ES2318461T3 - Sistema de control para controlar la velocidad de un transportador de pasajeros. - Google Patents
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Abstract
Sistema de control para controlar la velocidad de un transportador de pasajeros, en el que el transportador de pasajeros incluye un medio de transporte de pasajeros y un motor eléctrico (5) para accionar el medio de transporte de pasajeros, en el que el motor eléctrico (5) cuenta con un rotor (R) y es controlado por el sistema de control, incluyendo el sistema de control: Un inversor de frecuencia (4) que recibe al menos una señal de control del inversor (u * a, u* b, u* c) y que suministra unas tensiones de motor (u a, u b, u c) al motor eléctrico (5); Un sensor de posición del rotor (h A, h B, h C) que detecta posiciones angulares del rotor predeterminadas y suministra señales de posición angular del rotor (zeta R,K) relacionadas con dichas posiciones angulares del rotor predeterminadas; Un observador de posición del rotor (7) que recibe las señales de posición angular del rotor (zetaR,K) y que incluye unos medios generadores de ángulos de rotor estimados diseñados para valores angulares del rotor estimados (^zeta) en base a las señales de posición angular del rotor (zetaR,K) recibidas, produciéndose los valores angulares del rotor estimados (^zeta) con una frecuencia que es más alta que la frecuencia de ocurrencia de las señales de posición angular del rotor recibidas (zeta R,K), y que genera un valor de velocidad del rotor estimado (^zeta) en respuesta a los valores angulares del rotor estimados (^zeta); Un generador de perfiles de velocidad (1) que suministra un valor de velocidad angular de referencia (w*) y un valor de aceleración angular de referencia (omega.*); Un controlador de velocidad adaptativo (2) que recibe el valor de velocidad angular de referencia w* y el valor de aceleración angular de referencia omega.* como valores de consigna y el valor de velocidad del rotor estimado (^omega) y los valores angulares del rotor estimados (^omega) como valores reales y que suministra valores de corriente de motor de referencia estimados en base a que se produce al menos una señal de control del inversor (u * a, u * b, u * c).
Description
Sistema de control para controlar la velocidad
de un transportador de pasajeros.
La invención se refiere a un sistema para
controlar la velocidad de un transportador de pasajeros que incluye
un medio de transporte de pasajeros accionado por un motor
eléctrico. El motor eléctrico puede ser un motor síncrono,
concretamente un motor síncrono de imanes permanentes (MSIP). El
transportador de pasajeros puede ser un ascensor, una escalera
mecánica o un andén móvil.
El enfoque tradicional para controlar un motor
de un transportador de pasajeros es utilizar un sensor de velocidad
en forma de resolver, un encoder de velocidad digital o un encoder
de velocidad del tipo seno/coseno analógico. El sensor se necesita
para detectar la velocidad del rotor y para detectar la posición
angular del rotor del motor eléctrico. Estos tipos de sensores, si
bien tienen una resolución satisfactoriamente alta, son caros y se
desea disponer de soluciones menos caras. El Documento JP09233898
describe un sistema de tracción de motor de ascensor con un encoder
incremental preciso y por tanto caro.
La invención resuelve ese problema
proporcionando un nuevo enfoque de control de velocidad utilizando
un observador de posición del rotor que permite reducir la
resolución de encoder de velocidad del encoder utilizado para
codificar la velocidad de rotor del motor eléctrico desde los
aproximadamente 1.000 pulsos convencionales a mucho menos de 100
pulsos disminuyendo la precisión del control.
El nuevo enfoque de control de velocidad de
acuerdo con la reivindicación 1 describe:
- \quad
- un sistema de control para controlar la velocidad de un transportador de pasajeros, incluyendo el transportador de pasajeros un medio de transporte de pasajeros y un motor eléctrico para accionar el medio de transporte de pasajeros, en el que el motor eléctrico tiene un rotor y es controlado por el sistema de control, incluyendo el sistema de control:
- \quad
- Un inversor de frecuencia que recibe al menos una señal de control de inversor y suministra tensiones de motor al motor eléctrico;
- \quad
- Un sensor de rotor que detecta posiciones angulares del rotor predeterminadas y suministra señales de las posiciones angulares del rotor relacionadas con posiciones angulares del rotor predeterminadas;
- \quad
- Un observador de posición del rotor que recibe señales de la posición angular del rotor, generando valores de posición angular del rotor estimadas en base a las señales de posición angular del rotor recibidas, produciéndose los valores angulares del rotor estimados con una frecuencia que es superior a la frecuencia de ocurrencia de las señales de posición angular del rotor recibidas, y que genera un valor de velocidad del rotor estimada en respuesta a los valores angulares del rotor estimados;
- \quad
- Un generador de perfiles de velocidad que proporciona un valor de referencia de velocidad angular y un valor de referencia de aceleración angular;
- \quad
- Un controlador de velocidad adaptativo que recibe el valor de referencia de velocidad angular y el valor de referencia de aceleración angular como valores de consigna y el valor de velocidad del rotor estimado y los valores angulares del rotor estimados como valores reales y que proporciona valores de referencia de la corriente del motor en base a los cuales se produce al menos una señal de control del inversor.
\vskip1.000000\baselineskip
El observador de posición del rotor puede
observar las señales de posición angular del rotor recibidas desde
el sensor del rotor y producir a partir de las señales de posición
angular del rotor observadas, valores angulares del rotor estimados
que se suceden entre las posiciones angulares del rotor
predeterminadas detectadas por el sensor del rotor. Mediante dicha
estimación, el observador de posición del rotor puede suministrar
valores de posición angular del rotor con una mayor frecuencia de
ocurrencia y con distancias temporales mucho más cortas que las de
las señales de posición angular del rotor enviadas por el sensor del
rotor. De esta manera es posible utilizar un sensor de rotor o
encoder con una resolución bastante baja y tener disponibles los
valores estimados para los ángulos del rotor con una resolución
bastante alta, resultando en un control del motor de una precisión
correspondiente. Esto permite el uso de un sensor de rotor o encoder
económico lo que da como resultado una reducción sustancial del
coste del sistema de control sin pérdida de precisión de control
del motor. Si se proporcionan al controlador de velocidad adaptativo
no los valores estimados del observador de posición del rotor sino
las posiciones angulares del rotor obtenidas del sensor de baja
resolución, los momentos discretos de control serían demasiado
infrecuentes, y el resultado del control del sistema de control
sería impreciso.
\newpage
En una forma de realización de la invención, el
sistema de control incluye un decodificador que comprende una
memoria que almacena una tabla de correspondencia para la
correlación de señales de posición angular del rotor con las señales
de salida del sensor del rotor respectivamente asociadas.
En una forma de realización de la invención, el
observador de posición del rotor está compuesto por un medio de
extrapolación diseñado para extrapolar un trayecto estimado de los
ángulos de posición del rotor desde cada una de las señales de
posición angular del rotor deducidas a partir de las señales del
sensor del rotor, y un medio de muestreo que muestrea los trayectos
extrapolados a una frecuencia de muestreo mayor que la frecuencia
de ocurrencia de las señales de posición angular del rotor
recibidas, siendo las muestras del trayecto extrapolado de las
señales de posición angular del rotor proporcionadas al controlador
de velocidad adaptativo como los valores angulares del rotor
reales.
En una forma de realización de la invención, el
medio de extrapolación está diseñado para desempeñar una
extrapolación cuadrática.
En una forma de realización de la invención, el
observador de posición del rotor incluye un medio de restricción de
ángulo que restringe el trayecto estimado de las posiciones
angulares del rotor a un rango angular entre un par de posiciones
angulares del rotor adyacentes predeterminadas.
En una forma de realización de la invención, el
observador de posición del rotor incluye un filtro que suaviza las
discontinuidades en el trayecto de las posiciones angulares del
rotor estimadas obtenidas por extrapolación.
En una forma de realización de la invención, el
controlador de velocidad adaptativo envía valores de corriente
mientras que la entrada del inversor de frecuencia requiere unos
valores de tensión en forma de señales de control del inversor. Por
lo tanto, se acopla un controlador de corriente del motor entre el
controlador de velocidad adaptativo y el inversor de frecuencia y
se acopla un circuito de sustracción entre el controlador de
velocidad adaptativo y el controlador de corriente del motor. El
controlador de velocidad adaptativo suministra valores de
referencia de corriente del motor a una primera entrada del circuito
de sustracción. El circuito de sustracción recibe valores de
corriente del motor medidas en una segunda entrada del mismo. El
circuito de sustracción envía al controlador de corriente del motor
valores de corriente que son una diferencia entre los valores de
referencia de corriente del motor y los valores de corriente del
motor medidos. El controlador de corriente del motor suministra
señales de control del inversor en forma de valores de tensión.
En una forma de realización de la invención, el
sistema de control controla un motor eléctrico de n fases
que es un motor eléctrico síncrono de 3 fases o trifásico en una
forma de realización práctica.
En una forma de realización de la invención, el
sistema de control incluye dos transformadores de coordenadas Park.
Cada transformador de coordenadas Park incluye una primera entrada,
una segunda entrada y una salida. El primer transformador de
coordenadas Park transforma componentes trifásicos en componentes de
coordenadas Park y el segundo transformador de coordenadas Park
transforma componentes de coordenadas Park en componentes
trifásicos. La primera entrada de cada uno de los dos
transformadores de coordenadas Park recibe los valores angulares
del rotor estimados del observador de posición del rotor. La segunda
entrada del primer transformador de coordenadas Park recibe valores
de corriente del motor trifásicos medidas. La segunda entrada del
segundo transformador de coordenadas Park recibe las señales de
control del inversor en el sistema de coordenadas Park. La salida
del primer transformador de coordenadas Park suministra valores de
corriente del motor estimados en el sistema de coordenadas Park al
controlador de corriente del motor. La salida del segundo
transformador de coordenadas Park suministra señales de control del
inversor trifásicas al inversor de frecuencia.
La finalidad del uso de la transformación de
coordenadas Park es una simplificación de los controladores y una
reducción del coste de los controladores. Sin el uso de los
transformadores de coordenadas Park, cada uno de los controladores
y los circuitos relacionados tendrían que tratar señales trifásicas
de CA, con una correspondiente complejidad de los controladores.
Con la transformación de coordenadas Park, las tres señales de CA
del sistema trifásico se reducen a dos señales de CC. De este modo
se pueden utilizar controladores menos complejos y más
económicos.
La transformación de coordenadas Park se
describe en el artículo "Two-Dimensional
Working-Optimization of a
Wound-Rotor-Synchronous Motor for EV
Drive-Train" de F. Harel et al.,
publicación del tercer Simposio Internacional en Sistemas de Moción
Avanzados, ELECTROMOTION '99, 8-9 Julio, 1999,
Patras, Grecia; y "A Novel Current Control Strategy for PWM
Inverters using the Sliding Mode Techniques" de Alexis B. Rey
et al. Respecto a los detalles de la transformación de
coordenadas Park, se hace referencia a los dos artículos
anteriormente mencionados.
En una forma de realización de la invención, el
controlador de velocidad adaptativo incluye un modelo que hace
referencia a un medio de control que suministra una estimación de la
demanda de par necesaria en base a los parámetros de la máquina,
del valor de velocidad angular de referencia del generador de
perfiles de velocidad y de los valores angulares del rotor
estimados recibidos del observador de posición del rotor. El
controlador de velocidad adaptativo incluye además un controlador PI
que suministra un valor de par de corrección en base al valor de
velocidad angular de referencia del generador de perfiles de
velocidad y del valor estimado de la velocidad del rotor del
observador de posición del rotor. El valor de par de corrección se
añade a la estimación de demanda de par necesaria. Una demanda de
par final resultante está interrelacionada con una constante de par
de la máquina del transportador de pasajeros para producir una
demanda de corriente que forma la señal de salida del controlador de
velocidad adaptativo.
El valor final de demanda de par se genera en
gran medida mediante un medio de control de referencia de modelo,
mientras que el valor de par de corrección que es aportado por el
controlador PI puede ser pequeño en comparación con la estimación
de demanda de par necesaria. Los parámetros de la máquina de
transporte de pasajeros son considerados por el medio de control de
referencia de modelo de manera que el controlador PI no tenga que
cargar con el procesamiento de los parámetros de la máquina. De esta
manera el trabajo a realizar por el controlador PI es mucho menor
que en el caso en el que el controlador PI tuviera que realizar todo
el trabajo para generar el valor final de demanda de par. Por
consiguiente, el controlador PI puede ser menos caro y los errores
de controlador causados por el controlador PI tienen menos efecto
que en el caso en el que el controlador PI tuviera que realizar todo
el trabajo de producción de la demanda final de par.
En una forma de realización de la invención, el
controlador de velocidad adaptativo incluye un controlador PI que
presenta una ganancia que es adaptativa a la velocidad del rotor
estimada. La ganancia adaptativa mejora la estabilidad del sistema
de control.
\vskip1.000000\baselineskip
A continuación, la invención se explica por
medio de formas de realización ejemplares de la invención en
referencia a los dibujos adjuntos, donde:
Fig. 1 es una vista general de una forma de
realización de la invención en forma de diagrama de bloques;
Fig. 2 muestra un diagrama de bloques de un
sensor y decodificador de rotor y de un observador de posición del
rotor, apto para la forma de realización de la invención mostrada en
la Fig. 1;
Fig. 3 muestra esquemáticamente un rotor de
motor y sensores de rotor dispuestos en posiciones de sensor
adyacentes al rotor;
Fig. 4 muestra una tabla que contiene estados y
transiciones de las señales del sensor y ángulos relacionados;
Fig. 5 muestra estimaciones de ángulo mediante
extrapolaciones cuadráticas entre señales de sensor detectadas;
Fig. 6 muestra restricciones de intervalos
angulares válidos para las extrapolaciones;
Fig. 7 muestra las extrapolaciones
restringidas;
Fig. 8 muestra las extrapolaciones restringidas
filtradas;
Fig. 9 muestra la generación de ángulos
estimados obtenidos mediante muestreo de las extrapolaciones
restringidas filtradas; y
Fig. 10 muestra la estructura de una forma de
realización de un controlador de velocidad adaptativo adecuado para
la forma de realización de la invención mostrada en la Fig. 1.
\vskip1.000000\baselineskip
La Figura 1 muestra en forma de diagrama de
bloques una forma de realización del sistema de control de la
invención para controlar un ascensor. El sistema de control de la
Fig. 1 incluye un generador de perfiles de velocidad 1, un
controlador de velocidad adaptativo 2, un controlador de corriente
del motor 3, un inversor de frecuencia 4, un motor eléctrico de CA
5 con un rotor R (Figs. 2 y 3), un sensor y decodificador de rotor
S, el mecanismo del ascensor 6, un observador de posición del rotor
7, un circuito de sustracción 9, un primer transformador de
coordenadas Park (dq/3) 11, y un segundo transformador de
coordenadas Park (dq/3) 13. Todos estos componentes están
interconectados como se muestra en la Figura 1.
Los transformadores de coordenadas Park 11 y 13
son transformadores de sistemas de coordenadas que transforman
componentes trifásicos en componentes Park (d, q) o viceversa. El
primer transformador de coordenadas Park 11 transforma componentes
trifásicos en componentes de coordenadas Park mientras que el
segundo transformador de coordenadas Park 13 transforma componentes
de coordenadas Park en componentes trifásicos. Los componentes
trifásicos son componentes de CA que tienen valores que cambian
permanentemente. Los componentes trifásicos se vuelven componentes
de CC en el sistema de coordenadas Park de manera que los
controladores tienen que procesar únicamente componentes de CC, lo
que resulta más fácil que controlar componentes de CA.
El motor 5 es un motor síncrono de imanes
permanentes (MSIP) trifásico que mueve el mecanismo del ascensor 6.
El mecanismo del ascensor 6 incluye una cabina de ascensor a elevar
a lo largo del hueco del ascensor. El motor 5 incluye un rotor R
provisto de imanes permanentes. El motor 5 es alimentado por el
inversor de frecuencia 4 que suministra tensiones trifásicas al
motor 5. Las posiciones angulares de rotor del rotor R son
detectadas por un sensor de rotor S. En una forma de realización
práctica de la invención, el sensor de rotor S incluye una
pluralidad de sensores de efecto Hall h_{A}, h_{B}, h_{C}
(Fig. 3) que se sitúan sobre una tarjeta de circuito impreso
flexible en el motor 5 en una posición o en unas posiciones en las
cuales los sensores de efecto Hall h_{A}, h_{B}, h_{C} pueden
detectar el campo magnético de los imanes permanentes del rotor R
cuando los imanes permanentes pasan por los respectivos sensores de
efecto Hall. Se conoce un ejemplo de dicho sensor de rotor a partir
del documento DE 197 37 702 A1 cuyo diseño se incorpora en la
presente memoria a modo de referencia. Sin embargo, la invención no
se restringe a ese tipo de sensor de rotor. Otros tipos de
realizaciones físicas, por ejemplo, encoders de baja resolución de
bajo coste, son también adecuadas siempre y cuando sean capaces de
detectar las posiciones angulares del rotor.
Los sensores de efecto Hall h_{A}, h_{B},
h_{C} (Fig. 3) suministran señales de sensor de efecto Hall
h_{1}, h_{2},..., h_{n} (h_{1} - h_{3} en una forma de
realización que tiene tres sensores de efecto Hall) que se producen
en el momento en el que uno de los imanes permanentes pasa por uno
de los sensores de efecto Hall. El número de señales de sensor de
efecto Hall h_{1}, h_{2},..., h_{n} obtenido a una velocidad
de motor concreta durante un intervalo de tiempo concreto depende
del número de imanes permanentes del rotor y del número de sensores
de efecto Hall. Se utilizan aproximadamente de 3 a 5 sensores de
efecto Hall en formas de realización prácticas utilizando un motor
eléctrico trifásico 5. De esta manera, la resolución de
codificación se limita a valores relativamente bajos. Las señales de
sensor de efecto Hall h_{1}, h_{2},..., h_{n} de baja
resolución son suministradas al observador de posición del rotor 7.
El observador de posición del rotor 7 "transforma" las señales
de sensor de efecto Hall h_{1}, h_{2},..., h_{n} de baja
resolución en una señal de alta resolución observando las
ocurrencias las señales de sensor h_{1}, h_{2},..., h_{n} y
produciendo valores provisionales y, sobre esta base, calculando
valores angulares del rotor estimados ^\theta y valores de
velocidad del rotor estimados ^\omega. Estos valores estimados son
como señales de salida de un sensor de rotor de alta resolución.
Puesto que la velocidad de un motor eléctrico que acciona una
escalera mecánica no cambia bruscamente, los valores estimados
pueden utilizarse como valores devueltos por un sensor de rotor de
alta resolución.
El generador de perfiles de velocidad 1
suministra un valor de velocidad angular de referencia w*, y un
valor de aceleración angular de referencia \omega.* al
controlador de velocidad adaptativo 2. El controlador de velocidad
adaptativo 2 recibe el valor de velocidad angular de referencia w* y
el valor de aceleración angular de referencia \omega.* del
generador de perfiles de velocidad 1 como valores de consigna y
recibe los valores angulares de rotor estimados ^\theta y los
valores de velocidad del rotor estimados ^\omega del observador
de posición del rotor 7 como valores reales. El controlador de
velocidad adaptativo 2 proporciona a su salida las señales
i^{*}_{d}, i^{*}_{q} de referencia de corriente de
motor estimadas presentadas como componentes de coordenadas Park.
El circuito de sustracción 9 tiene dos entradas y recibe las señales
de referencia de corriente de motor estimadas î_{d},î_{q} como
valores de consigna estimados en una primera entrada y los valores
î_{d},î_{q} de corriente de motor estimados como valores de
corriente de motor estimados (valores reales estimados) en una
segunda entrada. El circuito de sustracción 9 resta los valores de
corriente de motor estimados î_{d},î_{q} de las señales de
referencia de corriente de motor estimadas i^{*}_{d},
i^{*}_{q} y el resultado de la sustracción es suministrado
al controlador de corriente de motor 3. Se dispone el controlador de
corriente de motor 3 ya que la salida del controlador de velocidad
adaptativo 2 envía corrientes mientras la entrada del inversor de
frecuencia 4 requiere tensión. El controlador de corriente del motor
3 convierte los valores de corriente en valores de tensión. El
controlador de corriente del motor 3 recibe el resultado de dicha
resta como valores de consigna y los valores de velocidad del rotor
estimados ^\omega del observador de posición del rotor 7 como
valores reales y devuelve las señales de referencia de tensión de
motor u^{*}_{d}, u^{*}_{q} en forma de componentes de
coordenadas Park.
Las señales de referencia de tensión de motor
u^{*}_{d}, u^{*}_{q} del controlador de corriente de
motor 3 son suministradas al inversor de frecuencia 4 siendo
posteriormente transformadas por el segundo transformador de
coordenadas Park 13 de los componentes de coordenadas Park a los
componentes trifásicos u^{*}_{a}, u^{*}_{b},
u^{*}_{c}.
Los componentes trifásicos u^{*}_{a},
u^{*}_{b}, u^{*}_{c} son suministrados al inversor de
frecuencia 4 para suministrar las tensiones de motor trifásicas
u_{a}, u_{b}, u_{c} al motor 5.
Cada uno de los transformadores de coordenadas
Park 11 y 13 tiene una primera entrada donde recibe el valor a ser
transformado, una segunda entrada donde recibe una señal relacionada
con la velocidad angular de la señal de CA, y una salida donde envía
los valores transformados.
El primer transformador de coordenadas Park 11
recibe en su primera entrada los valores medidos de corriente de
motor trifásicos i_{a}, i_{b}, i_{c} y en su segunda
entrada los valores angulares de rotor estimados ^\theta,
transforma los valores medidos de corriente de motor trifásicos
i_{a}, i_{b}, i_{c} al sistema de coordenadas Park y
devuelve los valores estimados de corriente de motor î_{d},î_{q}
al circuito de sustracción 9 de manera que el circuito de
sustracción 9 pueda recibir los valores de coordenadas Park en ambas
entradas.
El inversor de frecuencia 4 necesita a su
entrada señales trifásicas, y por esa razón, las señales de
referencia de tensión de motor u^{*}_{d}, u^{*}_{q}
suministradas por el controlador de corriente de motor 3 son
transformadas por el segundo transformador de coordenadas Park 13 en
las señales de referencia de tensión trifásicas u^{*}_{a},
u^{*}_{b}, u^{*}_{c}. Para tal fin, el segundo
transformador de coordenadas Park 13 recibe en su primera entrada
los valores de referencia de tensión de motor u^{*}_{d},
u^{*}_{q} y en su segunda entrada los valores angulares de
rotor estimados ^\theta, y suministra los componentes trifásicos
de CA u^{*}_{a}, u^{*}_{b}, u^{*}_{c} al inversor
de frecuencia 4 que suministra al motor 5 las correspondientes
tensiones de motor trifásicas u_{a}, u_{b}, u_{c}.
Con respecto a la función básica de un
transformador de coordenadas Park, explicada en referencia al
transformador de coordenadas Park 11, puesto que la suma de las
tres corrientes i_{a}, i_{b}, i_{c} es cero, es
posible representar estas tres corrientes i_{a}, i_{b},
i_{c} mediante dos vectores de corriente perpendiculares
entre sí que, sin embargo, siguen siendo componentes de CA. En la
transformación Park, los dos vectores de corriente perpendiculares
son girados con la frecuencia de las corrientes de CA dando como
resultado componentes de CC.
La rotación de los vectores de corriente se basa
en los valores angulares del rotor estimados ^\theta que son
correlacionados con la frecuencia de las corrientes del motor
i_{a}, i_{b}, i_{c} y que son suministrados a cada uno
de los dos transformadores de coordenadas Park 11 y 13.
Una forma de realización del sensor de rotor y
decodificador S y del observador de posición del rotor 7 se muestra
con mayor detalle y en forma de diagrama de bloques en la Fig.2.
El sensor de rotor cuenta con una serie de
dispositivos de efecto Hall h_{n} que proporcionan un patrón
cambiante de las señales del sensor durante la rotación del rotor
5R. El patrón real de las señales del sensor es una combinación de
estados del sensor y de transiciones del sensor suministrados a una
tabla de correspondencia LT (Fig. 2) que se obtiene mediante
calibrado en fábrica y define para cada combinación de estados y
transiciones del sensor un área angular concreta y una posición de
rotor concreta, respectivamente.
En la Fig. 3 se muestra esquemáticamente una
forma de realización que incluye n_{h}=3 dispositivos de efecto
Hall h_{A}, h_{B}, h_{C}. Los tres dispositivos de efecto Hall
h_{A}, h_{B}, h_{C} están distribuidos uniformemente dentro
de un sector angular eléctrico de 120º de la vuelta angular de 360º
del rotor R del motor 5. En la forma de realización ilustrada, el
rotor R incluye un imán permanente que cuenta con una sección de
polo norte N y una sección de polo sur S. Como es habitual en el
campo de los motores eléctricos, el punto de referencia se da por
hecho que es la flecha vectorial V del polo sur S. Siempre que una
frontera B entre las dos secciones polares N y S pasa por uno de
dichos dispositivos de efecto Hall h_{A}, h_{B}, h_{C}, este
dispositivo de efecto Hall experimenta un estado de transición.
La tabla de la Fig. 4 muestra para la forma de
realización de la Fig. 3 las posibles combinaciones de estados del
sensor ("0" ó "1") y de transiciones del sensor
(\uparrow o \downarrow) así como las áreas angulares entre
corchetes asociadas a los respectivos estados de sensor y los
ángulos de rotor discretos en las posiciones de rotor que resultan
en transiciones del sensor. Por definición, la posición de rotor
\theta_{R}(t) es la posición angular del vector de polo
sur S del polo sur S del imán del rotor.
Cuando para un tiempo dado t_{k} un sensor
conmuta su estado (siendo "k" un contador para los sucesos de
transiciones de estado), la posición de rotor discreta
\theta_{R,k} = \theta_{R}(t=t_{k}) es tomada de la
tabla de la Fig. 4. Esto se parece a un muestreo natural de
\theta_{R}(t). En la forma de realización de las Figuras
3 y 4, hay una resolución de pasos angulares de 60º.
Puesto que una resolución como tal no es
satisfactoria, se generan valores angulares de rotor estimados
^\theta por medio del observador de posición del rotor 7 que
lleva a cabo unas etapas de procesamiento que serán explicadas en
referencia a las Figuras 5 a 9 y que son indicados en la Fig. 2 como
extrapolación E, restricción R de los intervalos angulares válidos,
filtro F y muestreo y retención SH. Dichas etapas de procesamiento
pueden ser llevadas a cabo mediante componentes hardware o mediante
control software de un procesador. A la salida del observador, se
encuentran disponibles los valores angulares del rotor estimados
^\theta que presentan una mejor resolución angular y los valores
de velocidad del rotor estimados ^\omega.
En referencia a las figuras 2 y 5 a 9, las
etapas de procesamiento del observador de posición del rotor 7 son a
continuación descritas en más detalle.
A partir del tiempo y ángulo en este instante
(t_{k}, \theta_{R,k}) y de los dos valores anteriores
(t_{k-1,}
\theta_{R,k-1}) y
(t_{k-2},
\theta_{R,k-2}) la primera derivada
\sim\omega_{R,k} y la segunda derivada \sim\omega._{R,k}
del ángulo del rotor son estimadas mediante derivación discreta:
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
En la Fig. 5 en relación a la etapa de
procesamiento de la extrapolación E, se muestran los movimientos
angulares continuos \theta_{R}(t) del rotor R, las
posiciones del rotor discretas (\theta_{R,K}) suministradas por
la tabla de correspondencia LT y las posiciones del rotor estimadas
\sim\theta_{R}(t) obtenidas por extrapolación.
En la Fig. 5 \theta_{R}(t) es
aproximada por \sim\theta_{R}(t) mediante extrapolación
cuadrática utilizando \sim\omega_{R,k} y
\sim\omega._{R,k}:
En cada evento de transición
(t=t_{k}), \sim\theta_{R}(t) es reseteado a
\theta_{R,K} x \theta_{R}(t) como se muestra a modo
de ejemplo para cualquier trayecto arbitrario de
\theta_{R}(t). Puesto que en el arranque no hay
disponibles muestras anteriores, entonces las derivadas son
seleccionadas como \sim\omega_{R,0} = 0 y
\sim\omega_{R,0} = \sim\omega_{R,1} = 0, dando así
para el arranque, donde
\theta_{R,0} es seleccionada deliberadamente para ser el centro
del intervalo angular indicado por los estados de sensor. El
\theta_{R,0} para cada patrón de estado se muestra en la quinta
columna de la tabla de la Fig.
4.
En referencia a la restricción de intervalos
angulares válidos en la etapa de procesamiento R en la Fig. 2,
siempre y cuando no se de una conmutación de estados del sensor, la
tabla de la Fig. 4 proporciona un intervalo angular
\Delta_{k}(\theta_{R}) de anchura \pi/n_{H} para
el que el ángulo estimado \sim\theta_{R}(t) está
restringido (Fig. 6) \sim\theta_{R}(t) es recortado si
supera los límites de \Delta_{k}(\theta_{R}),
asegurando así
La Fig. 6 muestra los límites de restricción y
la Fig. 7 muestra la curva consecuentemente restringida de
\sim\theta_{R}(t).
Los valores de corriente i_{d},i_{q}
en su marco de coordenadas Park-Bondel
(transformadores de coordenadas Park 11 y 13) dependen mucho de
\sim\theta_{R}(t). Así, si
\sim\theta_{R}(t) cambia bruscamente en t_{k},
también lo harían i_{d},i_{q}. Esta discontinuidad podría
causar problemas de estabilidad para el control de corriente y
debería prevenirse mediante la utilización de un filtro (F en la
Fig. 2).
La Fig. 8 muestra la curva de
\sim\theta_{R}(t) después de aplicar un filtro
adaptativo de velocidad de primer orden con función de
transferencia
En referencia ahora a la Figura 9, el ángulo
estimado filtrado \sim\theta_{R}(t) es muestreado y
retenido por medio de un circuito de muestreo y retención SH a cada
instante de tiempo T, 2T, 3T,... lo que resulta en muestras
angulares estimadas \theta_{R,SH.} La salida ya no está
restringida a los ángulos discretos 2n_{H} proporcionados por el
número y las posiciones de los sensores h_{1}, h_{2}, h_{3}
de acuerdo con la tabla de la Fig. 4 en cada evento de transición en
un instante t_{k}. En su lugar, el observador 7 puede producir
valores para \sim\theta_{R}(t) en instantes de tiempo
arbitrarios.
En una forma de realización de la invención, el
controlador 2 y el observador 7 son implementados en el mismo
microcontrolador, de manera que se garantiza la sincronización del
controlador 2 con el observador 7.
La inmediata evaluación de la nueva información
angular debida a una transición de sensor puede obtenerse dentro de
una rutina de servicio de interrupción activada del
microcontrolador.
El motor 5 envía un par T_{E} que debe ser
igual al par T_{carga} que el mecanismo del ascensor 6 necesita
para ser accionado con el perfil de velocidad deseado y de acuerdo
con la carga a transportar por el ascensor.
La Figura 10 muestra una forma de realización de
un controlador de velocidad adaptativo 2 que proporciona valores de
referencia de corriente del motor i^{*}_{d},
i^{*}_{q} que provocan las tensiones de motor trifásicas
u_{a}, u_{b}, u_{c} a la salida del inversor de
frecuencia 4 que, a su vez, dan como resultado un par motor T_{E}
igual al par de carga T_{Carga} 35 que necesita el mecanismo del
ascensor 6.
El controlador de velocidad adaptativo 2 es un
controlador de dos capas que incluye un medio de control de
referencia de modelo 8 como primera fase y un controlador PI 15 como
segunda fase operando paralelamente al medio de control de
referencia de modelo 8.
El medio de control de referencia de modelo 8
tiene dos entradas donde recibe el valor de aceleración angular de
referencia \omega* y el valor angular del rotor estimado
\sim\theta, respectivamente, y proporciona en su salida una
estimación de demanda de par necesaria T^{*}_{E} de
acuerdo con un algoritmo indicado en el bloque 8 de la figura 2.
El controlador PI 15 tiene dos entradas donde
recibe el valor de velocidad angular de referencia \omega* y el
valor de velocidad del rotor estimado ^\omega, respectivamente, y
suministra a su salida un valor de par de corrección
\DeltaT^{*}_{E} de acuerdo con un algoritmo indicado en
el bloque a trazos 15 de la figura 2. El valor de par de corrección
\DeltaT^{*}_{E} es mayor que cero durante la
aceleración o variación de carga del ascensor. El valor de la
estimación de demanda de par necesaria T_{E}^{*} y el valor de
par de corrección \DeltaT^{*}_{E} son sumados mediante
un circuito de adición 17 que proporciona a su salida un comando de
par final T^{**}_{E}. El comando de par final
T^{**}_{E} está ligado a una constante de par de máquina
K_{T}, como se muestra en 18 en la Fig. 10, que da como resultado
un comando de corriente de cuadratura i^{*}_{q}. La
señal de salida del controlador de velocidad adaptativo 2 de la
figura 2 es un vector de comando de corriente i^{*}_{d},
i^{*}_{q} que es enviado al circuito de sustracción 9.
En caso de utilizar un motor síncrono de imanes
permanentes 5, i^{*}_{d} es cero ya que no hay ninguna
excitación de corriente externa que provoque un flujo magnético. La
componente i^{*}_{d} del vector de comando de corriente
i^{*}_{d}, i^{*}_{q} debe considerarse en el
controlador de velocidad adaptativo 2 incluso si
i^{*}_{d} es cero ya que ambos componentes
i^{*}_{d} e i^{*}_{q} son necesarios para la
transformación de coordenadas Park.
El medio de control de referencia de modelo 8
del controlador de velocidad adaptativo 2 en la figura 2 produce
una estimación de demanda de par necesaria T_{E}^{*} en
consideración a parámetros de la máquina tales como la inercia J
del motor 5, el número de polos Z_{P} del motor 5, un parámetro
dependiente de la velocidad T_{W} (por ejemplo, la fricción), y
un parámetro T_{Q} que es dependiente de la posición concreta de
la cabina del ascensor. El parámetro de inercia J se correlaciona
con la aceleración angular de referencia \omega* y el parámetro
dependiente de la posición de la cabina T_{Q} se correlaciona con
el valor angular del rotor estimado ^\theta. El controlador PI 15
incluye una unidad de integración 16 y una unidad de ganancia 9. La
ganancia K_{R} de la unidad de ganancia 9 es adaptativa a
la estimación de velocidad rotacional como se indica en el bloque 9
del controlador PI 15. A bajas velocidades, pasa un tiempo
considerable entre las transiciones de estado del sensor. Desde el
punto de vista del controlador de velocidad, esto significa un
tiempo muerto dependiente de la velocidad 7 en la
retroalimentación de la velocidad. Dicho retraso podría disminuir la
estabilidad del sistema a través de la disminución de su reserva de
fase. Como norma, en la teoría de control (teorema de Nyquist), la
ganancia de control tiene que ser reducida a medida que la reserva
de fase desciende. Por consiguiente, a medida que ^\omega
desciende, K_{R} se reduce. Para 8 pueden
ignorarse los efectos del retardo y puede desconectarse la
adopción.
El medio de control de referencia de modelo 8
del controlador de velocidad adaptativo 2 calcula una predicción de
demanda de par T_{E}^{*} en base a parámetros de máquina
conocidos, mientras el controlador PI 15 no tiene que cargar con el
procesamiento de los parámetros de máquina. Además, el valor de par
de corrección \DeltaT^{*}_{E} a generar por el
controlador PI 15 necesita ser pequeño sólo para que el controlador
PI 15 pueda ser rápido y/o pueda tener un diseño de bajo coste.
En una forma de realización de la invención, el
controlador de velocidad adaptativo 2 y el observador de posición
del rotor 7 son implementados mediante un microcontrolador que tiene
unas áreas concretas, una de las cuales está programada mediante
software para comportarse como el controlador de velocidad 2 y otra
está programada mediante software para comportarse como el
observador de posición del rotor 7. La presente invención
proporciona un sistema de control de bajo coste puesto que la
disposición del observador de posición del rotor 7 permite la
utilización de una baja resolución y por consiguiente de un encoder
de velocidad del rotor de bajo coste.
\vskip1.000000\baselineskip
Esta lista de referencias citadas por el
solicitante es solamente para conveniencia del lector. La misma no
forma parte del documento de patente europea. A pesar de que se ha
tenido mucho cuidado durante la recopilación de las referencias, no
deben excluirse errores u omisiones y a este respecto la OEP se
exime de toda responsabilidad.
- \bullet JP 09233898 B
- \bullet DE 19737702 A1
\vskip1.000000\baselineskip
\bullet F. HAREL.
Two-Dimensional Working-Optimization
of a Wound-Rotor-Synchronous Motor
for EV Drive-Train. publication of the third
Internacional Symposium On Advanced Motion Systems,
ELECTROMOTION, 08 July 1999, vol. 99
Claims (19)
1. Sistema de control para controlar la
velocidad de un transportador de pasajeros, en el que el
transportador de pasajeros incluye un medio de transporte de
pasajeros y un motor eléctrico (5) para accionar el medio de
transporte de pasajeros, en el que el motor eléctrico (5) cuenta con
un rotor (R) y es controlado por el sistema de control, incluyendo
el sistema de control:
- \quad
- Un inversor de frecuencia (4) que recibe al menos una señal de control del inversor (u^{*}_{a}, u^{*}_{b}, u^{*}_{c}) y que suministra unas tensiones de motor (u_{a}, u_{b}, u_{c}) al motor eléctrico (5);
- \quad
- Un sensor de posición del rotor (h_{A}, h_{B}, h_{C}) que detecta posiciones angulares del rotor predeterminadas y suministra señales de posición angular del rotor (\theta_{R,K}) relacionadas con dichas posiciones angulares del rotor predeterminadas;
- \quad
- Un observador de posición del rotor (7) que recibe las señales de posición angular del rotor (\theta_{R,K}) y que incluye unos medios generadores de ángulos de rotor estimados diseñados para valores angulares del rotor estimados (^\theta) en base a las señales de posición angular del rotor (\theta_{R,K}) recibidas, produciéndose los valores angulares del rotor estimados (^\theta) con una frecuencia que es más alta que la frecuencia de ocurrencia de las señales de posición angular del rotor recibidas (\theta_{R,K}), y que genera un valor de velocidad del rotor estimado (^\omega) en respuesta a los valores angulares del rotor estimados (^\theta);
- \quad
- Un generador de perfiles de velocidad (1) que suministra un valor de velocidad angular de referencia (w*) y un valor de aceleración angular de referencia (\omega.*);
- \quad
- Un controlador de velocidad adaptativo (2) que recibe el valor de velocidad angular de referencia w* y el valor de aceleración angular de referencia \omega.* como valores de consigna y el valor de velocidad del rotor estimado (^\omega) y los valores angulares del rotor estimados (^\theta) como valores reales y que suministra valores de corriente de motor de referencia estimados en base a que se produce al menos una señal de control del inversor (u^{*}_{a}, u^{*}_{b}, u^{*}_{c}).
2. Sistema de control según la reivindicación 1,
que incluye un decodificador que decodifica señales de salida del
sensor del rotor (h_{1}, h_{2}, h_{3}) en señales de posición
angular del rotor (\theta_{R,K}).
3. Sistema de control según la reivindicación 2,
en el que el decodificador incluye una tabla de correspondencia de
almacenamiento de memoria (LT) que correlaciona las señales de
posición angular del rotor (\theta_{R,K}) con las señales de
salida del sensor de rotor (h_{1}, h_{2}, h_{3})
respectivamente asociadas.
4. Sistema de control según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 3, en el que el observador de posición de rotor
(7) incluye:
- \quad
- Un medio de extrapolación (E) diseñado para extrapolar un trayecto estimado de ángulos de posición del rotor
- \quad
- Desde cada una de las señales de posición angular del rotor (\theta_{R,K}) deducidas a partir de las señales de sensor del rotor; y
- \quad
- Un medio de muestreo (SH) que muestrea el trayecto extrapolado de los ángulos de posición del rotor \sim\theta_{R}(t) a una frecuencia de muestreo que es más alta que la frecuencia de ocurrencia de las señales de posición angular del rotor recibidas (\theta_{R,K}), siendo las muestras (\theta_{R,SH}) del trayecto extrapolado \sim\theta_{R}(t) de las señales de posición angular del rotor suministradas al controlador de velocidad adaptativo (2) como valores angulares de rotor reales (^\theta).
5. Sistema de control según la reivindicación 4,
en el que el medio de extrapolación (E) está diseñado para llevar a
cabo una extrapolación cuadrática.
6. Sistema de control según la reivindicación 5,
en el que el medio de extrapolación (E) está diseñado para generar a
partir de los valores reales de tiempo (t) y del ángulo del rotor
(\theta_{R,K}) y a partir de los dos valores anteriores del
tiempo (t_{k-1})y del ángulo del rotor
(\theta_{R,k-1}), la primera derivada
(t_{k-1,}
\theta_{R,k-1}) y la segunda derivada
(t_{k-2},
\theta_{R,k-2}) del ángulo del rotor mediante
derivación discreta:
y para generar un trayecto estimado
\sim\theta_{R}(t) de las posiciones angulares del rotor
mediante extrapolación cuadrática como
sigue:
\vskip1.000000\baselineskip
7. Sistema de control según cualquiera de las
reivindicaciones 4 a 6, en el que el observador de posición del
rotor (7) incluye un medio de restricción de ángulo (R) que
restringe el trayecto estimado \sim\theta_{R}(t) de las
posiciones angulares del rotor para estar dentro de un rango angular
\Delta_{k}(\theta_{R}) entre un par de posiciones
angulares del rotor predeterminadas adyacentes.
8. Sistema de control según cualquiera de las
reivindicaciones 4 a 7, en el que el observador de posición de rotor
(7) incluye un filtro (F) diseñado para suavizar las
discontinuidades en el trayecto \sim\theta_{R}(t) de
las posiciones angulares del rotor estimadas por extrapolación.
9. Sistema de control según la reivindicación 8,
en el que el filtro (F) es un filtro adaptativo de velocidad de
primer orden.
10. Sistema de control según la reivindicación
9, en el que el filtro (F) tiene la siguiente función de
transferencia:
\vskip1.000000\baselineskip
11. Sistema de control de cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 10, en el que un controlador de corriente de
motor (3) está acoplado entre el controlador de velocidad adaptativo
(2) y el inversor de frecuencia (4) y un circuito de sustracción (9)
está acoplado entre el controlador de velocidad adaptativo (2) y el
controlador de corriente del motor (3), suministrando el controlador
de velocidad adaptativo (2) unos valores de referencia de corriente
de motor (i^{*}_{d}, i^{*}_{q}) a una primera entrada
(+) del circuito de sustracción (9), recibiendo el circuito de
sustracción (9) valores de corriente del motor medidas.
en una segunda entrada (-) del
mismo, enviando el circuito de sustracción (9) al controlador de
corriente del motor (3) una diferencia entre el valor de corriente
del motor de referencia (i^{*}_{d}, i^{*}_{q})y los
valores de corriente de motor
medidos
\vskip1.000000\baselineskip
suministrando el controlador de
corriente del motor (3) la señal de control del inversor
(u^{*}_{a}, u^{*}_{b},
u^{*}_{c}).
12. Sistema de control según la reivindicación
11, para controlar un motor eléctrico de n fases (5), incluyendo el
sistema de control un primer transformador de coordenadas Park (11)
y un segundo transformador de coordenadas Park (13), incluyendo cada
transformador de coordenadas Park una primera entrada, una segunda
entrada y una salida, transformando el primer transformador de
coordenadas Park (11) componentes de n fases a coordenadas Park y
transformando el segundo transformador de coordenadas Park (13)
componentes de coordenadas Park en componentes de n fases,
recibiendo la primera entrada del primer transformador de
coordenadas Park (11) y la primera entrada del segundo transformador
de coordenadas Park (13) los valores angulares del rotor estimados
(^\theta) del observador del rotor (7), recibiendo la segunda
entrada del primer transformador de coordenadas Park (11) unos
valores de corriente del motor de n fases medidos (i_{a}, i_{b},
i_{c}) y recibiendo la segunda entrada del segundo transformador
de coordenadas Park secundario (13) señales de control del inversor
(u_{d}*, u_{q}*) en el sistema de coordenadas Park,
suministrando la salida del primer transformador de coordenadas Park
(11) unos valores de corriente de motor estimados
en el sistema de coordenadas Park
al controlador de corriente del motor (3), y suministrando la salida
del segundo transformador de coordenadas Park (13) unas señales de
control del inversor de n fases (u^{*}_{a}, u^{*}_{b},
u^{*}_{c}) al inversor de frecuencia
(4).
13. Sistema de control según la reivindicación
12, en el que el controlador de velocidad adaptativo (2)
incluye:
- \quad
- un medio de control de referencia de modelo (8) que suministra una demanda de par necesaria estimada (T_{E}*) en base a parámetros de máquina, al valor de velocidad angular de referencia (\omega*) del generador de perfiles de velocidad (1) y a los valores angulares del rotor estimados (^\theta) recibidos desde el observador de posición del rotor (7);
- \quad
- y un controlador PI (15) que suministra un valor de par de corrección (\DeltaT_{E}*) en base al valor de velocidad angular de referencia (\omega*) del generador de perfil de velocidad (1) y el valor de velocidad del rotor estimado (^\omega) desde el observador de posición del rotor (7), siendo el valor de par de corrección (\DeltaT_{E}*) añadido a la estimación de la demanda de par necesaria (T_{E}*), estando una demanda de par final resultante (T_{E}**) interrelacionada con una constante de par de máquina (K_{T}) del transportador de pasajeros para producir una demanda de corriente que forma la señal de salida (i^{*}_{d}, i^{*}_{q}) del controlador de velocidad adaptativo (2).
14. Sistema de control según la reivindicación
12 ó 13, en el que el controlador de velocidad adaptativo (2)
incluye un controlador PI (15) que presenta una ganancia que es
adaptativa al valor de velocidad del rotor estimado (^\omega) del
observador de posición del rotor (7).
15. Sistema de control según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 14 diseñado para controlar un motor síncrono
trifásico (5).
16. Sistema de control según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 15 diseñado para controlar un motor síncrono de
imanes permanentes (5).
17. Sistema de control según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 16 diseñado para controlar un ascensor.
18. Sistema de control según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 16 diseñado para controlar una escalera
mecánica.
19. Sistema de control según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 16 diseñado para controlar un andén móvil.
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