ES2244664T3 - Control rapido de la corriente en cargas inductivas. - Google Patents

Abstract

Una disposición de circuito para la disipación rápida de la energía magnética almacenada en una carga inductiva (L1) controlada por un primer conmutador (T1) que consta de una vía de disipación de energía por caída de alto voltaje (D2) dispuesta entre dicho primer conmutador (T1) y un segundo conmutador (T2) por el que se puede abrir selectivamente una vía de caída por diodo de voltaje constante (D2) a través de la carga (L1); caracterizado por el hecho de que dicho segundo conmutador (T2) controla normalmente la apertura de varias de dichas vías de caída por diodo de voltaje constante (D1) a través de las respectivas cargas inductivas (L); cada una de estas vías es accionable mediante su respectivo primer conmutador (T1) a través del que está dispuesta la vía respectiva de disipación de energía por caída de alto voltaje (D2).

Description

Control rápido de la corriente en cargas inductivas.

La presente invención se refiere al control rápido de la corriente en cargas eléctricas inductivas, como solenoides, particularmente, aunque no exclusivamente, en sistemas de control electrónico para automóviles.

Las cargas inductivas, como las bobinas de solenoide, se controlan normalmente por medio de un conmutador (por ejemplo, un transistor de conmutación) conectado en serie con la carga a través de una fuente de voltaje. En aplicaciones para la automoción, un lado de la carga (llamado "lado inferior") se conecta normalmente a tierra/chasis y el otro lado (llamado "lado superior") se conecta al lado de no-tierra de la fuente de voltaje. Con el propósito del controlar/monitorizar la corriente que pasa por la carga, se coloca un elemento sensor (un resistor, por ejemplo) en serie con la carga y se mide la caída de voltaje a través del resistor.

La tecnología tradicional usaba con frecuencia sensores de corriente colocados cerca del transistor que acciona la carga, de manera que el control de la corriente sólo estaba disponible si el excitador estaba activado. Cuando se necesitaba utilizar el nivel de la corriente monitorizada para controlar el transistor de conmutación, esta disposición ofrecía, consecuentemente, un control deficiente.

Algunas disposiciones conocidas han hecho uso del control de la carga del lado superior mediante dispositivos MOSFET de canal P, pero éstos son relativamente caros.

Como es bien conocido, la corriente en una carga inductiva decae con el tiempo cuando se retira la fuente de voltaje y se debe proporcionar un circuito especial para eliminar esta corriente. La práctica convencional es lograrlo mediante la provisión de un diodo de recirculación dispuesto en paralelo con la carga que se activa automáticamente para proveer a la corriente una vía de regreso a la fuente. Sin embargo, la velocidad a la que un diodo dispuesto a través de la carga de esta manera puede disipar la corriente de recirculación es relativamente baja y, por consiguiente, la corriente en la carga disminuye sólo de forma lenta (véase la curva X en la Fig. 3 de los dibujos adjuntos).

Los medios que se conocen para lograr un control más rápido del corte de la corriente en cargas inductivas han usado, por lo general, dos dispositivos MOSFET por canal, con el costo correspondiente.

La EP-A-1045 501 da a conocer un circuito de mando para una carga inductiva, en particular un motor eléctrico de CC, que incluye un transistor de conmutación MOSFET en serie con un motor de CC a través de una fuente de alimentación de CC. El transistor tiene un diodo intrínseco (interno) dispuesto entre sus terminales drenador y fuente. Junto con el motor en paralelo hay una vía protectora utilizable que contiene un diodo y otro transistor MOSFET.

La JP-A-11 308 780 da a conocer un circuito de control de la carga eléctrica para vehículos. El circuito incluye una bobina dispuesta entre la fuente de alimentación y la masa. Se inserta un transistor de efecto de campo entre la bobina y la masa y se dispone en paralelo con un diodo parásito, que permite que la corriente fluya únicamente en una dirección, de la masa a la fuente de alimentación. Una unidad con microprocesador acciona el transistor de efecto de campo por control PWM (modulación por ancho de pulso). Se coloca un diodo volante entre un punto situado entre el lado de aguas abajo de la bobina y el transistor de efecto de campo y el lado de aguas arriba de la bobina. Este diodo permite que la corriente fluya sólo en una dirección, del lado de aguas abajo al lado de aguas arriba de la bobina. Se coloca un transistor que impide las conexiones invertidas entre el diodo volante y la fuente de alimentación que se acciona por la diferencia de voltaje entre la masa y el diodo volante.

La US-A-5 012 381 da a conocer un circuito excitador de carga con protección contra inversión de polaridad de la batería que incluye un transistor FET de conmutación en serie con un motor a través de una fuente de alimentación de CC. El transistor de conmutación contiene un diodo intrínseco (interno) dispuesto entre sus terminales drenador y fuente. Hay una vía utilizable dispuesta a través del motor que incluye un segundo transistor FET de conmutación individual en serie con un diodo.

De acuerdo con la presente invención, la rápida disipación de la energía magnética almacenada en una carga inductiva controlada por un primer conmutador es posible mediante la provisión de un circuito de disipación de energía por caída de alto voltaje entre dicho primer conmutador y un segundo conmutador por el que se puede abrir selectivamente una vía de caída por diodo de voltaje constante a través de la carga; dicho segundo conmutador controla normalmente la apertura de varias de dichas vías de caída por diodo de voltaje constante a través de las respectivas cargas inductivas; cada una de estas vías es accionable por su respectivo primer conmutador a través del que se dispone la vía respectiva de disipación de energía por caída de alto voltaje.

En una realización preferida, cada uno de estos primeros conmutadores comprende un transistor de conmutación y dicho circuito de disipación de energía por caída de alto voltaje comprende un diodo regulador del voltaje (por ejemplo, un diodo Zener) en paralelo con la vía de conmutación de dicho transistor de conmutación.

De forma ventajosa, cada uno de los mencionados transistores de conmutación es un transistor de efecto de campo (por ejemplo, un transistor MOSFET), y el diodo regulador de voltaje se conecta entre sus terminales fuente y drenador.

En otra realización, cada uno de los mencionados transistores de conmutación es un transistor de efecto de campo (por ejemplo, un transistor MOSFET), y el diodo regulador de voltaje se conecta, en serie con un primer diodo, entre sus terminales drenador y puerta.

El segundo conmutador puede, por ejemplo, estar compuesto de un transistor MOSFET en serie con una pluralidad de segundos diodos a través de las combinaciones en serie de la pluralidad de cargas inductivas y elementos sensores de corriente asociados.

Se puede conseguir toda una serie de otras características ventajosas usando un circuito dispuesto de acuerdo con lo especificado en la presente invención:

(a) Control de corriente con sincronizado en fase. Se permite una pequeña cantidad de ondulación en la señal de demanda entrante, lo que hace que el bucle de control sincronice su ondulación de control con la de una señal PMW entrante. Esto permite que el bucle de control de la corriente externa tenga relaciones de fase controladas por software entre los canales.

(b) Control de corriente con sincronizado de frecuencia. Se permite una pequeña cantidad de ondulación en la señal de demanda entrante, lo que hace que el bucle de control sincronice su ondulación de control con la de la señal PMW entrante. Esto permite que el bucle de control de la corriente externa tenga una frecuencia de ondulación controlada por software.

(c) Control escalonado de fase. La fase de los canales de control de corriente individuales está bajo el control de software. Gracias al control por software, las fases de los canales de control pueden escalonarse. Esto permite que la parte activada de los ciclos de control sea distribuida uniformemente en el tiempo. Por consiguiente, la demanda total de corriente del circuito se distribuye de forma más uniforme. Se reducen las demandas de corriente de alta frecuencia del circuito y se aumenta la frecuencia. La reducción de los picos y la mayor frecuencia global permite un filtrado más fácil y la reducción de emisiones electromagnéticas, sin gasto adicional en equipo.

(d) Control de espectro extendido. La frecuencia de los canales de control de corriente está bajo el control de software. Gracias al control por software, se pueden cambiar las frecuencias de los canales de control dinámicamente en el tiempo. Las emisiones electromagnéticas del circuito de control de corriente están compuestas principalmente de armónicos de la frecuencia de control. Cambiando dinámicamente la frecuencia de control, todas las emisiones resultantes se modulan en un ancho de banda más amplio. Esto reduce la energía de los picos de las emisiones en un ancho de banda de medida establecida, sin gasto adicional en equipo.

En adelante se sigue describiendo la invención, a modo de ejemplo solamente, y con referencia a los dibujos adjuntos, donde:

La Fig. 1 es el diagrama básico de un circuito de una disposición en conmutación conocida para el control y la monitorización de la corriente que pasa a través de una carga inductiva;

La Fig. 2 es el diagrama básico de un circuito de una realización de una disposición para el control y la monitorización de la corriente que pasa a través de una carga inductiva;

La Fig. 3 muestra las curvas de respuesta típicas que ilustran la disipación de corriente de recirculación en un sistema conocido y en un sistema con arreglo a esta invención;

La Fig. 4 es el diagrama del circuito de una posible modificación del circuito de la Fig. 2.

La Fig. 5 es un diagrama básico de un circuito de una disposición en conmutación con múltiples solenoides incorporando la presente invención; y

La Fig. 6 muestra un sistema electrohidráulico de frenos (EHB) al que se le puede aplicar la presente invención.

Haciendo referencia en primer lugar a la Fig. 1, se muestra el circuito básico de una disposición típica conocida para el control/monitorización de la corriente I_{L}que pasa por una carga inductiva L_{1} como, por ejemplo, la bobina de una válvula accionada por solenoide. Se deja pasar o se cierra la corriente que pasa por la bobina L_{1} por medio de un transistor MOSFET T_{1} accionado por un controlador C_{1} en relación con una señal de demanda D. La monitorización de la corriente I_{L} tiene lugar por la detección de una caída de voltaje a través del resistor R_{1}, dispuesto en serie con la bobina L_{1}, usando un amplificador diferencial A_{1}que está conectado al controlador C_{1} para constituir un bucle de control analógico. Se conecta un diodo de recirculación D_{1} en paralelo con la conexión en serie del resistor R_{1} y la carga L_{1}. Al usar esta disposición de circuito, cuando se cierra el transistor MOSFET T_{1}, la energía almacenada en la bobina resulta en un flujo de corriente que se disipa en la caída de voltaje a través del diodo de recirculación D_{1}. Sin embargo, tal y como se ha mencionado anteriormente, la velocidad de disipación de esta corriente lograda mediante el diodo D_{1} es relativamente lenta y sigue normalmente el patrón definido por la curva X en la Fig. 3.

Se hace referencia ahora a la Fig. 2 que muestra una realización de una disposición de circuito con arreglo a la presente invención, en donde se les asigna a los componentes con la misma función las mismas referencias numéricas que las usadas en la Fig. 1.

En este caso, se incluye un transistor de conmutación MOSFET T_{2} dispuesto en serie con el diodo de recirculación D_{1} para posibilitar la conducción de una vía de recirculación a través de D_{1} que sea controlada por la unidad de control electrónico (ECU) a través del correspondiente amplificador A_{2}. De esta manera, cuando el conmutador T_{2} está cerrado, el diodo D_{1} proporciona una vía de recirculación por caída de voltaje constante de la forma normal. Sin embargo, cuando el conmutador T_{2} forma un circuito abierto, entonces se rompe la vía de recirculación normal. Puede hacerse que esto ocurra, por ejemplo, cuando se detecta a través de la R_{1} que la corriente I_{L} en la carga L_{1}es demasiado alta (por encima de un umbral predeterminado). En este caso, las corrientes de recirculación que disipan la energía de la carga L_{1} se conducen a masa a través de un disipador de energía por caída de alto voltaje, por ejemplo, un diodo Zener D_{2} dispuesto a través del transistor MOSFET T_{1}. Esto permite que pueda disiparse la energía magnética de la carga almacenada en la carga inductiva L_{1} a una velocidad mucho mayor que usando el diodo D_{1} de caída por voltaje constante, pudiéndose obtener una curva Y como la que se muestra en la Fig. 3.

La Fig. 4 muestra una disposición alternativa del diodo Zener D_{2} de la Fig. 2 en donde la combinación en serie del diodo Zener D_{2} y el diodo D_{4} se dispone a través de los terminales drenador y puerta del transistor MOSFET T_{1}. Se puede conseguir una curva Y característica similar mediante esta disposición.

De esta manera, el presente circuito proporciona los medios por los que, en el caso de corrientes inducidas altas en la carga accionada, se puede reemplazar el diodo D_{1} de caída de voltaje constante por la disposición del diodo Zener D_{2} de caída de alto voltaje mediante la apertura del conmutador T_{2}.

Una ventaja particular de esta disposición es que se puede utilizar el mismo conmutador de recirculación individual T_{2} para una pluralidad de solenoides al mismo tiempo, como se muestra, por ejemplo, en la Fig. 5. La Fig. 5 muestra una segunda carga L_{1}', que pueda activarse/desactivarse a través de un segundo transistor MOSFET T_{1}', y cuya corriente puede monitorizarse por medio de un sensor de corriente R_{1}' y conectarse a través de un bucle de control analógico a su propio controlador C_{1}' que recibe una demanda de entrada de la unidad de control electrónico (ECU) común. Se apreciará que ambos diodos de recirculación D_{1} y D_{1}' contenidos en este circuito están conectados a una fuente de voltaje U_{b}por medio del mismo conmutador MOSFET individual T_{2}. Esto permite que se pueda añadir la ventajosa disposición mostrada en la Fig. 2 de forma económica a excitadores de carga existentes con un excitador T_{1} por canal más sólo un conmutador almacenado T_{2}. Esto es posible porque, desde el punto de vista de los canales que no necesitan en ese momento que la corriente decaiga rápidamente, no importa que la vía de recirculación a través de T_{2} se pierda temporalmente, por ejemplo, por una apertura con pulso de 1 ms de T_{2}, para permitir que la corriente de un canal que sí lo necesita decaiga rápidamente a través de D_{2}.

La Fig. 6 muestra un sistema electrohidráulico de frenos (EHB) típico al que se le puede aplicar la presente invención. En el sistema electrohidráulico de frenos de la Fig. 6, las señales de demanda de los frenos se generan electrónicamente a través de un sensor de recorrido 10 como respuesta al movimiento ejercido en un pedal de freno 12; estas señales se procesan en una unidad de control electrónico (ECU) 14 para controlar el funcionamiento de los excitadores de los frenos 16a y 16b en las ruedas delanteras y traseras respectivamente de un vehículo a través de los pares de válvulas 18a, 18b y 18c, 18d. Estas últimas válvulas se accionan opuestamente para proveer el control proporcional sobre el fluido excitador de los excitadores de los frenos 16 desde un acumulador de suministro de fluido a presión 20, mantenido desde un tanque 22 a través de una bomba accionada por motor 24 mediante una válvula del acumulador controlada por solenoide. Para uso, por ejemplo, en condiciones de emergencia en las que el control electrónico de los excitadores de los frenos no funcione por cualquier motivo, el sistema incluye un cilindro principal 28 conectado mecánicamente al pedal de freno 12 a través del que se puede suministrar fluido directamente a los excitadores de los frenos delanteros 16a en una condición de "servofreno". En esta condición de servofreno, se establece una conexión de fluido entre los excitadores de los frenos delanteros 16a y el cilindro 28 mediante válvulas accionadas por solenoide de funcionamiento digital, 30a y 30b. El sistema también incluye válvulas de funcionamiento digital 32 y 34 que se conectan respectivamente con los dos pares de válvulas 18a, 18b, y los dos pares de válvulas 18c, 18d.

El sistema de la presente invención para hacer posible una conmutación rápida puede aplicarse a cualquiera de los solenoides de la disposición de la Fig. 6. De forma ventajosa, cuando los grupos de solenoides estén bajo el control de una única unidad de control electrónico (ECU) como en los casos de las válvulas de solenoide 18a-18d, 26, 32, 34 y 30a, 30b de la Fig. 6 (o subgrupos de las mismas), la disposición presentada en la Fig. 5 puede resultar ventajosa donde un único diodo de recirculación T_{2} conmutado es compartido por todos los solenoides en el grupo o sub-grupo.

Claims (5)

1. Una disposición de circuito para la disipación rápida de la energía magnética almacenada en una carga inductiva (L_{1}) controlada por un primer conmutador (T_{1}) que consta de una vía de disipación de energía por caída de alto voltaje (D_{2}) dispuesta entre dicho primer conmutador (T_{1}) y un segundo conmutador (T_{2}) por el que se puede abrir selectivamente una vía de caída por diodo de voltaje constante (D_{2}) a través de la carga (L_{1}); caracterizado por el hecho de que dicho segundo conmutador (T_{2}) controla normalmente la apertura de varias de dichas vías de caída por diodo de voltaje constante (D_{1}) a través de las respectivas cargas inductivas (L); cada una de estas vías es accionable mediante su respectivo primer conmutador (T_{1}) a través del que está dispuesta la vía respectiva de disipación de energía por caída de alto voltaje (D_{2}).

2. Una disposición de circuito como la reivindicada en la reivindicación 1 en donde cada uno de los mencionados primeros conmutadores consta de un transistor de conmutación (T_{1}) y la mencionada vía de disipación de energía por caída de voltaje alto consta de un diodo regulador del voltaje (D_{2}) en paralelo con la vía de conmutación de dicho transistor de conmutación (T_{1}).

3. Una disposición de circuito como la reivindicada en la reivindicación 2 en donde cada uno de los transistores de conmutación mencionados (T) es un transistor de efecto de campo y el diodo regulador de voltaje (D_{2}) está conectado entre sus terminales fuente y drenador.

4. Una disposición de circuito como la reivindicada en la reivindicación 2, en donde cada uno de los transistores de conmutación mencionados (T_{1}) es un transistor de efecto de campo y el diodo regulador de voltaje (D_{2}) está conectado, en serie con un primer diodo (D_{4}), entre los terminales drenador y puerta.

5. Una disposición de circuito como la reivindicada en cualquiera de las reivindicaciones de 1 a 4, en donde el mencionado segundo conmutador (T_{2}) consta de un transistor de efecto de campo en serie con una pluralidad de segundos diodos (D_{1}) a través de combinaciones en serie de la pluralidad de cargas inductivas (L) y los elementos sensores de corriente asociados (R).