ES2334551B1 - Metodo para determinar la velocidad angular en un motor conmutdo mecanicamente midiendo unicamente la corriente que circula por el mismo. - Google Patents
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Abstract
Método para la determinar la velocidad angular
en un motor conmutado mecánicamente midiendo únicamente la corriente
que circula por el mismo. El método se basa en la determinación de
los instantes en los que se van produciendo las ondulaciones de la
componente alterna. Con esta información estima el valor de la
frecuencia ripple con ella el valor de la velocidad angular del
motor. Ambas magnitudes están directamente relacionadas debido a que
por cada giro del motor se producen un número concreto de
ondulaciones en la corriente que depende del número de polos y
delgas del motor, entendiendo como ondulación a cada periodo de la
componente alterna de la corriente. La detección de la ondulación se
realiza mediante un registro de desplazamiento de longitud w en el
que se van almacenando las últimas w muestras de la corriente del
motor. Si se cumple que el valor máximo de la corriente se encuentra
en la posición central del registro se supone que se acaba de
detectar el pico y por tanto se detecta la ondulación registrando el
instante en el que se ha producido la detección. Dependiendo del
valor de w se consigue filtrar en mayor o menor medida el ruido que
aparece en la corriente.
Description
Método para determinar la velocidad angular en
un motor conmutado mecánicamente midiendo únicamente la corriente
que circula por el mismo.
La invención pertenece al campo de la detección
de la velocidad angular en un motor de corriente continua conmutado
mecánicamente mediante delgas y escobillas. La técnica objeto de
invención se encuadra dentro de las técnicas de detección
sensorless y aprovecha el rizado que aparece en la corriente
que circula por el motor. La ventaja que presenta este nuevo método
es la de filtrar el ruido que aparece junto a la corriente mediante
una ventana de observación de las muestras de la corriente cuyo
tamaño es variable.
En un motor de corriente continua, la corriente
que circula está compuesta por una componente de encargada de
suministrar la potencia y una componente ac. La componente ac,
también conocida como componente ripple, es debida al efecto
conjunto de que la fuerza electromotriz inducida (f.e.m.) en las
bobinas del rotor no es constante sino que tienen una forma
sinusoidal y a que esta no es rectificada de forma perfecta en el
colector de delgas. Además de esto, en el colector de delgas tiene
lugar el proceso de conmutación de delga por parte de la
escobillas. En el proceso de conmutación, justo en el momento en el
que las escobillas se posicionan entre dos delgas, se cortocircuita
la bobina unida a esas dos delgas produciendo un incremento de la
corriente.
La frecuencia de dicha componente alterna de la
corriente está relacionada con la velocidad de giro del motor,
según lo comentado anteriormente, y con algunos parámetros
constructivos como son el número de delgas del rotor y el número de
polos del motor. Es por ello, que si se consigue detectar la
frecuencia de esta componente se puede obtener la velocidad angular
del motor.
Cada periodo de la componente alterna de la
corriente es conocida en la literatura con el nombre de ondulación.
Por lo general, el problema de detectar la frecuencia de la
componente alterna se reduce al problema de detectar todas y cada
una de las ondulaciones y medir la distancia temporal entre las
mismas. Esta no es una tarea trivial, pues todo el ruido presente
en la alimentación del motor es reflejado en la corriente. A todo
este ruido hay que sumar el ruido generado y las interferencias
captadas por el propio motor. Todo ello hace que muchas
ondulaciones no puedan ser detectadas (ondulaciones fusionadas) y
que aparezcan ondulaciones que no debieran (ondulaciones
fantasmas). Lo que provoca imprecisiones en la determinación de la
frecuencia ripple y con ello en la velocidad
angular.
angular.
Mecanismos basados en la detección de la
frecuencia de la componente alterna, conocida como frecuencia
ripple, los podemos encontrar en documentos como son US 3
346 752, US 5 524 168 y US 6 172 473 B1. El problema de estas
invenciones es que no tienen en cuenta explícitamente el problema
del ruido. Por otro lado hay otras invenciones como son ES 2 190
011 T3, US 6 839 653 B2 y US 5 581 178 que si que tienen en cuenta
el ruido y las posibles ondulaciones fantasmas y fusionadas. El
problema que tienen éstas es el alto coste computacional que
conllevan. Algunas de ellas requieren realizar la FFT. Por esta
razón se propone un nuevo método que tenga en cuenta el ruido y no
tenga un excesivo coste computacional.
La invención se basa en la detección de las
ondulaciones de la componente alterna de la corriente para
determinar la velocidad angular de un motor de corriente continua
conmutado mecánicamente. Por ello, en primer lugar lo que se hace es
medir la corriente mediante un sensor resistivo tipo shunt.
Posteriormente se digitaliza mediante un convertidor
analógico/digital con una frecuencia de muestreo adecuada. A partir
de este momento se procesa la señal de la corriente en el dominio
digital mediante un microcontrolador, DSP o DSC.
Según se van recibiendo las muestras digitales
de la corriente se van almacenando las últimas w muestras de forma
consecutivas en una memoria configurada como un registro de
desplazamiento. Este registro de desplazamiento tiene numeradas
todas sus posiciones de 0 a w-1, de forma que la
posición 0 corresponde a la última muestra capturada, la posición 1
a la muestra anterior y así sucesivamente. Para determinar si se ha
producido o no una ondulación se mira si en la posición central del
registro de desplazamiento, (w-1)/2, se encuentra
almacenado el valor máximo de la corriente de entre todos los
valores almacenados en el registro de desplazamiento. Si la
respuesta es afirmativa, quiere decir que se ha detectado una
ondulación. Para filtrar más o menos ruido, es decir, detectar las
ondulaciones fusionadas y eliminar las ondulaciones fantasmas,
basta con ajustar de forma adecuada el valor w. Este parámetro tiene
que tener un valor impar y debe ser mayor o igual que 3 para que el
método funcione correctamente. El valor de w se puede tomar de
forma fija o de forma que sea proporcional al periodo de la
componente alterna de la corriente. Hay que denotar que en todas
las situaciones w debe ser menor estrictamente que el número de
muestras que entran en un periodo de la componente alterna. Una
elección u otra en el valor de w dependerá de la complejidad y del
nivel de ruido presente.
\newpage
Una vez en la que se han detectado las
ondulaciones y se conoce la distancia temporal entre muestras, se
procede a calcular el valor de la frecuencia de la componente
alterna, o frecuencia ripple, como el inverso de la distancia entre
ondulaciones detectadas. Finalmente, esta frecuencia hallada, se
convierte en velocidad del motor.
La descripción de la invención se acompaña de
una serie de figuras con el fin ayudar su compresión.
La figura 1 muestra el diagrama de bloques del
método propuesto para la detección de la velocidad angular.
La figura 2 muestra esquemáticamente una posible
implementación del bloque Detector de Máximo (5).
En la figura 1 se muestra el diagrama de bloques
del método objeto de invención. En él aparecen el sistema de
alimentación del motor (1), el propio motor (2), el sensor de
corriente tipo shunt (3). El siguiente bloque (4) es el convertidor
analógico/digital que se encarga de digitaliza la corriente con una
frecuencia de muestreo fs adecuada. El Detector de Máximo (5)
detecta si se ha producido o no una ondulación, este bloque se
explicará más adelante con mayor detalle. Al detector de frecuencia
(6) le llega en cada instante discreto un valor lógico del Detector
de Máximo (5) que le indica si en el instante actual se ha
detectado una ondulación o por el contrario si no se ha detectado.
Si no se ha detectado ninguna no hace nada. Si por el contrario se
ha detectado una ondulación registra el instante actual como
instante de detección de ondulación. Con esa información obtiene la
frecuencia de la componente alterna o frecuencia ripple. Para ello
se utiliza la siguiente ecuación:
Donde T_{k} es el instante en el que se
detectó la última ondulación y T_{k-1} el instante
de la ondulación anterior. Una vez obtenida la frecuencia ripple se
pasa al bloque Convertidor Frecuencia-Velocidad
(7). En este bloque tiene lugar la conversión de frecuencia ripple
a la velocidad angular del motor. Estas dos magnitudes están
relacionadas según la siguiente ecuación:
En dicha ecuación 2p es el número de polos del
motor, p es el número de pares de polos, k es el número de delgas
del colector, n es la velocidad angular del motor en r.p.m. y
f_{ripple} la frecuencia ripple en Hz. El parámetro \eta
es el máximo común divisor de 2p y k tal como se indica en la
siguiente ecuación:
El último bloque es el estimador de ventana (8).
Este bloque se encarga de obtener el parámetro w que es utilizado
en el bloque Detector de Máximo. Este parámetro debe cumplir que
sea impar y mayor o igual que 3 y menor que el número de muestras
que ocupa un periodo de la componente alterna
f_{ripple}/f_{s}, donde f_{s} es la
frecuencia de muestreo. Teniendo en cuenta esto se puede tomar con
valor fijo, o lo que es más recomendable calcularlo de forma
dinámica en función de la frecuencia ripple. En el caso de
obtenerlo de la frecuencia ripple se puede obtener como un valor
proporcional al periodo ripple, es decir, del inverso de la
frecuencia ripple. El cálculo de forma dinámica se puede hacer de
la siguiente forma:
Donde el operador [\cdot] es el operador parte
entera y c es el factor de proporcionalidad comprendido entre los
límites indicados para cumplir con las especificaciones de w. Para
frecuencias de muestreo mucho mayor a la frecuencia ripple se puede
decir que c debe estar comprendido entre 0 y 0.5.
En la figura 2 se muestra el esquema del bloque
Detector de Máximo. El bloque se compone de un registro de
desplazamiento (9) donde van entrando los valores de la corriente
discretizados. Los valores se van almacenando en el registro de la
siguiente forma, la última muestra de la corriente se almacena en
la posición 0, la muestra anterior en la posición 1 y así
sucesivamente. El siguiente bloque es el Detector de Posición del
Máximo (10), donde entran todos los valores del registro de
desplazamiento y a su salida indica la posición donde se encuentra
el máximo dentro del registro de desplazamiento. Por último, el
bloque Detector del Máximo en el Centro (11) comprueba si el máximo
se encuentra en el centro del registro de desplazamiento. Si el
máximo está en el centro a su salida pone un 1, de lo contrario pone
un 0. Esto se muestra en la siguiente ecuación:
El registro de desplazamiento tiene una longitud
w, que es el tamaño de la ventana de observación. Esto quiere decir
que en cada instante se almacenarán las últimas w muestras de la
corriente en 61. Mediante el valor de w se puede hacer que el
sistema filtre más o menos ruido. El valor de w viene ajustado en
realidad en el bloque Estimador de Ventana en la figura 1 bloque
(8).
Claims (4)
1. Método para determinar la velocidad angular
en un motor conmutado mecánicamente midiendo únicamente la
corriente que circula por el mismo dentro de un sistema
caracterizado por constar de un sistema de alimentación del
motor (1), un motor (2), un sensor de corriente tipo shunt (3) para
medir el valor de la corriente que circula por el motor (2), un
convertidor analógico/digital (4) para digitalizar el valor de la
corriente a una frecuencia de muestreo f_{s} adecuada y un
microcontrolador, DSP o DSC para el procesado de las muestras
digitales de la corriente y obtención del valor de la velocidad de
acuerdo con las siguientes etapas:
- a)
- Los valores muestreados de la corriente son recogidos por el bloque Detector Máximo (4) donde son almacenados en una memoria configurada como un registro de desplazamiento de tamaño w en el que la última muestra adquirida se almacena en la posición 0, la anterior en la posición 1 y así sucesivamente. El tamaño del registro de desplazamiento w se caracteriza por ser un valor impar mayor o igual que 3 e inferior al número de muestras que entran en un periodo ripple f_{ripple}/f_{s}, donde f_{s} es la frecuencia de muestreo. Sobre el registro de desplazamiento se comprueba si el valor máximo se encuentra en la posición central del registro de desplazamiento (w-1)/2. Si es así una señal indica que se ha detectado una ondulación.
- b)
- Cada vez que se detecta una ondulación el bloque Detector de Frecuencia (6) registra el instante temporal en el que se ha detectado. Siendo el instante de la última ondulación T_{k} y el de la ondulación anterior T_{k-1}. Con los instantes de las ondulaciones se obtiene el valor de la frecuencia ripple como el inverso de la diferencia entre ambos instantes.
- c)
- Posteriormente, con la frecuencia ripple el bloque Convertidor Frecuencia-Velocidad (7) obtiene la velocidad angular del motor mediante la ecuación que relaciona ambas magnitudes:
- Donde n es la velocidad angular del motor expresada en revoluciones por minutos, 2p es el número de polos del motor, k es el número de delgas del colector de delgas, \eta es el máximo común divisor de 2p y k y f_{ripple} es la frecuencia ripple.
2. Método para determinar la velocidad angular
en un motor conmutado mecánicamente midiendo únicamente la
corriente que circula por el mismo según la reivindicación 1 donde
el tamaño del registro de desplazamiento w se calcula de forma
dinámica, de acuerdo con los requisitos indicados en la
reivindicación 1 y siendo w proporcional al periodo ripple, inverso
de la frecuencia ripple:
Donde el operando [\cdot] es la parte entera y
c es un factor fijo que determina el valor de ruido a filtrar. Para
frecuencias de muestreo mucho mayores que la frecuencia ripple c
puede tomar valores entre 0 y 0,5.
3. Método para determinar la velocidad angular
en un motor conmutado mecánicamente midiendo únicamente la
corriente que circula por el mismo según la reivindicación 1 donde
la indicación de que se ha producido una ondulación se lleva a cabo
comprobando sobre el registro de desplazamiento si el valor mínimo,
en lugar del máximo, se encuentra en la posición central del
registro de desplazamiento.
4. Uso del procedimiento descrito para medir y
controlar la velocidad de piezas que se mueven solidarias al eje de
un motor de corriente continua conmutado mecánicamente.
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| ES200902143A ES2334551B1 (es) | 2009-11-05 | 2009-11-05 | Metodo para determinar la velocidad angular en un motor conmutdo mecanicamente midiendo unicamente la corriente que circula por el mismo. |
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| ES2334551A1 ES2334551A1 (es) | 2010-03-11 |
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| DE19602362A1 (de) * | 1996-01-24 | 1997-07-31 | Teves Gmbh Alfred | Schaltungsanordnung zur Bestimmung der Drehzahl eines Kommutatormotors |
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Non-Patent Citations (2)
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| Base de datos WPI y EPOQUE, Recuperado de EPODOC; PN DE 19503484 & DE 19503484 C1 (KOSTAL LEOPOLD GMBH & CO KG) 08.02.1996 * |
| Base de datos WPI y EPOQUE. Recuperado de EPODOC; PN DE 196023062 & DE 19602362 A1 (TEVES GMBH ALFRED) 31.07.1997 * |
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