ES2275293T3 - Procedimiento y aparato para accionar un motor de corriente sin sensores que tiene un circuito detector de inductancia de tipo puente. - Google Patents
Procedimiento y aparato para accionar un motor de corriente sin sensores que tiene un circuito detector de inductancia de tipo puente. Download PDFInfo
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Abstract
SE DESCRIBEN UN PROCEDIMIENTO Y UN APARATO PARA ACCIONAR UN MOTOR DE CC SIN SENSORES QUE TIENE UN CIRCUITO DE DETECCION DE INDUCTANCIA DEL TIPO DE PUENTE. EL PROCEDIMIENTO DE ACCIONAMIENTO DE UN MOTOR DE CC SIN SENSORES, QUE INCLUYE UN ROTOR CON BOBINAS DE FASE CON ARROLLAMIENTO EN ESTRELLA Y UNA SERIE DE POLOS MAGNETICOS, COMPRENDE LAS ETAPAS DE APLICAR UNA SEÑAL DE TENSION DE CORRIENTE ALTERNA A LOS CIRCUITOS DE PUENTE ACOPLADOS A LAS BOBINAS DE FASE, RESPECTIVAMENTE, INTRODUCIR UNA SEÑAL DE TENSION DE SALIDA DE CADA CIRCUITO DE PUENTE COMO SEÑAL DE DETECCION DE LA INDUCTANCIA DE CADA BOBINA DE FASE, AMPLIFICAR LA SEÑAL DE DETECCION DE INDUCTANCIA INTRODUCIDA DE CADA BOBINA DE FASE, COMPARAR ENTRE SI UN VALOR DE LA SEÑAL DE DETECCION DE INDUCTANCIA AMPLIFICADA DE CADA BOBINA DE FASE, Y DETERMINAR UNA POSICION INICIAL DEL ROTOR PARA HACER GIRAR EL ROTOR, TENIENDO LAS BOBINAS DE FASE, EXCEPTO UNA BOBINA DE FASE, UNA SEÑAL DE DETECCION DE INDUCTANCIA MAXIMA QUE SE ENCUENTRA MAGNETIZADA EN LAPOSICION INICIAL. SEGUN ESTE PROCEDIMIENTO, LA POSICION INICIAL DEL ROTOR SE PUEDE DETECTAR CON PRECISION INCLUSO CUANDO EL ROTOR SE HACE GIRAR A BAJA VELOCIDAD O EN ESTADO DE PARADA, DE MANERA QUE EL ROTOR PUEDA IMPULSARSE CON TODA FIABILIDAD.
Description
Procedimiento y aparato para accionar un motor
de corriente continua sin sensores que tiene un circuito detector de
inductancia de tipo puente.
La presente invención se refiere a un
procedimiento y un aparato para accionar un motor de CC (corriente
continua) sin sensores que tiene un circuito detector de
inductancia de tipo puente y, más particularmente, a un
procedimiento y un aparato para accionar un motor de CC sin
sensores que tiene un circuito detector de inductancia de tipo
puente que detecta una inductancia basándose en una posición
relativa de una bobina de fase con respecto a un rotor magnético,
determinando con ello una posición del rotor.
Un magnetoscopio (VCR) incluye un motor de
cabezal móvil y un motor de tambor de cabeza. De manera
convencional, para poder accionar estos motores, se requiere
determinar la posición del rotor usando sensores tales como un
sensor de Hall o un sensor óptico de tal manera que una curva de
fase aplicada a motores se puede controlar según la posición del
rotor. Sin embargo, el procedimiento convencional requiere un
espacio para instalar sensores. Asimismo, los sensores son tan
costosos que el coste de un artículo se ve incrementado.
Recientemente se ha generalizado el uso de un
motor sin sensores para superar los problemas anteriores.
En el motor sin sensores convencional, según se
desvela en la patente estadounidense Nº 5.235.264, se determina una
conmutación del rotor detectando una fuerza contraelectromotriz
(FCEM) inducida en la bobina de fase, determinando con ello la
posición del rotor magnético. Un procedimiento para determinar un
campo magnético está desvelado, por ejemplo, por el documento
FR-A-2528184.
La fuerza contraelectromotriz inducida en la
bobina va en proporción con una velocidad rotacional del rotor. Por
consiguiente, si el rotor gira a una velocidad inferior o está en
un estado de parada, es muy difícil detectar la fuerza
contraelectromotriz. En consecuencia, el procedimiento que usa la
fuerza contraelectromotriz requiere que el rotor gire por encima de
una velocidad predeterminada de manera que se detecte
suficientemente la fuerza contraelectromotriz, o de lo contrario se
controla en forma inestable la conmutación del rotor.
Un procedimiento alternativo para accionar un
motor de CC sin sensores está desvelado por el documento
EP-A-0817364, en el que el motor de
CC sin sensores incluye un rotor con bobinas de fase de
arrollamiento en estrella y una pluralidad de polos magnéticos. Se
aplica una tensión predeterminada a la combinación de bobinas y se
miden las variaciones correspondientes de las corrientes eléctricas
resultantes.
La presente invención se ha realizado para
superar los problemas de la técnica anterior descritos
anteriormente. En consecuencia, la presente invención tiene por
objeto proporcionar un procedimiento y un aparato para accionar un
motor de CC sin sensores que puedan detectar una inductancia de una
bobina de fase basándose en una posición relativa de la bobina de
fase con respecto a un rotor magnético, determinando con ello con
precisión una posición inicial del rotor, incluso cuando el rotor
gira a una velocidad baja o está en un estado de parada.
A fin de lograr el objeto anterior, la presente
invención proporciona un procedimiento de accionamiento de un motor
de CC sin sensores que incluye un rotor que tiene bobinas de fase
de arrollamiento en estrella y una pluralidad de polos magnéticos,
comprendiendo el procedimiento las etapas de:
- aplicar una señal de tensión de corriente alterna a circuitos en puente que están acoplados respectivamente a las bobinas de fase;
- aplicar en entrada una señal de tensión de salida de cada uno de los circuitos en puente como una señal de detección de inductancia de cada una de las bobinas de fase;
- amplificar la señal de detección de inductancia aplicada en entrada de cada una de las bobinas de fase;
- comparar entre sí un valor de la señal amplificada de detección de inductancia de cada una de las bobinas de fase; y
- determinar una posición inicial del rotor para hacer girar el rotor, magnetizándose en la posición inicial las bobinas de fase, salvo para una bobina de fase que tiene una señal máxima de detección de inductan-cia.
La presente invención también proporciona un
aparato para accionar un motor de CC sin sensores que incluye un
rotor que tiene bobinas de fase de arrollamiento en estrella y una
pluralidad de polos magnéticos, comprendiendo el aparato:
- una fuente de tensión de corriente alterna destinada a proporcionar una señal de tensión de corriente alterna;
- circuitos en puente que reciben la señal de tensión de corriente alterna de manera que detecten una señal de tensión diferencial entre señales de tensión entre terminales de las bobinas de fase, entregando con ello a su salida una señal de detección de inductancia, estando los circuitos en puente conectados respectivamente a la bobina de fase;
- amplificadores destinados a amplificar cada señal de detección de inductancia de cada uno de los circuitos en puente;
- una sección de control de conmutación destinada a comparar entre sí un valor de la señal amplificada de detección de inductancia de cada una de las bobinas de fase, para determinar una posición inicial en la que se magnetizan las bobinas de fase, salvo para una bobina de fase que tiene una señal máxima de detección de inductancia, y para determinar una conmutación comparando entre sí los valores de las señales de detección de inductancia en cada ángulo de giro predeterminado del rotor; y
- una sección de accionamiento destinada a proporcionar una corriente de accionamiento a un par de bobinas de fase en respuesta a una señal de control de la sección de control de conmutación.
Cada uno de los circuitos en puente comprende un
primer terminal de entrada que está conectado a un primer terminal
de la fuente de tensión de corriente alterna y es un punto de
conexión común del arrollamiento en estrella, un segundo terminal de
entrada conectado a un segundo terminal de la fuente de tensión de
corriente alterna, una primera resistencia y un primer condensador
que están conectados en serie entre el primer y segundo terminales
de entrada, una segunda resistencia y un segundo condensador que
están conectados en serie entre un primer terminal de cada bobina de
fase y el primer terminal de la fuente de tensión de corriente
alterna, un primer terminal de salida previsto en el primer terminal
de cada bobina de fase, y un segundo terminal de salida que es un
punto de conexión común de la primera resistencia y condensador.
De acuerdo con otra forma de realización de la
presente invención, se proporciona un procedimiento de accionamiento
de un motor de CC sin sensores que incluye un rotor que tiene
bobinas de fase de arrollamiento con toma central y una pluralidad
de polos magnéticos, comprendiendo el procedimiento las etapas
de:
- aplicar en secuencia una señal de tensión de corriente alterna a circuitos en puente que están acoplados respectivamente a pares de las bobinas de fase;
- aplicar en entrada una señal de tensión de salida de cada uno de los circuitos en puente como una señal de detección de inductancia diferencial de cada uno de los pares de las bobinas de fase;
- amplificar la señal aplicada en entrada de detección de inductancia diferencial de cada uno de los pares de las bobinas de fase;
- comparar entre sí el valor de la señal amplificada de detección de inductancia diferencial de cada uno de los pares de las bobinas de fase; y
- determinar una posición inicial del rotor para hacer girar el rotor, magnetizándose en la posición inicial las bobinas de fase, salvo para una bobina de fase que tiene una señal máxima de detección de inductancia diferencial.
De acuerdo con otra forma de realización de la
presente invención, se proporciona un aparato para accionar un
motor de CC sin sensores que incluye un rotor que tiene bobinas de
fase de arrollamiento con toma central y una pluralidad de polos
magnéticos, comprendiendo el aparato:
- una fuente de tensión de corriente alterna destinada a proporcionar una señal de tensión de corriente alterna;
- circuitos en puente que reciben la señal de tensión de corriente alterna de manera que detecten una señal de tensión diferencial entre señales de tensión entre terminales de las bobinas de fase, entregando con ello a su salida una señal de detección de inductancia diferencial, estando los circuitos en puente conectados a un par de las bobinas de fase;
- amplificadores destinados a amplificar cada señal de detección de inductancia diferencial de cada uno de los circuitos en puente;
- una sección de control de conmutación destinada a comparar entre sí un valor de la señal amplificada de detección de inductancia diferencial de cada uno de los pares de las bobinas de fase, para determinar una posición inicial en la que se magnetizan las bobinas de fase, salvo para un par de bobinas de fase que tiene una señal máxima de detección de inductancia diferencial, y para determinar una conmutación comparando entre sí los valores de las señales de detección de inductancia diferencial en cada ángulo de giro predeterminado del rotor; y
- una sección de accionamiento destinada a proporcionar una corriente de accionamiento a cada una de las bobinas de fase en respuesta a una señal de control de la sección de control de conmutación.
Cada uno de los circuitos en puente comprende un
primer terminal de entrada que está conectado a un primer terminal
de la fuente de tensión de corriente alterna y va con toma central,
un segundo terminal de entrada conectado a un segundo terminal de
la fuente de tensión de corriente alterna, primera y segunda
resistencias que están conectadas entre un primer terminal de cada
una de las bobinas de fase y el segundo terminal de entrada, y
primer y segundo terminales de salida que están previstos en
primeros terminales de un par de bobinas de fase conectadas a la
primera y segunda resistencias, respectivamente.
El objeto y las ventajas anteriores de la
presente invención resultarán más evidentes al describir en detalle
una forma de realización preferida de la misma con referencia a los
dibujos que se adjuntan, en los que:
la Fig. 1 es un diagrama del circuito de un
motor sin sensores que tiene un circuito en puente de Owen según
una forma de realización de la presente invención;
la Fig. 2 es un diagrama de circuito detallado
del circuito en puente de Owen mostrado en la Fig. 1;
la Fig. 3A es una vista en planta seccional que
muestra bobinas de fase de un estátor;
la Fig. 3B es una vista en planta seccional que
muestra un rotor magnético;
la Fig. 4 es una representación gráfica que
muestra una forma de onda de una tensión de salida de un circuito
en puente cuando una inductancia de la bobina de fase es 835
\muH;
la Fig. 5 es una representación gráfica que
muestra una característica de la tensión de salida según una
inductancia de la bobina de fase;
la Fig. 6 es una representación gráfica que
muestra una forma de onda de una tensión de salida de inductancia
amplificada de cada bobina de fase correspondiente a ángulos de
giro del rotor magnético;
la Fig. 7 es un diagrama del circuito de un
motor sin sensores que tiene un circuito en puente para medidas de
inductancia según otra forma de realización de la presente
invención;
la Fig. 8 es un diagrama de circuito detallado
del circuito en puente para medidas de inductancia mostrado en la
Fig. 7;
la Fig. 9 es una representación gráfica que
muestra una forma de onda de una tensión máxima de cada circuito en
puente para medidas de inductancia correspondiente a ángulos de
giro del rotor magnético cuando se aplica a su entrada una onda
cuadrada;
la Fig. 10 es una representación gráfica que
muestra una forma de onda de una tensión mínima de cada circuito en
puente para medidas de inductancia correspondiente a ángulos de
giro del rotor magnético cuando se aplica a su entrada una onda
cuadrada;
la Fig. 11 es una representación gráfica que
muestra una forma de onda de una tensión diferencial entre dos
bobinas de fase cuando se aplica en entrada una onda
sinusoidal;
la Fig. 12 es una representación gráfica que
muestra una inductancia de cada bobina de fase correspondiente a
ángulos de giro del rotor;
la Fig. 13 es una representación gráfica que
muestra una diferencia de fase entre una señal de entrada y una
señal de tensión diferencial en la condición de L1 > L2;
la Fig. 14 es una representación gráfica que
muestra una diferencia de fase entre una señal de entrada y una
señal de tensión diferencial en la condición de L2 > L1; y
la Fig. 15 es una vista que muestra una
secuencia de energización de bobinas de fase.
En lo sucesivo se explicará con más detalle la
estructura y el funcionamiento de un aparato para accionar un motor
de CC sin sensores según formas de realización preferidas de la
presente invención, con referencia a los dibujos que se
adjuntan.
La Fig. 1 muestra un circuito destinado a
accionar un motor de CC sin sensores que tiene un puente de Owen
según la presente invención. El circuito mostrado en la Fig. 1
incluye una fuente de tensión de CA 10, circuitos en puente 12, 14 y
16, amplificadores 18, 20 y 22, una sección de control de
conmutación 24, una sección de accionamiento 26 y bobinas de fase
de arrollamiento en estrella 28, 30 y 32.
Cuando un rotor gira, una corriente de
accionamiento fluye por las bobinas de fase del motor. Debido a una
pérdida por efecto Joule, aumenta una temperatura de las mismas en
respuesta a un aumento de un tiempo de funcionamiento. El aumento de
temperatura incrementa una resistencia de las bobinas de fase. Una
resistividad del cobre sigue linealmente al cambio de temperatura.
Esto destruye un estado de equilibrio del puente de Owen y no
permite que una tensión de salida de una bobina de fase inactiva
determine una posición del rotor. De este modo, a fin de compensar
el estado de desequilibrio del circuito en puente debido al aumento
de temperatura provocado por la pérdida por efecto Joule de las
bobinas de fase, las bobinas de fase y los circuitos en puente se
instalan conjuntamente, en forma apropiada, en una caja de motor
34.
La Fig. 2 muestra un circuito en puente de una
bobina de fase y un diagrama detallado del circuito de un
amplificador.
Un circuito en puente 12 incluye un primer nodo
de entrada C que es un punto conectado corrientemente de un
arrollamiento en estrella y está conectado a un nodo de una fuente
de tensión de CA 10, un segundo nodo de entrada D conectado al otro
nodo de la fuente de tensión de CA 10, un primer resistor R1 y un
primer condensador C1 situados en serie entre el primer y segundo
nodos de entrada C y D, un segundo condensador C2 y un segundo
resistor R2 situados en serie entre un nodo de la bobina de fase 28
y un nodo de la fuente de tensión de CA 10, un primer nodo de salida
B que es un nodo de la bobina de fase 28 y un segundo nodo de
salida A que es un punto conectado corrientemente del primer
resistor R1 y el primer condensador C1. La bobina de fase 28
incluye un resistor interno Rx y un inductor Lx.
El amplificador 18 es un amplificador
operacional U1 que está conectado en un terminal no inversor del
mismo al primer nodo de salida B a través de un resistor R4, y está
conectado en un terminal inversor del mismo al segundo nodo de
salida A a través de un resistor R3. El terminal no inversor del
amplificador operacional U1 se conecta a masa a través de un
resistor R5 y un terminal de salida del mismo se conecta a masa a
través de un resistor R7. Entre el terminal inversor y el terminal
de salida se conecta un resistor R6. Los resistores R3 y R4 tienen
la misma resistencia y los resistores R5 y R6 tienen una
resistencia que es m veces la resistencia de R3 y R4.
Para la obtención de cada parámetro circuital
del circuito en puente 18, una variación de inductancia que tiene
una resistencia de 22,5 \Omega y una inductancia en un intervalo
de 813-846 \muH con respecto a la bobina de fase
28. Basándose en la información anterior, se puede determinar la
resistencia de R1 y R2 y la capacitancia de C1 y C2 en un estado de
equilibrio.
Las ecuaciones de la característica de tensión
del sistema de puente en respuesta a una tensión de CA aplicada
v(t) son las siguientes.
(1)v(t)=R_{1}i_{1} +
\frac{1}{c_{1}} \int i_{1}
dt
(2)v(t)=R_{x}i_{2} + L_{x}
\frac{di_{2}}{dt} + \frac{1}{c_{2}} \int i_{2} dt +
R_{2}i_{2}
Mediante las ecuaciones (1) y (2), se determina
i_{1} e i_{2}. Y las tensiones V_{A}(t) y
V_{B}(t) se determinan del siguiente modo.
(3)V_{A}(t) =
v(t) -
R_{1}i_{1}
(4)V_{B}(t) =
v(t) - R_{x}i_{2} - L_{x}
\frac{di_{2}}{dt}
En un estado de equilibrio, la tensión del nodo
de salida A es igual a la tensión de tensión de salida del nodo B.
De este modo, no hay diferencial de tensión entre los dos nodos de
salida.
Las Figs. 3A y 3B muestran la disposición de las
bobinas de fase 28, 30 y 32 y un rotor magnético 36. Cada una de
las bobinas de fase 28, 30 y 32 incluye tres parejas de bobinas 28a
y 28b, 30a y 30b y 32a y 32b, estando cada pareja de éstas situada
en oposición. En consecuencia, las seis bobinas están organizadas de
tal manera que ocupen áreas cónicas que se extienden 60 grados en
sentido angular. El rotor magnético 36 tiene ocho polos magnéticos
que ocupan concéntricamente áreas cónicas que se extienden cuarenta
y cinco grados en sentido angular. Los polos magnéticos están
situados de tal manera que el polo N y el polo S vayan situados en
alternancia.
Por consiguiente, cuando las bobinas de fase y
el rotor magnético se instalan en una posición solapada como se
muestra en la Fig. 3 y la Fig. 3A, la bobina de fase 28 queda
solapada en una gran porción de la misma por el polo S, y la bobina
de fase 30 queda solapada en una gran porción de la misma por el
polo N, al tiempo que la bobina de fase 32 queda solapada en media
porción de la misma por el polo N y, en la media porción restante
de la misma, por el polo S.
\newpage
Cuando el rotor 36 gira en este estado, varía un
campo magnético del mismo de modo que las inductancias de las
bobinas de fase cambian y se genera un diferencial de tensión entre
los dos nodos de salida. Sin embargo, el diferencial de tensión es
demasiado pequeño para usarlo. De este modo, para amplificar la
señal del mismo, se usa un amplificador diferencial 18.
Una tensión de salida Vout del amplificador
diferencial es del siguiente modo.
(5)Vout =
m(V_{A} -
V_{B})
Aquí, m es una ganancia del amplificador
diferencial, que es mR/R.
La fuente de tensión de CA 10 es una fuente de
tensión que genera una onda rectangular que tiene 10 V, 100 kHz y
un factor de marcha del 25%.
La Fig. 4 muestra una tensión de salida
amplificada del circuito en puente en el que la inductancia de la
bobina de fase es 835 \muH, y la Fig. 5 muestra una característica
de la tensión de salida con respecto a la inductancia de la bobina
de fase.
Haciendo referencia a la Fig. 5, en un caso en
que la inductancia es superior a 830 \muH, el valor absoluto de
una tensión máxima es superior al valor absoluto de una tensión
mínima. Sin embargo, en un caso en que la inductancia es inferior a
830 \muH, se produce un resultado contrario. La tensión de salida
que sigue a la inductancia se detecta tras un lapso de 62,5 \mus.
Es decir, con preferencia, la tensión de salida se detecta tras la
aplicación de seis ciclos al sistema a fin de no cumplir un estado
de transición.
La Fig. 6 es un diagrama de forma de onda que
muestra la tensión de salida de cada bobina de fase en respuesta a
un ángulo de rotación del rotor magnético. La línea continua
representa la tensión de salida de la bobina de fase 28, la línea de
puntos representa la de la bobina de fase 30 y la línea de un punto
y una raya representa la de la bobina de fase 32.
En un motor de 8 polos y 3 fases (6 bobinas),
debe llevarse a cabo una conmutación de fase en cada rotación de 15
grados del rotor. Como se muestra en la Fig. 6, los perfiles de
tensión de las tres fases están separados claramente y, en cada
grado, la tensión de una fase es superior a la de las dos fases
restantes.
La sección de control de conmutación 24 compara
las amplitudes de las señales detectadas de inductancia
amplificadas de las bobinas de fase y determina que las dos bobinas
de fase restantes, salvo una bobina de fase que tiene la amplitud de
tensión más alta, regresen a una posición inicial en la que se
magnetizan las dos bobinas de fase.
En un estado de parada, se aplican en secuencia
señales de entrada a las tres bobinas de fase. Entonces se
amplifican las señales de retorno de manera que se detecten en un
tiempo predeterminado. Después de ser comparadas entre sí las
amplitudes de tensión de las tres fases, las bobinas de fase se
magnetizan conforme a la tensión más alta o la más
baja.
baja.
Cuando el motor es activado por una correcta
determinación de la conmutación, se lleva a cabo la rotación del
rotor.
Si la señal detectada de inductancia de la
bobina de fase 28 es superior a las de las bobinas de fase 30 y 32,
la sección de control de conmutación 24 controla una sección de
accionamiento 26 de manera que suministre corrientes de
accionamiento a las bobinas de fase 30 y 32 para hacer girar el
rotor. Entonces, puesto que la señal detectada de inductancia de la
bobina de fase 30 es la más alta en un ángulo de giro de 15 grados,
las bobinas de fase 28 y 32 se magnetizan. Cuando el rotor gira, la
bobina inactiva sirve de sensor. La magnetización de la bobina de
fase correspondiente debe llevarse a cabo mientras la tensión de
salida esté en cierto intervalo.
La Fig. 7 muestra un circuito de accionamiento
del motor de CC sin sensores que tiene el circuito en puente para
medidas de inductancia de la presente invención. Haciendo
referencia a la Fig. 7, el circuito de accionamiento incluye una
fuente de tensión de CA 40, circuitos en puente 42, 44 y 46,
amplificadores 48, 50 y 52, una sección de control de conmutación
54, una sección de accionamiento 56, bobinas de fase de
arrollamiento con toma central 58, 60 y 62. Las bobinas de fase 58,
60 y 62 van instaladas en una caja de motor 64.
La Fig. 8 muestra un diagrama detallado del
circuito de un circuito en puente para medidas de inductancia. El
circuito en puente 42 destinado a detectar la diferencia de tensión
de inductancia de dos bobinas de fase 58 y 60 incluye un primer nodo
de entrada C que está conectado a un nodo de la fuente de tensión de
CA 40 y está en una posición de toma central, un segundo nodo de
entrada D conectado al otro nodo de la fuente de tensión de CA 40,
primer y segundo resistores R1 y R2 estando conectado cada uno de
ellos entre cada nodo lateral de las bobinas de fase 58 y 60 y el
segundo nodo de entrada D, y primer y segundo nodos de salida A y B
que sirven de nodos laterales de una pareja de bobinas de fase 58 y
60, estando conectado cada uno de ellos a cada uno del primer y
segundo resistores R1 y R2. La bobina de fase 58 incluye un
resistor interno R58 y una bobina de inductancia L60.
Un amplificador 48 es un amplificador
operacional U1 que está conectado en un terminal no inversor del
mismo al primer nodo de salida A a través de un resistor R4, y está
conectado en un terminal inversor del mismo al segundo nodo de
salida A a través de un resistor R3. El terminal no inversor del
amplificador operacional U1 se conecta a masa a través de un
resistor R5 y un terminal de salida del mismo se conecta a masa a
través de un resistor R7. Entre el terminal inversor y el terminal
de salida se conecta un resistor R6. Los resistores R3 y R4 tienen
una misma resistencia y los resistores R5 y R6 tienen una
resistencia que es m veces la resistencia de R3 y R4.
La sección de control de conmutación 54 compara
las amplitudes de las señales detectadas de inductancia diferencial
amplificadas de las bobinas de fase y determina que las dos bobinas
de fase restantes, salvo una bobina de fase que tiene la amplitud de
tensión más alta, regresen a una posición inicial en la que se
magnetizan las dos bobinas de fase. La sección de control de
conmutación 54 compara las amplitudes de las señales detectadas de
inductancia diferencial amplificadas en cada ángulo de rotación
predeterminado del rotor, determinando con ello la conmutación.
La sección de accionamiento 56 suministra
corrientes de accionamiento a las bobinas de fase 58, 60 y 62 en
respuesta a un control de la sección de control de conmutación
54.
La tensión de salida de cada nodo de salida en
el circuito en puente 42 se evalúa mediante las siguientes
ecuaciones.
(6)V_{A}(t) =
v(t) - R_{58}i_{1}(t) - L_{58}
\frac{di_{1}(t)}{dt}
(7)V_{B}(t) =
v(t) - R_{60}i_{2}(t) - L_{60}
\frac{di_{2}(t)}{dt}
La tensión de salida Vout del amplificador se
representa como sigue.
(8)Vout =
m(V_{A} -
V_{B})
Si la resistencia y la inductancia de las dos
bobinas de fase 58 y 60, no hay diferencia de tensión entre los dos
nodos de salida A y B. La inductancia de la bobina de fase cambia
cuando hay un cambio de una posición relativa de un polo de imán con
respecto a la bobina. Aunque las resistencias de las dos bobinas de
fase sean las mismas, si hay un cambio de inductancia, se genera
una diferencia de tensión.
Cuando se aplica una onda rectangular de 10 V,
100 kHz y un factor de marcha del 25% al circuito en puente desde
la fuente de tensión de CA 10, se generan ondas de tensión
diferencial de inductancia como se muestra en las Figs. 9 y 10.
La Fig. 9 muestra formas de onda de tensiones
máximas de los circuitos en puente para medidas de inductancia en
respuesta a un ángulo de rotación del rotor de imán cuando se
aplica a los mismos la onda rectangular, mientras que la Fig. 10
muestra una forma de onda de tensiones mínimas de los circuitos en
puente para medidas de inductancia en respuesta a un ángulo de
rotación del rotor de imán cuando se aplica a los mismos la onda
rectangular.
Haciendo referencia a la Fig. 9, la línea
continua representa la tensión diferencial de inductancia máxima
entre las bobinas de fase 60 y 62, y la línea de puntos representa
la de las bobinas de fase 60 y 58. En la Fig. 10, la línea continua
representa la tensión diferencial de inductancia mínima entre las
bobinas de fase 60 y 62, la línea de un punto y una raya representa
la de las bobinas de fase 60 y 58 y la línea de puntos representa
la de las bobinas de fase 58 y 60.
En un estado de pausa, se aplican señales de
entrada a tres parejas de bobinas de fase. Una señal de retorno
procedente de cada pareja de bobinas de fase es detectada y
comparada de modo que la conmutación basada en la tensión máxima o
la mínima controle el rotor para que gire. Sin embargo, se usan dos
bobinas de fase para determinar la posición del rotor y la bobina
de fase restante se magnetiza. En este momento, se usa la tensión
máxima para determinar una bobina de fase que ha de
magnetizarse.
Por ejemplo, la tensión diferencial entre las
dos bobinas de fase 60 y 62 es superior a las de 62 y 58, y de 58 y
60, se aplica una corriente de accionamiento a la bobina de fase 58
de manera que se magnetice para hacer girar el rotor. En la
siguiente posición girada 15 grados del rotor, se magnetiza la
bobina de fase 60.
Si hay dos tensiones máximas, es difícil
determinar qué bobina de fase debería magnetizarse. En este caso,
se usa la tensión mínima para la conmutación. Por ejemplo, si hay
un punto P de cambio de conmutación desde la bobina de fase 62 a la
58 en 15 grados, y además si las tensiones de salida son iguales, e
incluso si la tensión de salida de 62 y 58 es inferior a la de 60 y
62 y la de 58 y 60, la conmutación magnetiza la bobina de fase 58 de
modo que el rotor gire en una dirección correcta.
La Fig. 11 es un diagrama de forma de onda de
una tensión diferencial de inductancia en respuesta a un ángulo
girado del rotor cuando se aplica en entrada una onda sinusoidal.
La línea continua representa la tensión diferencial de inductancia
entre las dos bobinas de fase 58 y 60, y la línea de puntos
representa la tensión diferencial de inductancia entre las dos
bobinas de fase 60 y 62. En este caso, se aplica a la entrada del
circuito en puente la onda sinusoidal de 10 V y 50 kHz desde la
fuente de tensión de CA 40.
En la Fig. 11, se detectan las tensiones
diferenciales en T = 15 \mus cuando la señal de entrada alcanza
su valor mínimo.
Por ejemplo, en un ángulo de giro de 36 grados
del rotor, la tensión diferencial entre las dos bobinas de fase 62
y 58 es superior a las de las bobinas de fase restantes. De este
modo, a fin de hacer girar el rotor, debe magnetizarse la bobina de
fase 60. La bobina de fase 60 se magnetiza en forma continua
mientras la tensión diferencial entre las dos bobinas de fase 62 y
58 es superior a las de las restantes bobinas de fase.
Mientras el rotor gira dentro de un intervalo de
28 a 43 grados en el que la bobina de fase 60 está en condición
magnetizada, la inductancia de la bobina de fase 60 disminuye al
tiempo que aumentan las inductancias de las bobinas de fase
restantes, como se muestra en la Fig. 12. La Fig. 12 muestra la
inductancia de cada bobina de fase en respuesta a la rotación del
rotor.
La Fig. 13 muestra una relación de fase de la
señal de entrada y la señal de tensión diferencial en la condición
en que L_{60} es superior a L_{58}. A partir de la Fig. 13,
podemos hallar que la señal de entrada y la señal de tensión
diferencial tienen una misma fase.
La Fig. 14 muestra una relación de fase de la
señal de entrada y la señal de tensión diferencial en la condición
en que L_{60} es inferior a L_{58}. A partir de la Fig. 14,
podemos hallar que la señal de entrada y la señal de tensión
diferencial tienen diferentes fases.
Además de la tensión diferencial máxima, en una
conmutación correcta se puede usar la información acerca de la
transición de fase descrita anteriormente.
La Fig. 15 muestra la secuencia de magnetización
de cada bobina de fase. Al principio, hasta el ángulo de rotación
del rotor de 15 grados, se aplica a la bobina de fase 58 una
corriente de accionamiento en una dirección positiva. Durante el
ángulo de rotación del rotor de 15 a 30 grados, se aplica a la
bobina de fase 60 una corriente de accionamiento en una dirección
negativa y, durante el ángulo de rotación del rotor de 30 a 45
grados, se aplica a la bobina de fase 62 una corriente de
accionamiento en la dirección positiva. De este modo se determina
la conmutación de manera que las bobinas de fase se magneticen en
el orden de 58, 60, 62 y 58.
Si bien se ha descrito la forma de realización
preferida de la invención, se entiende que la presente invención no
deberá quedar limitada a esta forma de realización preferida, sino
que un experto en la materia puede realizar varios cambios y
modificaciones dentro del alcance de la invención según se
reivindica en lo sucesivo.
Claims (13)
1. Un procedimiento de accionamiento de un motor
de CC sin sensores que incluye un rotor y que tiene bobinas de fase
de arrollamiento en estrella (28, 30, 32) y una pluralidad de polos
magnéticos, comprendiendo el procedimiento las etapas de:
- aplicar una señal de tensión de corriente alterna a circuitos en puente (12, 14, 16) acoplados respectivamente a las bobinas de fase (28, 30, 32);
- aplicar en entrada una señal de tensión de salida de cada uno de los circuitos en puente (12, 14, 16) como una señal de detección de inductancia de cada una de las bobinas de fase (28, 30, 32);
- amplificar la señal de detección de inductancia aplicada en entrada de cada una de las bobinas de fase (28, 30, 32);
- comparar entre sí un valor de la señal amplificada de detección de inductancia de cada una de las bobinas de fase (28, 30, 32); y
- determinar una posición inicial del rotor para hacer girar el rotor, magnetizándose en la posición inicial las bobinas de fase (28, 30, 32), salvo para una bobina de fase que tiene una señal máxima de detección de inductancia.
2. El procedimiento según la reivindicación 1,
que comprende además las etapas de hacer girar el rotor y
determinar una conmutación comparando entre sí los valores de las
señales de detección de inductancia en cada ángulo de giro
predeterminado del rotor.
3. El procedimiento según la reivindicación 1,
en el que el circuito en puente (12, 14, 16) es un circuito en
puente de Owen.
4. Un aparato para accionar un motor de CC sin
sensores que incluye un rotor y que tiene bobinas de fase de
arrollamiento en estrella (28, 30, 32) y una pluralidad de polos
magnéticos, comprendiendo el aparato:
- una fuente de tensión de corriente alterna (10) destinada a proporcionar una señal de tensión de corriente alterna;
- circuitos en puente (12, 14, 16) que reciben la señal de tensión de corriente alterna de manera que detecten una señal de tensión diferencial entre señales de tensión entre terminales de las bobinas de fase (28, 30, 32), proporcionando con ello a su salida una señal de detección de inductancia, estando los circuitos en puente (12, 14, 16) conectados respectivamente a las bobinas de fase (28, 30, 32);
- amplificadores destinados a amplificar cada señal de detección de inductancia de cada uno de los circuitos en puente (12, 14, 16);
- una sección de control de conmutación (54) destinada a comparar entre sí un valor de la señal amplificada de detección de inductancia de cada una de las bobinas de fase (28, 30, 32), para determinar una posición inicial en la que se magnetizan las bobinas de fase salvo para una bobina de fase (28, 30, 32) que tiene una señal máxima de detección de inductancia, y para determinar una conmutación comparando entre sí los valores de las señales de detección de inductancia en cada ángulo de giro predeterminado del rotor; y
- una sección de accionamiento (26) destinada a proporcionar una corriente de accionamiento a un par de bobinas de fase (28a, 28b, 30a, 30b, 32a, 32b) en respuesta a una señal de control de la sección de control de conmutación (54).
5. El aparato según la reivindicación 4, en el
que cada uno de los circuitos en puente (12, 14, 16) comprende un
primer terminal de entrada que está conectado a un primer terminal
de la fuente de tensión de corriente alterna (10) y es un punto de
conexión común del arrollamiento en estrella (28, 30, 32), un
segundo terminal de entrada conectado a un segundo terminal de la
fuente de tensión de corriente alterna (10), una primera
resistencia y un primer condensador que están conectados en serie
entre el primer y segundo terminales de entrada, una segunda
resistencia y un segundo condensador que están conectados en serie
entre un primer terminal de cada bobina de fase (28, 30, 32) y el
primer terminal de la fuente de tensión de corriente alterna (10),
un 5 primer terminal de salida previsto en el primer terminal de
cada bobina de fase, y un segundo terminal de salida que es un
punto de conexión común de la primera resistencia y
condensador.
6. El aparato según la reivindicación 5, en el
que los circuitos en puente se instalan en un espacio en el están
instaladas las bobinas de fase (28, 30, 32), con objeto de
satisfacer una condición de temperatura común.
7. Un procedimiento de accionamiento de un
motor de CC sin sensores que incluye un rotor y que tiene bobinas
de fase de arrollamiento conectado en estrella (58, 60, 62) con una
toma central y una pluralidad de polos magnéticos, comprendiendo el
procedimiento las etapas de:
- aplicar en secuencia una señal de tensión de corriente alterna a circuitos en puente (42, 44, 46) acoplados respectivamente a pares de las bobinas de fase;
- aplicar en entrada una señal de tensión de salida de cada uno de los circuitos en puente (42, 44, 46) como una señal de detección de inductancia diferencial de cada uno de los pares de las bobinas de fase (58, 60, 62);
- amplificar la señal aplicada en entrada de detección de inductancia diferencial de cada uno de los pares de las bobinas de fase;
- comparar entre sí el valor de la señal amplificada de detección de inductancia diferencial de cada uno de los pares de las bobinas de fase (58, 60, 62); y
- determinar una posición inicial del rotor para hacer girar el rotor, magnetizándose en la posición inicial las bobinas de fase (58, 60, 62), salvo para una bobina de fase (58, 60, 62) que tiene una señal máxima de detección de inductancia diferencial.
8. El procedimiento según la reivindicación 7,
que comprende además las etapas de hacer girar el rotor y
determinar una conmutación comparando entre sí los valores de las
señales de detección de inductancia diferencial en cada ángulo de
giro predeterminado del rotor.
9. Un aparato para accionar un motor de CC sin
sensores que incluye un rotor y que tiene bobinas de fase de
arrollamiento conectado en estrella (58, 60, 62) con una toma
central y una pluralidad de polos magnéticos, comprendiendo el
aparato:
- una fuente de tensión de corriente alterna destinada a proporcionar una señal de tensión de corriente alterna;
- circuitos en puente (42, 44, 46) que reciben la señal de tensión de corriente alterna de manera que detecten una señal de tensión diferencial entre señales de tensión entre terminales de las bobinas de fase (58, 60, 62), proporcionando con ello a su salida una señal de detección de inductancia diferencial, estando cada uno de los circuitos en puente (42, 44, 46) conectado a un par de las bobinas de fase (58, 60, 62);
- amplificadores destinados a amplificar cada señal de detección de inductancia diferencial de cada circuito en puente (42, 44, 46);
- una sección de control de conmutación destinada a comparar entre sí un valor de la señal amplificada de detección de inductancia diferencial de cada uno de los pares de bobinas de fase (58, 60, 62), para determinar una posición inicial en la que se magnetizan las bobinas de fase (58, 60, 62), salvo para un par de bobinas de fase que tiene una señal máxima de detección de inductancia diferencial, y para determinar una conmutación comparando entre sí los valores de las señales de detección de inductancia diferencial en cada ángulo de giro predeterminado del rotor; y
- una sección de accionamiento destinada a proporcionar una corriente de accionamiento a cada una de las bobinas de fase (58, 60, 62) en respuesta a una señal de control de la sección de control de conmutación.
10. El aparato según la reivindicación 9, en el
que cada uno de los circuitos en puente comprende un primer
terminal de entrada que está conectado a un primer terminal de la
fuente de tensión de corriente alterna (10) y va con toma central,
un segundo terminal de entrada conectado a un segundo terminal de
la fuente de tensión de corriente alterna (10), primera y segunda
resistencias que están conectadas entre un primer terminal de cada
bobina de fase y el segundo terminal de entrada, y primer y segundo
terminales de salida que están previstos en primeros terminales de
un par de bobinas de fase (58, 60, 62) conectadas a la primera y
segunda resistencias, respectivamente.
11. El aparato según la reivindicación 4 y 9,
en el que el rotor tiene ocho polos magnéticos y cada una de las
bobinas de fase (58, 60, 62) incluye dos bobinas de modo que se
determine la conmutación cada cincuenta grados de los ángulos de
giro del rotor.
12. El aparato según la reivindicación 4 y 9,
en el que la señal de tensión de corriente alterna es una onda
cuadrada que tiene tensiones de 10, frecuencias de 100 kHz y 25% de
factor de marcha.
13. El aparato según la reivindicación 4 y 9,
en el que la señal de tensión de corriente alterna es una onda
sinusoidal que tiene tensiones de 10 y frecuencias de 50 kHz.
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