ES2325793T3

ES2325793T3 - Procedimiento para la medicion de una corriente de un motor.

Info

Publication number: ES2325793T3
Application number: ES06829914T
Authority: ES
Inventors: Uwe Krause; Heinz Ludwig; Uwe Nolte; Guido Sonntag
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2005-10-18
Filing date: 2006-10-17
Publication date: 2009-09-17
Anticipated expiration: 2026-10-17
Also published as: EP1949114B1; ATE432476T1; WO2007045645A2; US7791302B2; EP1949114A2; DE502006003846D1; WO2007045645A3; DE102006047707A1; US20090009121A1

Abstract

Procedimiento para la medición de una corriente ( I_MOT) que fluye a través de un motor (1), en el que una parte de conmutación de la potencia (2) que suministra energía eléctrica al motor (1) es controlada por medio de una unidad de control (4) a través de una señal de modulación de la anchura del impulso (10), que presenta un ciclo de conmutación (15) con una sección de impulso con una anchura del impulso (16) y una sección de impulso con una anchura de pausa (17), en el que para la determinación de la corriente del motor ( I_MOT) por cada ciclo de conmutación (15) se explora exactamente un valor de medición que representa la corriente del motor ( I_MOT), cuyo instante de exploración (A1, A2) es determinado a través de una señal de disparo (11) de la unidad de control (4), caracterizado porque la señal de disparo (11) de la unidad de control es variable de tal forma que para la compensación de errores de tiempo de propagación se coloca el instante de la exploración (A1, A2) de una manera específica del usuario, libremente seleccionable, en el centro temporal de una de las dos secciones del ciclo (16, 17), con preferencia en la más larga, y porque para la determinación de la dirección del motor (I_MOT) se tiene en cuenta la dirección de activación de la parte de conmutación de la potencia (2), siendo convertido el valor calculado de la corriente del motor (I_MOT) a través de multiplicación por +1 o bien -1, en función de la dirección de activación respectiva de la parte de conmutación de la potencia (2) y la exploración del valor analógico en la media temporal de la sección seleccionada del ciclo, directamente en el valor medio provisto con signo de la corriente del motor ( I_MOT).

Description

Procedimiento para la medición de una corriente de un motor.

La invención se refiere a un procedimiento para la medición de una corriente que fluye a través de un motor, en el que una parte de conmutación de potencia que alimenta el motor con energía eléctrica es controlada por medio de una unidad de control a través de una señal de modulación de la anchura del impulso, la señal de modulación de la anchura del impulso presenta un ciclo de conmutación, y se determina la corriente del motor.

Una medición con preferencia provista con signo de la corriente del motor en el caso de una aplicación sincronizada, es decir, por ejemplo, una aplicación en la que el motor es accionado en un puente-H, requiere un gasto de circuito alto, puesto que ambas conexiones del motor sin sincronizadas de forma constante, es decir, que son alimentadas con corriente del tipo de impulsos, y de esta manera se desplaza un potencial frente a una electrónica de evaluación.

Un puente-H es, en general, un circuito electrónico, que está constituido por cuatro conmutadores, con preferencia está constituido por medio de transistores o bien semiconductores de potencia. El puente-H convierte una tensión continua en una tensión alterna de frecuencia variable y de anchura variable del impulso. Tal circuito se utiliza sobre todo para la activación de motores de corriente continua y para la selección del sentido de giro. Pero un puente-H puede servir también para la alimentación de un transformador formado por redes de tensión continua. Por lo demás, un puente-H encuentra aplicación, por ejemplo, en fuentes de alimentación modernas de modo conmu-
tado.

En virtud de la sincronización, la corriente del motor está provista con una porción alterna, cuya altura depende de una tensión de conexión, de una relación de exploración o bien de una relación de impulso y de pausa de una señal de modulación de la anchura del impulso y de una inductividad efectiva del motor. Por lo tanto, la medición de un valor momentáneo aleatorio de la corriente del motor está provista siempre con una inseguridad de la porción alterna. De acuerdo con el estado de la técnica, para la evitación de un error de medición, provocado por ejemplo por las llamadas fluctuaciones de la corriente, se registran varios valores de medición y se calculan a través de la formación de un valor medio, por ejemplo a través de un paso bajo con una frecuencia angular, que corresponde a una fracción de la frecuencia de sincronización. El valor de medición calculado de esta manera está disponible entonces solamente con una demora de tiempo correspondiente.

El cometido de la invención es indicar un procedimiento para la medición de una corriente de motor, que es de coste más favorable y que calcula la corriente del motor más rápidamente que en el estado de la técnica.

Este cometido se soluciona a través de las características de la reivindicación 1.

En un desarrollo ventajoso de la invención, se explora el valor de medición en una línea de alimentación hacia parte de conmutación de la potencia o en una línea de alimentación hacia el motor. No es necesario tener en cuenta un desplazamiento del potencial que repercute de manera desfavorable sobre el resultado de la medición entre una electrónica de evaluación y las líneas de alimentación.

De acuerdo con otra forma de configuración, se explora como valor de medición representativo una variable proporcionar a la corriente del motor. Puesto que la corriente del motor se puede representar también por diferentes variables proporcionales a la corriente del motor, es ventajoso que la corriente del motor no sea medida directamente, sino que sea determinada por medio de un procedimiento indirecto. Frente a una medición directa de la corriente del motor, especialmente con corrientes muy altas, a través de la determinación de una variable proporcional, se puede mantener reducida la estructura del circuito y el gasto técnico de medición.

En una forma de configuración ventajosa, se forma la variable proporcional a la corriente del motor por medio de una caída de la tensión en una resistencia de medición de la corriente. Por ejemplo a través de la introducción de una resistencia de medición de baja impedancia en una línea de alimentación de la parte de conmutación de la potencia, se prepara a través de una medición de la tensión en una llamada derivación un método de medición sencillo y de coste favorable.

En este caso es conveniente que la caída de la tensión dentro de una malla de tensión influya sobre una tensión de entrada de un convertidor AD de tal manera que a través de una desviación de la tensión de entrada con respecto a una tensión de referencia, se determina la corriente del motor. A través de esta medición indirecta de la corriente por medio de la derivación se puede realizar una medición de la corriente escasa de potencia.

En una forma de realización preferida, se determina un instante de la exploración a través de una señal de disparo de la unidad de control. Por medio de la señal de disparo se consigue una sincronización de la exploración por medio del convertidor AD y se puede prescindir del tiempo para la formación del valor medio. A través de la señal de disparo adicional, que se determina a partir de la señal de modulación de la anchura del impulso de un modulador de la anchura del impulso, se puede determinar el instante de la exploración de una manera fiable y reproducible.

Para que el instante de la exploración corresponda lo más exactamente posible al instante, en el que el valor explorado reproduce el valor medio de la corriente del motor con una desviación mínima, la señal de disparo es variable de tal forma que el instante se puede desplazar en el tiempo para la compensación de errores del tiempo de propagación.

Puesto que un ciclo de conmutación presenta una sección de impulso con una anchura del impulso y una sección de pausa con una anchura de la pausa, se coloca el instante de la exploración en el centro temporal de una de las dos secciones del ciclo. En este caso, se tiene en cuenta que la fluctuación de la corriente se encuentra siempre simétricamente al valor medio de la corriente y tiene en una primera aproximación un desarrollo lineal. La corriente continuamente ascendente corta el valor medio con preferencia exactamente en el centro de un ciclo de alimentación de corriente. Por lo tanto, si el valor momentáneo de la corriente es detectado en el centro de un ciclo de alimentación de la corriente, entonces este valor corresponde al valor medio de la corriente a detectar y se puede prescindir adicionalmente de eventuales tiempos de establecimiento durante la medición.

Se consigue un incremento adicional de la exactitud de la medición porque el instante de la exploración se coloca en el centro temporal de la sección más larga del ciclo. Para la elevación de la exactitud de la medición se utiliza con preferencia la media temporal de una fase más larga respectiva de alimentación de la corriente para la exploración. Durante la exploración en la fase de alimentación más larga, repercuten menos los picos de la corriente de conmutación en virtud de una tasa más reducida de subida de la corriente y un posible error adicional del disparo o bien de la exploración.

Se tiene en cuenta una dirección de activación de la parte de conmutación de potencia para la determinación de una dirección de la corriente del motor. A través de la consideración adicional de la dirección de activación del puente-H se multiplica el valor de la corriente del motor calculado de acuerdo con la invención, por +1 ó -1 y coincide con el valor real de la corriente del motor en importe y signo.

A continuación se explica en detalle un ejemplo de realización de la invención con la ayuda del dibujo. En éste:

La figura 1 muestra una representación esquemática de una activación del motor con una instalación de medición.

La figura 2 muestra una visión de conjunto de las curvas de temo de señales de activación y de una tensión en una resistencia de medición.

En la figura 1 se muestra un diagrama de bloques de una activación de motor para un motor 1. El motor 1 está diseñado como un motor de corriente continua. A través de una parte de conmutación de la potencia 2 se alimenta el motor 1 con energía eléctrica a través de líneas de alimentación del motor 9, 9aa. La parte de conmutación de la potencia 2 está configurada como un puente-H. Una unidad de control 4 acondiciona a través de un circuito de excitación 3 varias señales de activación para la parte de conmutación de la potencia 2. La unidad de control 4 presenta un modulador de la anchura del impulso 5 y un convertidor analógico a digital 6, de forma abreviada convertidor AD 6, que están realizados por medio de un microcontrolador que se puede configurar libremente. La unidad de control 4 es alimentada con la tensión de alimentación necesaria con una conexión +5 V y una conexión a tierra GND. Además de los elementos esenciales formados por el modulador de la anchura del impulso 5 y el convertidor AD 6, se pueden implementar o bien realizar en el microcontrolador todavía otras funciones, por ejemplo un protocolo de corrientes punta o un contador de horas de funcionamiento.

El modulador de la anchura del impulso 5 está equipado, además de la alimentación de la parte de conmutación de potencia 2, con las señales de activación para el puente-H adicionalmente para la preparación de una señal de disparo para el convertidor AD 6. La señal de disparo es conducida a través de una línea de disparo 7 al convertidor AD 6. La señal de disparo determina el instante de la exploración o bien de la medición.

Para la medición de una tensión de entrada U_{I\_MOT}, el convertidor AD 6 posee tres entradas. A través de una primera entrada se alimenta el convertidor AD 6 esencialmente con una tensión de referencia U_{ref}. A través de otra entrada se detecta la tensión de entrada U_{I\_MOT}. Una tercera entrada conecta el convertidor AD 6 con la conexión a tierra GND.

Puesto que en este ejemplo de realización no se mide directamente una corriente del motor U_{I\_MOT}, se dispone en la línea de alimentación 8aa hacia la parte de conmutación de potencia 2 una resistencia de medición de la corriente RM. La parte de conmutación de la potencia 2 se alimenta a través de otra línea de alimentación 8 hacia la parte de conmutación de la potencia 2 con una tensión de funcionamiento U_{B}. En paralelo a la resistencia de medición de la corriente R_{M} está dispuesto un divisor de la tensión con resistencias de división de la tensión R_{1} y R_{1'}. De esta manera se "toma" una tensión U_{M} que cae a través de la resistencia de medición de la corriente R_{M}. La resistencia de división de la tensión R_{1} está en este caso en un circuito paralelo a las entradas para la tensión de referencia U_{ref} y para la tensión de entrada U_{I\_MOT} del convertidor AD 6.

La alimentación de tensión de la parte de conmutación de la potencia 2, es decir, del puente-H, con tensión continua se realiza a través de las líneas de alimentación 8, 8aa de la parte de conmutación de la potencia 2. La línea de alimentación 8 suministra a la parte de conmutación de la potencia 2 la tensión positiva de funcionamiento U_{E}. A través de la línea de alimentación 8aa hacia la parte de conmutación de la potencia 2 se conecta la parte de conmutación de la potencia 2 con el potencial de referencia GND. El motor 1 a accionar se encuentra de acuerdo con la técnica de circuitos en una derivación central entre u brazo izquierdo y un brazo derecho del puente-H. En el brazo izquierdo del puente están dispuestos un primer conmutador S1 y un segundo conmutador S2 en un circuito en serie. En el brazo derecho del puente están dispuestos igualmente en serie un tercer conmutador S3 y un cuarto conmutador S4. Los dos brazos del puente forman un circuito paralelo. Los cuatro conmutadores S1 a S4 están configurados de manera preferida como transistores de efecto de campo de semiconductores de óxido de metal. Tales transistores de efecto de campo disponen de entradas de control. A través de estas entradas de control se pueden conectar y desconectar los transistores de efecto de campo respectivos a través de la unidad de control 4 con las señales de activación correspondientes.

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A través de la unidad de control 4 se cierran, respectivamente, los conmutadores diagonalmente opuestos, por ejemplo S2 y S3. Mientras que los conmutadores S2 y S3 están cerrados, los conmutadores S1 y S4 permanecen abiertos, puesto que de lo contrario la consecuencia sería un cortocircuito directo de la tensión de alimentación U_{B}. La corriente _{I\_MOT} fluye en esta posición de conmutación a través de la línea de alimentación 8 hacia la parte de conmutación de potencia 2 a través del conmutador S3, a través de la línea de alimentación 9aa hacia el motor 1, a través del motor 1, a través de la línea de alimentación 9 desde el motor, a través del conmutador S2, a través de la resistencia de medición de la corriente RM hacia tierra GND. De esta manera se ajusta un sentido de giro determinado, así como un par motor del motor 1. Si se abren los conmutadores S2 y S3 y a continuación los conmutadores S1 y S4, fluye la corriente _{I\_MOT} a través del motor 1 en la dirección opuesta. De esta manera, se acciona el motor en la dirección opuesta. A través de una variación de la anchura del impulso de la señal de modulación de la anchura del impulso se realiza una regulación de la potencia o bien un control del número de revoluciones del motor 1.

Las resistencias ya mencionadas, la resistencia de medición de la corriente R_{M}, las resistencias de división de la tensión R_{1}, R_{1'} y las entradas del convertidor AD 6 forman una malla de la tensión M:

- U_{ref} + U_{R1} + U_{R1}' + UM = 0.

A continuación se distinguen dos casos:

En un primer caso, no fluye corriente a través del puente-H o bien el motor 1. Las resistencias de división de la tensión R1 y R1' están dimensionadas en cada caso para 10 k\Omega. La resistencia de medición de la corriente RM posee un valor de resistencia de 1 \Omega. A través de la resistencia de división de la tensión R_{1}' cae, por lo tanto, una tensión U_{R1}. Con una tensión de referencia U_{ref} = 5 V, la tensión U_{R1}' que cae en la resistencia de división de la tensión R1' es 2,5 V. La tensión U_{R1}' corresponde a la tensión de entrada U_{I\_MOT} del convertidor AD 6. El convertidor AD 6 está configurado dentro del microcontrolador de la unidad de control 4 de tal manera que una tensión de entrada medida U_{I\_MOT} = U_{ref}/2 corresponde a una intensidad de la corriente _{I\_MOT} de 0 A.

En un segundo caso, a través del puente-H o bien del motor 1 fluye una corriente _{I\_MOT}. La corriente ascendente del motor _{I\_MOT} provoca en la resistencia de medición de la corriente R_{M} una caída de la tensión U_{M}. A través de esta caída de la tensión U_{M} en la resistencia de medición de la corriente R_{M} se modifica la caída de la tensión en la resistencia de división de la tensión R_{1}. Por consiguiente, se modifica también la caída de la tensión U_{I\_MOT} en la entrada de medición del convertidor AD 6. Si el motor 1 recibe corriente, se eleva proporcionalmente la tensión U_{I\_MOT} en el convertidor AD 6. Si el motor 1 retorna corriente, se reduce la tensión U_{I\_MOT} en el convertidor AD 6 en una medida correspondiente. Adicionalmente, el valor determinado de esta manera es convertido a través de una multiplicación por +1 o bien -1, en función de la dirección de activación respectiva del puente-H y de la exploración del valor analógico en el centro de un ciclo de alimentación de corriente, directamente en el valor medio provisto de signo de la corriente del motor _{I\_MOT}. La desviación del U_{I\_MOT} con respecto a U_{ref}/2 es proporcional a la tensión UM en la resistencia de medición de la corriente RM, de una manera correspondiente el valor de la corriente _{I\_MOT} es proporcional a la tensión U_{M} y se puede determinar de esta manera.

La figura 2 muestra las curvas características de las señales de activación generadas por medio del modulador de la anchura del impulso 5 de la figura 1. Una señal de modulación de la anchura del impulso 10, de forma abreviada señal PWM 10, para la activación del puente H presenta un ciclo de conmutación 15 con una anchura del impulso 15 y una anchura de la pausa 17. A partir de la señal PWM 10 del modulador de la anchura del impulso 5 se deriva una señal de disparo 11 para la determinación del instante de la exploración A_{1}, A_{2}. En el lugar A1 la señal de disparo 11 muestra un flanco descendente, que es el disparador para el convertidor AD 6 para la exploración de la tensión de entrada U_{I\_MOT}. Esta señal de disparo 11 es alimentada a través de la línea de disparo 7 al convertidor AD 6 en la figura 1. Por otro lado, se representa una señal de activación 12 para los conmutadores S2 y S3 y otra señal de activación 13 para los conmutadores S1 y S4. Las señales de activación 12 y 13 presentan en un solape de tiempo, respectivamente, al comienzo y al final de la anchura del impulso 16 o bien de la anchura de la pausa 17 un tiempo muerto específico de la aplicación. Este tiempo muerto sirve para evitar que los conmutadores S1 a S4 estén cerrados al mismo tiempo. En un circuito intermedio de tensión, el tiempo muerto es "positivo", como se representa, en cambio en un circuito intermedio de corriente se utiliza un tiempo muerto "negativo", es decir, que se ajusta voluntariamente un solape, en el que ambas señales presentan un potencial de activación positivo.

Si se considera la imagen de la corriente del motor _{I\_MOT}, que se da a través de la curva de la tensión 14 en la resistencia de medición de la corriente R_{M} durante la anchura de una pausa 17, entonces se realiza la exploración del valor de la corriente del motor _{I\_MOT} o bien de la tensión de entrada U_{I\_MOT} del convertidor AD 6 en el centro temporal A1 de la anchura de la pausa 17. La subida continua de la corriente del motor _{I\_MOT} o bien de la curva de la tensión 14 durante la anchura de una pausa 17 corresponde a una subida lineal, que es simétrica al centro temporal de la anchura de la pausa 17. El valor momentáneo calculado de esta manera corresponde en buena aproximación al valor medio de la corriente del motor _{I\_MOT}.

Claims

1. Procedimiento para la medición de una corriente (_{I\_MOT}) que fluye a través de un motor (1), en el que una parte de conmutación de la potencia (2) que suministra energía eléctrica al motor (1) es controlada por medio de una unidad de control (4) a través de una señal de modulación de la anchura del impulso (10), que presenta un ciclo de conmutación (15) con una sección de impulso con una anchura del impulso (16) y una sección de impulso con una anchura de pausa (17), en el que para la determinación de la corriente del motor (_{I\_MOT}) por cada ciclo de conmutación (15) se explora exactamente un valor de medición que representa la corriente del motor (_{I\_MOT}), cuyo instante de exploración (A1, A2) es determinado a través de una señal de disparo (11) de la unidad de control (4), caracterizado porque la señal de disparo (11) de la unidad de control es variable de tal forma que para la compensación de errores de tiempo de propagación se coloca el instante de la exploración (A1, A2) de una manera específica del usuario, libremente seleccionable, en el centro temporal de una de las dos secciones del ciclo (16, 17), con preferencia en la más larga, y porque para la determinación de la dirección del motor (_{I\_MOT}) se tiene en cuenta la dirección de activación de la parte de conmutación de la potencia (2), siendo convertido el valor calculado de la corriente del motor (_{I\_MOT}) a través de multiplicación por +1 o bien -1, en función de la dirección de activación respectiva de la parte de conmutación de la potencia (2) y la exploración del valor analógico en la media temporal de la sección seleccionada del ciclo, directamente en el valor medio provisto con signo de la corriente del motor (_{I\_MOT}).

2. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el valor de medición que representa la corriente del motor (_{I\_MOT}) es explorado en una línea de alimentación (8, 8aa) hacia la parte de conmutación de la potencia (2) o en una línea de alimentación (9, 9aa) hacia el motor (1).

3. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 2, caracterizado porque como valor de medición representativo se explora una variable (U_{M}) proporcional a la corriente del motor (_{I\_MOT}).

4. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 3, caracterizado porque la variable (U_{M}) proporcional a la corriente del motor (_{I\_MOT}) se forma por medio de una caída de la tensión (U_{M}) en una resistencia de medición de la corriente (R_{M}).

5. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 4, caracterizado porque la caída de la tensión (UM) dentro de una malla de tensión (M) influye sobre una tensión de entrada (U_{I\_MOT}) de un convertidor AD (6), de tal manera que se determina la corriente del motor (_{I\_MOT}) a través de una desviación con relación a una tensión de referencia (U_{ref}).