmutación, especialmente en cada dos etapas de conmutación, con una velocidad de rotación creciente.

11. Sistema según una de las reivindicaciones 1 a 10, caracterizado porque se alternan por encima de la rotación eléctrica respectivamente, por un lado, estados impares (\Sigma_{1}, \Sigma_{3}.. \Sigma_{11}) en los que dos conexiones de devanado se alimentan con corriente y una conexión de devanado está abierta, y por otro lado estados pares (\Sigma_{2}, \Sigma_{4}.. \Sigma_{12}) en los que todas las conexiones de devanado (U, V y W) se alimentan con corriente, calculándose para la conmutación la longitud temporal (t_{kom}) de los estados pares a partir de la respectiva velocidad de rotación y de un determinado ángulo de conmutación (\varphi_{kom}).

12. Sistema según la reivindicación 10 ó 11, caracterizado porque para la conmutación en función de la velocidad de rotación se modifica, preferentemente de forma degresiva con la velocidad de rotación, el ángulo de conmutación (\varphi_{kom}) previsto, especialmente reduciéndose a medida que crece la velocidad de rotación.

13. Sistema según una de las reivindicaciones 1 a 12, caracterizado porque para el arranque del motor (1) a partir de su estado de reposo, primero se dirige el rotor a una posición angular definida por medio de una alimentación de corriente continua constante de las tramos de devanado (u, v, w).

14. Sistema según una de las reivindicaciones 1 a 13, caracterizado porque incluso durante el arranque del motor (1) se lleva a cabo la conmutación en función de las posiciones angulares del rotor obtenidas por la evaluación de fuerza electromotriz (8).

15. Sistema según la reivindicación 14, caracterizado porque durante la fase de arranque (II) del motor (1) la unidad de mando (6) conecta periódicamente sin corriente todas las tramos de devanado (u, v, w) para una mejor determinación de la fuerza electromotriz (todavía débil debido a la velocidad de rotación aún relativamente reducida).

16. Sistema según una de las reivindicaciones 1 a 15, caracterizado por un control de conmutación de arranque, ajustándose los instantes de conmutación automáticamente en función del comportamiento de marcha o la constante mecánica de tiempo del sistema de accionamiento, especialmente del par de carga y/o del momento de inercia de las piezas rotativas.