ES2227540T3 - Control de la disminucion de corriente en un motor de reluctancia conmutado. - Google Patents

Abstract

UN CIRCUITO DE CONTROL (10) PARA CONTROL DE LA CORRIENTE DE COLA QUE DECAE EN UN BOBINADO SRM POLIFASICO O MONOFASICO CUANDO UNA FASE ES CONMUTADA DE ACTIVA A INACTIVA. UN SENSOR DEL TIPO EFECTO HALL (30) DETECTA LA POSICION DEL ROTOR DEL SRM. LA CORRIENTE FLUYE A TRAVES DEL BOBINADO (W) DEL MOTOR CUANDO LA FASE DEL BOBINADO DEL MOTOR ES ACTIVA; Y, EL FLUJO DE CORRIENTE DENTRO DEL BOBINADO DECAE A CERO CUANDO LA FASE SE HACE INACTIVA. LOS CONMUTADORES SEMICONDUCTORES (22) INTRODUCEN CORRIENTE DIRECTA DENTRO DEL BOBINADO CUANDO LA FASE ES ACTIVA Y ENTONCES REDIRIGE LA ENERGIA RESIDUAL EN EL BOBINADO ENTRE UN CIRCUITO RECONVERSOR DE ENERGIA Y UN CIRCUITO DISIPADOR DE ENERGIA CUANDO LA FASE SE HACE INACTIVA. UN GENERADOR DE SEÑAL PWM (44) PROPORCIONA SEÑALES DE FUNCIONAMIENTO PWM A LOS CONMUTADORES PARA CONTROLAR EL PRIMER FLUJO DE CORRIENTE DENTRO DEL BOBINADO Y ASI ENTRE LOS CIRCUITOS RECUPERADORES Y DISIPADORES. UN MODULO DE CONTROL (42), O MICROPROCESADOR (52) CON UNA SALIDA PWM, ES EL RESPONSABLE DE LA INFORMACION DE LA POSICION DEL ROTOR PARA CONTROLAR EL FUNCIONAMIENTO DEL GENERADOR DE SEÑAL PWM. EL GENERADOR DE SEÑAL PROPORCIONA SEÑALES PWM TENIENDO UN JUEGO DE SEÑALES CARACTERISTICAS CUANDO HAY UN FLUJO DE CORRIENTE HACIA EL BOBINADO Y UN JUEGO DIFERENTE DE CARACTERISTICAS CUANDO NO LO HAY. ESTO PRODUCE INTERVALOS ALTERNADOS DE TENSION CERO Y FUERZA LA CONMUTACION DE LA CORRIENTE DE DECAIMIENTO RESIDUAL MIENTRAS LA FASE ES INACTIVA. DURANTE EL INTERVALO DE DECAIMIENTO, LA FRECUENCIA PWM Y EL CICLO DE TRABAJO DEL PULSO SON VARIABLES Y PRODUCEN UN ESQUEMA DE CORRIENTE DE DECAIMIENTO QUE ELIMINA LA OSCILACION TRANSITORIA Y EL RUIDO DEL MOTOR.

Description

Control de la disminución de corriente en un motor de reluctancia conmutado.

Antecedentes de la invención

Esta invención se refiere a motores de reluctancia conmutada (SRM, switched reluctance motors) y, más en particular, a un circuito de control de disminución de corriente, para tales motores.

Los motores de reluctancia conmutada, o motores SRM, son bien conocidos en el arte. Un problema, cuando se trabaja con estos motores, es el ruido producido por la recuperación de corriente en los devanados de fase del motor, según es conmutada cada fase al final de su ciclo. Se entenderá que, la corriente que representa la entrada de energía de una fase concreta, se suministrada a los devanados de fase durante la parte activa de esa fase de un ciclo de conmutación. Cuando el motor es conmutado de una fase a otra, la energía residual en el devanado desactivado se extingue. Esta energía representa típicamente en torno al treinta por ciento (30%) de la energía suministrada al devanado de fase durante su periodo activo, y es aludida como la "energía de disminución de cola". Puesto que el devanado de fase es un elemento inductivo, intenta mantener el flujo de corriente a través del devanado; incluso aunque la energía debe ser disipada sustancialmente, antes de que el devanado sea activado de nuevo, durante el siguiente ciclo de fase. Por consiguiente, la disminución debe ser una disminución rápida. Un efecto de esta reducción de energía, es el efecto de oscilación transitoria, que se produce en la transición entre las partes activa e inactiva, de la curva de corriente de fase. Esto puede verse como la transición abrupta, en la pendiente de la curva de corriente, entre la pendiente suave que representa al parte activa del ciclo, y la pendiente abrupta, donde la corriente es llevada a cero cuando la fase se torna inactiva. El resultado de esta oscilación transitoria, o transferencia de fuerzas en la estructura del motor, produce ruido, y este ruido es del orden de 50dBa.

Los circuitos de conmutación, se emplean para controlar la conmutación entre las fases del motor, como una función de distintos parámetros de funcionamiento del motor. Tales circuitos emplean, típicamente, un modulador de anchura de impulso (PWM, pulse width modulator). Los circuitos PWM, además de para controlar la aplicación de tensión a las fases de motor, también pueden ser utilizados para controlar la disminución de corriente residual. Estos circuitos funcionan para controlar esta disminución, de acuerdo con un algoritmo definido. Sin embargo, es un inconveniente de estos circuitos de control, el que pueden emplear una disminución de conmutación forzada del 100%, convencional; y, por tanto, tienden a agravar al problema de ruido. Un intento relativo a la disminución, se sugiere por C. Y. Wu y C. Pollock, en su documento Análisis y Reducción de Vibración y Ruido Acústico en la Activación de Reluctancia Conmutada, publicado en IAS'93, Volumen 1, 3 de octubre de 1993 a 8 de octubre de 1993, Toronto, Canadá, páginas 106-113. El enfoque descrito en este documento, involucra una disminución a voltaje cero de la corriente, en un devanado de fase, cuando la fase en conmutada a "desconexión", durante un periodo igual a la mitad del periodo de tiempo resonante del motor, y con una conmutación forzada subsiguiente del periodo de "desconexión" restante. El inconveniente con este enfoque, es que no hay sino un intervalo de disminución dividido en dos segmentos. En consecuencia, el grado de control sobre la pendiente de la curva, cuando se lleva la corriente a cero, no es igual de flexible en la reducción significativa del ruido.

Si bien el enfoque anterior puede ser efectivo, hay en todo caso otros enfoques que pueden ser más efectivos, para facilitar la disminución de cola reduciendo a la vez el ruido.

No obstante, otros enfoques se revelan en WO-A-9428618.

Sumario de la invención

Entre los diversos objetivos de la presente invención, puede observarse la provisión de un circuito de control para controlar la disminución de corriente residual, o de cola, en un devanado de motor; la provisión de un circuito de control semejante, que controle la disminución de la corriente de cola, de forma que reduzca al ruido del motor al menos 10dBA, desde los niveles de ruido actuales; la provisión de un circuito de control semejante, que integre técnicas de control de la disminución de corriente, tanto de interrupción dura como de interrupción blanda; la provisión de un circuito de control de corriente semejante, que proporciona ambos tipos de interrupción, empleando un solo mando de puerta; la provisión de un circuito de control semejante, que puede ser utilizada con SRMs, tanto de 2 fases como de 3 fases, tal como un SRM de 2 fases 12-6, y un SRM de 3 fases 6-4; la provisión de un circuito de control semejante, que se incorpora fácilmente en un controlador tipo PWM, para controlar la tensión media global aplicada a las fases respectivas de un SRM; la provisión de un circuito de control semejante, que invierta las características de la anchura de impulso de un señal PWM empleada, para controlar el flujo de corriente cuando una fase de devanado está inactiva, para de ese modo ayudar a disminuir al velocidad a la que la corriente va a cero, mientras que la fase está inactiva; la provisión de un circuito de control semejante, que emplea dos conjuntos de conmutadores, de los cuales uno es, bien activado o desactivado, cuando las fases del motor son conmutadas, y de los cuales el otro conjunto está modulado mediante señales PWM; la provisión de un circuito de control semejante, para controlar la frecuencia y/o el ciclo de trabajo de señales PWM, cuando una fase es conmutada desde activa a inactiva, para de ese modo controlar mejor la pendiente del la curva de la corriente de disminución; la provisión de un circuito de control semejante, que controle la conmutación del devanado entre los circuitos de recuperación de energía, y de disipación de energía, para conducir la corriente residual a cero; la provisión de un circuito de control de corriente de cola semejante, que sea efectivo adicionalmente para ayudar a reducir el ruido en el funcionamiento de SRMs, en condiciones de baja velocidad/par motor alto, donde las fuerzas de ovalado normalizadas, que también producen ruido en SRMs, son menores que en condiciones de funcionamiento de alta velocidad/par motor bajo; la provisión de un circuito de control semejante, para emplear un microprocesador que pueda producir un amplio rango de esquemas de disminución, basados en condiciones de motor concretas, la provisión de un circuito de control semejante, que pueda funcionar en frecuencias al menos el doble de la frecuencia resonante del motor y, la provisión de un circuito de control semejante, que sea un circuito seguro de bajo coste, que funciona para reducir el ruido por todo el rango de funcionamiento del SRM.

Según la invención, estos objetivos se consiguen mediante el circuito, y método, de las reivindicaciones independientes. Las realizaciones de la invención son reivindicadas en las reivindicaciones dependientes.

De acuerdo con la invención, presentada de forma general, se emplea un circuito de control para controlar la disminución de corriente residual o de cola, en un SRM de una sola fase o polifásico. Un sensor magnético de tipo efecto Hall, mide la posición del rotor del SRM. La corriente fluye a través del devanado, cuando la fase del motor representada mediante el devanado está activa; y, el flujo de corriente en el devanado cesa, cuando la fase se torna inactiva. Los conmutadores de semiconductor, dirigen el flujo de corriente en el devanado, cuando la fase está activa, y también ayudan a recuperar, o a disipar, energía residual en el devanado, cuando la fase se torna inactiva. Esto se consigue mediante conmutar el devanado entre un circuito de recuperación de energía, y un circuito de disipación de energía, de un modo definido. Un generador de señal PWM proporciona señales de funcionamiento PWM a los conmutadores, para controlar el flujo de corriente en el devanado, y su subsiguiente recuperación o disipación. Un módulo de control PWM, o un microprocesador con salida PWM, es sensible al sensor Hall, para controlar el funcionamiento del generador de señal PWM. Como resultado, el generador de señal proporciona señales PWM, que tienen características de señal que difieren, entre cuando hay flujo de corriente al devanado, y cuando no lo hay. La frecuencia y el ciclo de trabajo de las señales PWM, cuando la fase está inactiva, son variables para controlar la pendiente de la disminución de corriente, y reducir el ruido del motor. Otros objetivos y características, serán en parte evidentes y en parte señalados a continuación.

Breve descripción de los dibujos

La figura 1 es un gráfico, que representa la forma de onda de la corriente, en una fase de un SRM, e ilustra la disminución de corriente de cola en la forma de onda de corriente;

las figuras 1A y 2B son gráficos, de formas de onda de tensión y corriente de fase SRM, respectivamente, e ilustran un funcionamiento de interrupción blanda, de un controlador de corriente para el SRM;

las figuras 3A y 3B son gráficos, similares a las figuras 2A y 2B, pero para funcionamiento de interrupción dura del controlador de corriente;

las figuras 4A-4C ilustran una señal de puerta empleada para interrupción blanda durante la parte de "activación" de una fase SRM (figura 4A), así como una esquematización simplificada del circuito para tanto la "activación" (figura 4B), y la "desactivación" de las partes de disminución de corriente (figura 4C) de la fase:

las figuras 5A-5C representan un señal de puerta invertida, empleada durante el modo de fase de "desactivación", del funcionamiento del motor (figura 5A), y diagramas esquemáticos simplificados de circuitos de corte blando (figura 5B) y corte duro (figura 5C), para disminución de corriente;

la figura 6 es un diagrama esquemático, de una primera realización de circuito de control de disminución de corriente de cola de la presente invención;

la figura 7A es un diagrama esquemático, de una parte de los módulos de generación de señal, para producir señales de funcionamiento empleadas para proporcionar interrupción dura y blanda de la corriente de cola;

la figura 7B representa un microprocesador, con capacidad de salida PWM, para producir señales de funcionamiento empleadas para proporcionar la interrupción dura y blanda,

la figura 8 es un gráfico limitar a la figura 1, y representa un esquema de disminución de corriente de cola del arte previo;

la figura 9A es otro gráfico similar a la figura 1, y representa el esquema de disminución de corriente de cola, según se implementa mediante la presente invención, y la figura 9B representa una parte aumentada de la disminución de corriente de cola;

la figura 10 es una gráfico, que ilustra la reducción en la oscilación transitoria del motor, que se puede alcanzar con la presente invención; y.

las figuras 11A-11D representan diversas combinaciones, de frecuencia y ciclo de trabajo de PWM, mediante las cuales se controla la disminución de corriente.

Los caracteres de referencia correspondientes, indican partes correspondientes a través de los dibujos.

Descripción de las realizaciones preferidas

En referencia a los dibujos, un motor de reluctancia conmutada (no mostrado), es un motor que tiene 1, 2, 3, 4, o 5 fases y es, típicamente, un motor de múltiples polos. Ejemplos de tales motores, son un motor de 2 fases 12-6, o un motor de 3 fases 6-4. En funcionamiento, cada fase respectiva, es activada y desactivada de una forma secuencial. La duración del tiempo que cada fase está activa, se basa en diversos parámetros de funcionamiento y se ha implementado diversos esquemas de control, para determinar cuando la conmutación debería producirse, desde una fase a la siguiente. Durante el intervalo en el que una fase está activa, se suministra corriente a un devanado de fase W, de esa fase. Un perfil de corriente idealizado para el devanado, se muestra en la figura 1. Como se describe en el gráfico, la activación de la fase (corriente al devanado), comienza en el momento T_{0}. Después la corriente es aplicada al devanado W hasta un momento T_{1}, en el que la fase concreta es desactivada, o deja de ser excitada. Como se indica en la figura 1, hay una cantidad significativa de energía en el devanado W en este momento y, ahora, esta energía residual debe ser recuperada, o disipada, antes de que la fase sea reactivada. El flujo de corriente que se produce a través de la fase, en este tiempo, es flujo de corriente a cero voltios, de disminución de corriente de cola, y el flujo de corriente tiene lugar durante el intervalo T_{1}-T_{2}.

Como se muestra en la figura 1, cuando la entrada de corriente en la fase se detiene en el momento T_{1}, la pendiente de la curva es relativamente suave. Sin embargo, la pendiente de la curva cuando la corriente de cola es llevada a cero, es muy pronunciada. Se sabe que cuando el diente de rotor de un motor, recorre más allá del diente del estátor del motor, se tiene una curva causada por las fuerzas de ovalado generadas dentro del motor. Cuando esta curva está acompañada por la transición abrupta de energía, que se produce en el momento T_{1}, el resultado es una oscilación transitoria pronunciada, que se muestra por la línea continua en la figura 10. Esta oscilación produce ruido. Hay dos formas de reducir la corriente residual, o de cola, a cero. Una de estas, es reducir la corriente gradualmente; es decir, intentar crear una pendiente suave de la curva desde T_{1} hasta T_{2}. La otra forma, es disminuir la corriente abruptamente; es decir, efectuar una curva pronunciada. La primera técnica es aludida como interrupción blanda y la última como interrupción dura. El problema con el empleo, exclusivamente, de interrupción blanda es que, aunque tiene por resultado menos ruido, lleva demasiado tiempo. La corriente residual no puede llegar a cero antes de T_{2}. El problema con la interrupción dura es que, aunque se lleva la corriente a cero en el tiempo T_{2}, este enfoque crea la oscilación aludida arriba.

En la figura 2A, una forma de onda de corriente similar a la mostrada en la figura 1, muestra corriente interrumpida según la técnica de interrupción "blanda". Es decir, una señal de anchura de impulso modulada, que tiene un rango de amplitud de 0v. - +Vv., es aplicada a la corriente de fase. Se notará que se produce una ondulación en la corriente incluso, durante la parte activa de la base. De nuevo, un inconveniente con este enfoque es la velocidad muy lenta a la que la corriente va a cero.

En las figuras 3A y 3B, está representado el enfoque conocido como interrupción "dura". Como se muestra en la figura 3B, la interrupción dura difiere de la interrupción blanda, en que la señal modulada en anchura de impulso tiene una variación de amplitud entre -Vv. - +Vv. La aplicación de esta señal, a la fase, tiene el efecto de llevar a la corriente hacia cero más rápido de lo que es posible con el enfoque de interrupción blanda de señal. Sin embargo, se impone una ondulación mayor, a la corriente suministrada al devanado de fase, incluso durante la parte activa de la fase; y la fuerzas producidas por este mecanismo de disminución incrementada de la corriente, incrementan el ruido del motor.

Un tercer enfoque se muestra en la figura 8, y refleja el enfoque de Messers Wu y Pollock, en su documento aludido arriba. Como antes, se aplica corriente al devanado de fase W en el intervalo T_{0}-T_{1}. Desde el momento T_{1} hasta el momento T_{x}, se proporciona a la corriente una disminución a cero voltios (es decir, no hay señal aplicada a la fase para llevar a la corriente hacia cero) lo que se corresponde con interrupción blanda. Desde el momento T_{x} hasta el momento T_{2}, una señal de conmutación forzada es aplicada a la fase, hasta llevar la corriente a cero completamente. Esto corresponde a interrupción dura. El intervalo T_{1}-T_{x}, es un periodo igual a la mitad del periodo de tiempo resonante del motor. El efecto de este enfoque, es hacer la pendiente de la curva del intervalo T_{1}-T_{x}, más suave de lo que lo sería si la corriente fuera llevada a cero simplemente mediante interrupción dura. Esto tiene el efecto de reducir la oscilación. Después de este periodo inicial, se hace una transición dura de la corriente a cero. Sin embargo, debido a que parte de la energía en la fase es disipada en el intervalo en que se produce la transición dura, el ruido producido por la oscilación es menos pronunciado. Aunque beneficioso, este enfoque está limitado, debido a que solo hay un periodo de transición dura, y uno de transición suave dentro, del intervalo T_{1}-T_{2}. Esto limita el grado de control que podría tenerse para reducir, adicionalmente, la oscilación y el ruido.

Un circuito de la presente invención, para controlar la disminución de corriente residual, o de cola, en un devanado de fase W de un SRM polifásico está indicado, en general, como 10, en la figura 6. Se entenderá que, mientras que la siguiente descripción se refiere al control de disminución de corriente de cola para una fase de motor, puede hacerse funcionar al circuito 10 con respecto a todas las fases del motor. Como se ha descrito, se aplica corriente y tensión al devanado de fase, durante cada intervalo cuando la fase está activa, siendo desconectadas del devanado la tensión y la corriente, cuando la fase deviene inactiva. La energía que resta en el devanado de fase, se recupera entonces, o se disipa, dependiendo de una configuración de circuito en la que el devanado está conectado. Una primera configuración de circuito, incluye el condensador de bus C, que se conecta al devanado de fase W cuando la fase está inactiva, para recuperar energía desde el devanado de fase. El condensador está conectado en paralelo, con una resistencia conectada en serie, y un condensador R1 y C2. Estos elementos de circuito están, también, conectados en paralelo con una resistencia R2. La resistencia R1 es, por ejemplo, una resistencia de 10 ohm, la resistencia R2 una resistencia de 100K ohm, y el condensador C2 un condensador de 0,22 microfaradios. La resistencia R2 se usa para disminuir, por goteo, la energía en el condensador C, cuando el dispositivo está desconectado. La resistencia R1 y el condensador C2, constituyen un filtro de alta frecuencia contra picos de tensión, los cuales en otro caso causarían ruido en el circuito.

En la figura 6, se muestra el devanado W, conectado entre los rieles L1 y L2, por vía de los diodos D1 y D2. Los diodos y el devanado, constituyen una conmutación forzada, o bucle, de disipación de energía, cuando los conmutadores de un medio de conmutación 16 son abiertos. Las líneas L1 y L2 están conectadas, a través de la salida de un rectificador de puente de onda completa 12, que se usa para rectificar la entrada 115VAC al motor. La salida del puente y el condensador de bus, están conectados de forma usual en los respectivos nodos 14a y 14b.

Para ayuda adicional en la comprensión de la disminución de corriente de cola, la figura 4A ilustra una señal de puerta PWM, en la que el intervalo "conectado" de la señal es sustancialmente menor que la parte "desconectada". Durante la parte "conectada", una tensión c.c. es aplicada al devanado de fase W (véase la figura 4B). Durante la parte "desconectada" de la señal, no se aplica ninguna tensión al devanado. Además, durante este intervalo el devanado está conectado, en un circuito de bucle cerrado, con un diodo D1 (véase la figura 4C) para producir una disminución de corriente a tensión cero, de la corriente aplicada a través del devanado. En la figura 5A, la señal empleada para producir la disminución de corriente de cola en la fase es, también, una señal PWM. Ahora, el intervalo "conectado" del impulso, es más largo que el intervalo "desconectado". Durante el intervalo "conectado" más largo, un conmutador S1 está cerrado, para permitir a la corriente del devanado W circular a través del diodo D1. Durante el intervalo "desconectado" de cada impulso, los respectivos conmutadores S1 y S2, en lados opuestos del devanado, se abren. El devanado está, ahora, conectado a través de dos diodos D1 y D2 a un condensador de bus C, que está asociado con el riel superior de la entrada de potencia al motor. El condensador C es un condensador acumulador, que se carga con la corriente de disminución de cola. Con respecto a las figuras 5B y 5C, la figura 5B representa una configuración de circuito de interrupción blanda, y la figura 5C representa una configuración de circuito de interrupción dura.

Después, el circuito 10 incluye los medios de conmutación 16, para conectar el devanado de fase W a un circuito que incluye un condensador C, cuando la fase se torna inactiva. Los medios de conmutación 16, incluyen respectivos conjuntos de conmutadores primero y segundo 18, 20, estando el conjunto 18, conectado en un lado del devanado de fase, y el conjunto 20 de los conmutadores, en el otro lado de este. Ambos conjuntos de conmutadores, se componen de dos conmutadores de semiconductor que, como se muestra en la figura 6, son los MOSFET 22. Se entenderá que otros conmutadores de semiconductor podrían, también, ser empleados sin apartarse del alcance de la invención. En cada conjunto de conmutadores, el par de conmutadores está conectado en paralelo, haciéndose esto para incrementar la capacidad de conmutación. Además, cada MOSFET tiene un circuito de puerta, que incluye una resistencia R3 conectada en paralelo con un diodo D3. Cada resistencia R3 es, por ejemplo, una resistencia de 100 ohmios. El lado de entrada de cada par de elementos de entrada de puerta, está conectado junto, en los respectivos nodos 24a, 24b. Como se describe más abajo, las señales de entrada a cada conjunto de conmutadores, se suministra a través de los nodos 24a, 24b.

Se proporciona un medio de medida 28, para medir la posición de rotor del motor. El medio 28 incluye un sensor de efecto Hall 30, que funciona del modo convencional. Cada conjunto de conmutadores, tiene un suministro de potencia asociado 32, 34. El sensor de efecto Hall 30 está conectado al suministro de potencia 34, que está asociado con el conjunto 20 de conmutadores. Ambos suministros de potencia están en configuración similar. Cada suministro de potencia, incluye un transformador rebajador 36, uno de cuyos lados está conectado a la potencia de entrada 115VAC. Diodos de rectificación D4, están conectados a través del lado de salida del transformador, y están conectados de modo usual a los nodos respectivos 38a, 38b. La tensión de entrada transformada, rectificada es, después, aplicada a través de un diodo zener Z1, a través de una resistencia R4. El diodo zener, fija a la tensión de entrada a los conjuntos de conmutadores a 18V., por ejemplo. Una condensador de filtro C3, está conectado en paralelo a través de cada diodo zener. La salida de tensión resultante del suministro de potencia 32, está conectada a la parte de la fuente de la puerta de los MOSFET respectivos 22, del conjunto conmutador 18, estando un lado del condensador C3 conectado al nodo 24a, en el lado de entrada de la puerta del conjunto, a través de la resistencia R5. Un lado del condensador C3 del suministro de potencia 34, está conectado a un circuito integrado (IC) 40, de un medio de control 42, que controla el encaminamiento de las señales de funcionamiento que se generan como se describe a continuación. El otro lado de este segundo condensador C3, está conectado al nodo 24b del conjunto de conmutador 20, de nuevo a través de una resistencia R5.

En referencia a las figuras 6 y 7a, un medio de generación de señal 44, proporciona señales de funcionamiento a los medios de conmutación 16, para conmutar al devanado de fase W, en el circuito que incluye el condensador de bus C. Como se muestra en la figura 7A, los medios 44 incluyen dos chips de sincronización de IC 46a, 46b, conectados entre sí, modelo número 555. El medio 44, está conectado a través de los nodos 48, 50 del suministro de potencia 34, para proporcionar potencia a los chips. El chip 46a tiene patillas 1 y 5, que están conectadas juntas, a través de un condensador C4. Las patillas 1 y 8 del chip, están conectadas a un lado de la entrada de potencia en un nodo 52a, estando la patilla 1 conectada a través de un condensador C5. Una red divisora de tensión, que comprende una resistencia R6, un potenciómetro P1, y un condensador C6, se extiende, a través de las líneas de potencia, a los medios de generación de señal 44. La patilla 6 del chip 46a, está conectada a un lado del potenciómetro, con la entrada de la patilla 7 estando conectada al brazo de contacto móvil del potenciómetro. Un diodo D5 está conectado a través de estas dos patillas. La patilla 3 del chip, está conectada a la base de un transistor Q1, a través de la resistencia R7. Las patillas 2 y 6, están conectadas de forma usual, del mismo modo que las patillas 4 y 8. La salida del transistor Q1, está conectada a la patilla 2 del chip 46b. Esta patilla está, también, conectada al lado de la potencia de los medios de generación de señal, a través de una resistencia R8. Como con el chip 46a, las patillas 1 y 8 del chip 46b están conectadas a un lado de la entrada de potencia de los medios de generación de señal, a través del condensador C7. La patilla 1 está, también, conectada a la patilla 5, a través del condensador C8. La patilla 7 tiene como su entrada, la tensión derivada desde un divisor de tensión, que comprende una resistencia R9 y un potenciómetro P2. La patilla 6 del chip, está conectada al otro lado de la entrada de potencia, a través de un condensador C9. Finalmente, las patillas 6 y 7 están empalmadas, como lo están las patillas 2 y 4.

Los medios de generación de señal 44A, funcionan como un generador de señal de modulación de anchura de impulso, cuya salida desde la patilla 3 del chip 46b, se suministra como una entrada de un IC 50 del medios de control 42. Alternativamente, la señal de funcionamiento puede ser producida por un microprocesador 52, como se muestra en al figura 7B. El microprocesador 52, está programado para controlar la modulación por anchura de impulso de la señal producida por los medios 44, como una función de diversos parámetros operativos del SRM, tal como velocidad del motor, par motor, etc. El microprocesador está programado con un algoritmo, que incorpora diversos parámetros controlados en un cálculo que determina las características deseadas (frecuencia, ciclo de trabajo, amplitud, etc.), de la señal de funcionamiento suministrada a los medios de control.

Los medios de control 42 son sensibles a los medios de medida 28, para controlar el funcionamiento de los medios de generación de señal 44. Ambos chips 40 y 50, son chips de 14 patillas; teniendo, el chip 40, la denominación de modelo CD4001, y el chip 50 la denominación CD4011BE. La salida de señal de funcionamiento de los medios de generación de señal 44 ó 52, se suministra a los medios de control 42, como una entrada a la patilla 13 del chip 50. La potencia a los chips, está proporcionada desde el nodo 48a a la patilla 14, en cada chip, y desde el nodo 48b a la patilla 7, de cada chip, el sensor de efecto Hall 30, proporciona una entrada a las patillas conectadas de forma usual 8 y 9, del chip 50, y al contacto, normalmente abierto, 54 de un conmutador 56. Si se desea, el conmutador 56 puede ser empleado para desacoplar los medios de control de corriente que controlan el funcionamiento del circuito 10.

Adicionalmente a suministrar su salida a los medios de control 42, la salida del sensor 30 también se proporciona a la base de un transistor Q2, a través de una red de derivación de base, que comprende resistencias R9-R11. El transistor Q2 proporciona, a su vez, una entrada a un medio opto-aislante 58, a través de una resistencia R12. El medio 58 incluye un aislante 60 tipo modelo 4N35, uno de cuyos lados saca potencia desde los medios de suministro de potencia 32, a través de una resistencia R13. El opto-aislante controla la conmutación de un transistor Q3, a través de las resistencia de derivación R14. El estado del transistor Q3, controla la aplicación de potencia al conjunto 18 de conmutadores MOSFET 22. El conjunto de conmutadores 18, se activa de forma que los conmutadores están bien "conectados", o bien "desconectados". Los conmutadores se "conectan" cuando la fase está activa, y se "desconectan" cuando la fase está inactiva.

El medio de control 42, es sensible a la salida del sensor de efecto Hall, para modificar las características de señal, de las señales de funcionamiento, proporcionadas por los medios 44, de forma que estas señales tienen un conjunto de características de señal cuando la fase está activa, y un conjunto distinto de características de señal cuando la fase está inactiva. El funcionamiento de los medios de control 42, es tal que en respuesta al sensor de efecto Hall indicando que la fase ha devenido inactiva, los medios de control invierten el ciclo de trabajo de la señal de funcionamiento. Así, si las señales de funcionamiento, cuando al fase está activa, están "conectadas" el 10% de un periodo de impulso, y "desconectadas" el 90%, cuando al sensor Hall indica que en ese momento la fase está inactiva, la indicación proporcionada a las patillas 8 y 9 del chip 50 tiene por resultado que los medios de control proporcionan una señal de funcionamiento que es, "conectado" el 90% del tiempo, y "desconectado" el 10%. Cuando la fase se torna activa de nuevo, la salida del sensor Hall hace una vuelta atrás, a las condiciones de ciclo de trabajo iniciales. Se entenderá que los periodos relativos "conectado/desconectado" pueden diferir, en cualquier momento, respecto de los correspondientes en un periodo diferente. Además, el microprocesador puede sustituir el funcionamiento del circuito de control, de forma que bajo ciertas condiciones de motor definidas (un rango de periodo de velocidades de motor, por ejemplo), los medios de control producirán un conjunto particular de características, de forma que cuando los periodos de "desconectado/conectado" están invertidos, la señal de funcionamiento resultante tiene las características deseadas.

La señal de funcionamiento PWM invertida se produce en la patilla 3 del chip 40. Esta señal, es aplicada a la base de un transistor Q4, a través de una resistencia de base R15. La salida de este transistor se alimenta al nodo 24b, en la entrada de la puerta de los MOSFETs 22 del conjunto de conmutadores 20. Debido a que la señal de funcionamiento tiene pares "conectado" y "desconectado" modula, de forma efectiva, los elementos del conjunto de conmutadores 20, de forma que proporcionan de forma alternativa un intervalo de interrupción dura, y uno de interrupción blanda, de la disminución de corriente de cola. Correspondientemente a la tensión cero, la disipación de la interrupción de corriente de la corriente de cola, se lleva a cabo con un solo conjunto de conmutadores, que producen las estrategias de disminución, tanto de interrupción dura como de interrupción blanda, descritas arriba. Esto se muestra en las figuras 9A y 9B. En el momento T_{1}, hay un intervalo de interrupción blanda a voltaje cero inicial, seguido por un intervalo de interrupción dura de duración más corta. Como se va en la figura 9A, este proceso se repite según la corriente de cola es dirigida a cero. El intervalo más largo de interrupción blanda, corresponde al intervalo más largo "conectado" de la señal de funcionamiento, y el intervalo más corto de interrupción dura, al periodo "desconectado" más corto. Se entiende que los intervalos relativos mostrados en las figuras 9A y 9B, son solo ilustrativos.

Se apreciará, a partir de la discusión anterior, que un conjunto de características de funcionamiento del circuito 10, es una inversión del ciclo de trabajo de la señal de funcionamiento para una frecuencia PWM especificada. Sin embargo, con el microprocesador 52, es posible la generación de las señales PWM para variar, bien el ciclo de trabajo, la frecuencia, o ambos, dentro del tiempo de disminución de la corriente de cola. En referencia a las figuras 11A-11D, se presenta ejemplos en los que el ciclo de trabajo, o frecuencia, o ambos, se varía, de forma que las partes de interrupción blanda y de interrupción dura, de un intervalo, están controladas sobre los diversos intervalos durante los que la corriente residual disminuye a cero. La capacidad para variar tanto la frecuencia como el ciclo de trabajo, es importante, debido a que proporciona un mayor grado de control sobre la pendiente de la corriente, lo que permite un mejor control del ruido sobre el motor, durante la disminución de corriente residual. En el esquema de control de la figura 11A, hay un ciclo de trabajo constante de la señal de funcionamiento PWM, durante cada intervalo I. Correspondientemente, la parte "activada" de cada ciclo de trabajo, es constante a través del periodo de disminución de corriente T_{1}-T_{2}.

En la figura 11B, el intervalo I es constante; sin embargo, el ciclo de trabajo se varía desde un intervalo al siguiente. Esto, por ejemplo, tiene por resultado una parte de interrupción blanda, que se hace progresivamente más corta durante los sucesivos intervalos, mientras que la parte de interrupción dura se hace progresivamente más larga.

En la figura 11C, los intervalos son variables en duración, de forma que el intervalo I_{1} es más largo que el intervalo I_{2}, etc. Sin embargo, el ciclo de trabajo es constante de forma que, incluso aunque los periodos de interrupción blanda y dura de cada intervalo tienen longitudes diferentes, esta proporción es constante en todo el periodo de disminución de corriente.

Finalmente, en la figura 11D, tanto el intervalo I como el ciclo de trabajo de las señales de funcionamiento PWM, son variables. Como se ha observado, las características PWM concretas seleccionadas para controlar la disminución de corriente, son una función de las condiciones de funcionamiento del SRM concreto y, como tales, el conjunto elegido de características puede ser empleado cada vez que la fase se hace inactiva, o puede ser elegido un conjunto diferente cada vez.

Independientemente de los intervalos reales, a los que la interrupción dura y la interrupción blanda se producen, la frecuencia de las señales puede ser, por lo menos, el doble de la frecuencia de la resonancia del motor. Esto impide que se genere ruido debido a armónicos, dentro de la estructura del motor. Se ha encontrado que el efecto del circuito 10, adicionalmente a la producción eficiente de disminución de corriente de cola, es reducir el ruido del motor en aproximadamente 10dBA, desde un nivel de unos 50dB. Además, se ha encontrado que el circuito 10 es útil con una variedad de SRMs, incluido SRMs de 2 fases y de 3 fases.

Lo que se ha descrito, es un circuito de control para controlar la disminución de corriente de cola en un SRM. El circuito funciona para controlar la disminución de corriente de cola para, así, reducir el ruido del motor, al menos 10dB desde los niveles de 50dB que normalmente se encuentra en los SRMs. Como se muestra mediante la línea curva discontinua en la figura 10, la oscilación del motor que se produce, cuando el circuito 10 está en uso, es sustancialmente reducida respecto del nivel previo de oscilación. Para conseguir esto, el circuito de control combina, técnicas de control de disminución de corriente, tanto de interrupción dura como de interrupción blanda, haciéndolo con un solo mando de puerta. El circuito de control, se puede usar tanto con SRMs de 2 fases, como de 3 fases, incluidos SRMs de 2 fases 12-6, y SRMs de 3 fases 6-4. El circuito de control se incorpora, fácilmente, en un controlador tipo PWM para controlar la conmutación de fase global entre las fases respectivas de un SRM. Como parte de su funcionamiento, el circuito de control que invierte la anchura de impulso de las señales PWM generadas, usadas para controlar el flujo de corriente cuando una fase está inactiva, ayuda a conducir la corriente de cola a cero, mientras que la fase está inactiva. El circuito de control emplea dos conjuntos de conmutadores; siendo un conjunto bien activado, o bien desactivado, cuando las fases del motor son conmutadas, y, de los cuales, el otro conjunto es modulado por las señales PWM. Es una características del circuito de control, invertir las partes "conectado" y "desconectado" de las señales PWM, cuando una fase es conmutada de activa a inactiva. El circuito de control, conmuta el devanado de fase en una trayectoria que incluye un condensador de bus, que está cargado por la corriente de cola empleando la modulación PWM de los conmutadores. El circuito de control de la corriente de cola, es particularmente efectivo para reducir el ruido en SRMs que funcionan a baja velocidad/par motor elevado, debido a que las fuerzas de ovalado normales, que producen ruido en los SRMs, son menores con el motor funcionando a alta velocidad. Esto es así debido a que, el circuito de control, varía tanto la frecuencia, como el ciclo de trabajo, para llevar a efecto una estrategia deseada de interrupción blanda/interrupción dura. Además, el circuito de control funciona a una frecuencia al menos del doble de la frecuencia resonante del motor. Finalmente, el circuito de control proporciona un procedimiento de bajo coste, seguro, de reducir ruido durante todo el rango de funcionamiento del SRM.

A la vista de lo anterior, se verá que, los diversos objetivos de la invención, se consiguen, y se obtiene otros resultados ventajosos.

Puesto que puede hacerse diversos cambios en las construcciones anteriores, sin apartarse del alcance de la invención, se entiende que toda la materia contenida en la descripción anterior, o mostrada en los dibujos anexos, debe ser interpretada como ilustrativa, y no en un sentido limitativo.

Claims (16)

1. Un circuito para controlar la disminución de corriente residual, en un motor de reluctancia conmutada, de una fase o polifásico, que tiene, al menos, un devanado de fase (W), al que se suministra corriente cuando está activo, y que en otro caso está inactivo, comprendiendo, el circuito:

medios de medida (28), para producir una salida indicativa de si la fase está activa, o inactiva;

medios de conmutación (16), para dirigir flujo de corriente en el devanado (W), cuando la fase está activa, y para conmutar alternativamente el devanado (W), entre un circuito de recuperación de energía (C), y un circuito de recirculación (D1/S1, D2/S2), cuando la fase está inactiva;

medios de generación de señal (44, 50), que proporcionan una señal de funcionamiento a los medios de conmutación (16), para controlar el flujo de corriente, y para la recuperación o recirculación; y

medios de control (42) sensibles a la salida de los medios de medida (28), para controlar los medios de generación de señal (44, 50), para proporcionar señales de funcionamiento que tienen características de funcionamiento, que difieren cuando una fase está activa y cuando está inactiva, para, de ese modo, conmutar alternativamente el devanado (w), entre el mencionado circuito de recuperación de energía (C) y el mencionado circuito de recirculación (D1/S1, D2/S2), cuando la fase deviene inactiva, llevando a efecto, los medios de control (42), una frecuencia y/o ciclo de trabajo, de las señales de funcionamiento, para controlar la velocidad de disminución de la corriente y, por consiguiente, el ruido del motor.

2. El circuito de la reivindicación 1, donde el mencionado medio (16) está acoplado a una fuente de tensión (L1, L2) y al devanado (W), para controlar la aplicación de tensión al devanado (W); y donde el medio de control (42), está adaptado para proporcionar una serie de señales de interrupción pulsadas, a los medios de conmutación (16), de forma que la tensión aplicada al devanado (W) durante el periodo de disminución de corriente, varía repetidamente, desde una magnitud de tensión negativa, hasta aproximadamente cero voltios.

3. El circuito de la reivindicación 1, donde el mencionados medio (16), está acoplado a la fuente de tensión (L1, L2) y al devanado (W), para controlar la aplicación de tensión al devanado (W); donde los medios de control (42) controlan a los medios de conmutación (16), de forma que la tensión aplicada al devanado (W), durante el intervalo de disminución de corriente residual, comprende periodos repetidos de niveles de tensión diferentes, que tienen una magnitud que se selecciona de entre, por lo menos uno, de los siguientes valores: (i) el valor negativo de la tensión de CC proporcionada por la fuente de tensión de CC; o (ii) la tensión establecida al conectar el devanado de fase (W) en un circuito de bucle cerrado con un dispositivo semiconductor (D1, D2).

4. El circuito de la reivindicación 1, que comprende, además:

un condensador (C) conectado en serie con el devanado (W), y cargado mediante la corriente en el devanado (W), cuando la fase se torna inactiva, para recuperar de ese modo una parte de la energía; y

donde los medios de generación de señal, incluyen un generador de señal PWM, invirtiendo, los medios de control (42), la anchura de impulso de las señales de funcionamiento producidas por el generador de señal PWM, cuando la fase se vuelve inactiva, a partir de la anchura impulso de las señales de funcionamiento que son producidas cuando la fase está activa.

5. El circuito de la reivindicación 1, que comprende, además:

un condensador (C), para almacenar la energía recuperada desde el devanado (W);

medios de disipación de potencia (D1, D2), conectados con el devanado de fase (W);

donde los medios de generación de señal (44, 50), proporcionan una señal de funcionamiento a los medios de conmutación (16) para conmutar, de forma alternativa, el devanado (W) en un circuito que incluye el condensador (C), y un circuito que incluye los medios de disipación de potencia (D1, D2), siendo usadas, las señales de funcionamiento, para modular el estado de los medios de conmutación (16), para proporcionar tanto una interrupción dura, como una interrupción blanda, de la corriente; y

donde los medios de control (42), controlan el funcionamiento de los medios de generación de señal (44, 50), para proporcionar señales de funcionamiento que tienen un conjunto de características de señal cuando una fase está activa, y un conjunto distinto de características cuando la fase está inactiva para, así, producir el voltaje cero, recuperación de energía, y disipación de la corriente de cola, controlando, el circuito de control (42), tanto la frecuencia como el ciclo de trabajo de las señales de funcionamiento, para llevar a cabo la recuperación y disipación de la corriente de cola, y reducir el ruido del motor.

6. El circuito de la reivindicación 1, donde los medios de conmutación (16), comprenden un primer conjunto de conmutadores (18), y un segundo conjunto de conmutadores (20) de aquellos, estando, los mencionados conjuntos de conmutadores, en los respectivos lados del devanado (W), con un conjunto de conmutadores siendo activado cuando la fase está activa, y desactivado cuando la fase está inactiva.

7. Un método de disminución de corriente residual, en un devanado (W) de un SRM de una sola fase o polifásico, siendo suministrada corriente al devanado (W) cuando la fase está activa, y siendo, la corriente residual, la corriente que queda en el devanado (W) cuando la fase queda inactiva, comprendiendo, el método:

conmutar el devanado (W), entre un primer circuito, que es un circuito de recuperación de energía, para recuperar una parte de la energía representada por la corriente residual, y un segundo circuito que es un circuito de disipación de energía, que disipa una parte de la energía representada por la corriente residual;

controlar la conmutación del devanado (W), entre los circuitos de recuperación de energía y de disipación de energía, de un modo controlado, mediante lo que la corriente residual es reducida a cero para, así, causar la mínima oscilación en el motor y, de ese modo, reducir el ruido del motor, controlando la conmutación del devanado (W), incluyendo la conmutación del devanado entre los circuitos sobre una pluralidad de intervalos, con el devanado estando conmutado en un circuito para una parte de cada intervalo, y en el otro circuito el resto del intervalo, siendo variables, de un modo predeterminado, tanto la duración de cada intervalo, como de la parte de este en la que el devanado es conmutado en un circuito o en el otro.

8. El método de la reivindicación 7, donde la etapa de controlar la conmutación del devanado, incluye:

controlar la aplicación de potencia eléctrica al devanado de fase (W), durante el periodo de disminución de corriente residual, de forma que la corriente en el devanado de fase disminuye, desde un valor positivo a cero, a través de dos o más intervalos de disminución, donde la pendiente de la disminución de corriente, varía durante cada intervalo de disminución.

9. El método de la reivindicación 7, donde la etapa de controlar la conmutación del devanado, incluye los pasos de:

(i) aplicar una tensión negativa al devanado, durante un primer intervalo de disminución; y

(ii) aplicar una tensión, resultante de conectar el devanado (W) en un circuito de bucle cerrado con un dispositivo semiconductor (D1, D2), durante un segundo intervalo de disminución; donde la pendiente de la disminución de corriente, durante el segundo intervalo de disminución, es menor que la pendiente de la disminución de corriente durante el primer intervalo de disminución.

10. El método de la reivindicación 7, donde el paso de controlar la conmutación del devanado (W), incluye aplicar una serie de impulsos de tensión de anchura de impulso modulada, al devanado de fase.

11. El método de la reivindicación 7, donde el paso de controlar la conmutación de devanado incluye:

aplicar una pluralidad de periodos de distintos niveles de tensión, al devanado (W), durante el periodo de disminución de corriente residual, donde los periodos de distintos niveles de tensión, tienen una magnitud seleccionada entre el grupo de: (i) una tensión de CC negativa, o (ii) la tensión que resulta de conectar el devanado de fase (W) en un circuito de bucle cerrado con un dispositivo semiconductor (D1, D2); y

donde la aplicación de la pluralidad de distintos niveles de tensión, aplicada al devanado de fase (W), está controlada para reducir la cantidad de ruido producido por la máquina.

12. El método de la reivindicación 11, donde la pluralidad de periodos de distintos niveles de tensión aplicados al devanado (W), incluye periodos de niveles de tensión que tienen, tanto una magnitud de tensión de CC negativa, como una magnitud de tensión resultante de conectar el devanado de fase (W) en un circuito de bucle cerrado con un dispositivo semiconductor (D1, D2).

13. El método de la reivindicación 11 donde: (i) el SRM incluye, por lo menos, una frecuencia resonante; y (ii) la aplicación de una pluralidad de periodos de distintos niveles de tensión al devanado (W), incluye la etapa de aplicar la pluralidad de periodos de diferente tensión a una frecuencia que es, por lo menos, el doble de la frecuencia resonante de la máquina.

14. El método de la reivindicación 11, donde la aplicación de una pluralidad de periodos de distintos niveles de tensión al devanado (W), incluye la etapa de variar la frecuencia a la que la pluralidad de periodos de distinta tensión son aplicados al devanado (W).

15. El método de la reivindicación 11, donde la aplicación de una pluralidad de periodos de distintos niveles de tensión al devanado (W), incluye variar el ciclo de trabajo de la pluralidad de periodos de distinta tensión, aplicados al devanado de fase (W).

16. El método de la reivindicación 11, donde la aplicación de una pluralidad de periodos de distintos niveles de tensión al devanado (W), incluye: (i) variar la frecuencia a la que la pluralidad de periodos de distinta tensión son aplicados al devanado (W), y (ii) variar el ciclo de trabajo de la pluralidad de periodos de distinta tensión aplicados al devanado (W).