ES2336705T3 - Sistema y metodo para controlar un motor electrico sincronico, particularmente para aparatos electrodomesticos. - Google Patents
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Abstract
Sistema de control (ECS) para un motor eléctrico sincrónico (M) que comprende un estator (S) con al menos un devanado (W) y un rotor (R) con imanes permanentes; comprendiendo el sistema (ECS): un circuito rectificador (RC) con una entrada (2) que está diseñada para conectarse a una fuente de alimentación de corriente alterna, para suministrar como salida una tensión de corriente continua predeterminada (VB); un circuito de excitación (DC), que está conectado a la salida del circuito rectificador (RC) y al devanado del estator (W), e incluye una pluralidad de conmutadores controlados (SW1-SW4) que están dispuestos para permitir el paso de una corriente hacia el devanado del estator (W) selectivamente en un sentido y en el sentido opuesto; medios de detección de posición (PS) para suministrar una señal de posición alterna (H) que es indicativa de la posición angular del rotor (R); y un circuito de control (CC) con una primera entrada que está diseñada para recibir una señal (RS) indicativa de la velocidad de rotación requerida (Δref) para el motor (M), y una segunda entrada que está conectada a dichos medios de detección de posición (PS); estando diseñado el circuito de control para: - controlar el circuito de excitación (DC) cuando se arranca el motor (M), basándose en la señal de posición (H) del rotor, y para aplicar al devanado del estator (W) una tensión con un valor absoluto que se reduce en una cantidad predeterminada (dcmin) en comparación con la tensión de salida (VB) del circuito rectificador (RC); - a continuación, a partir de la transición del rotor (R) a una posición angular predeterminada, generar una señal de contaje (N) que varía según una función lineal del tiempo (t) y reinicializar esta señal de contaje (N) cuando alcanza un valor de referencia predeterminado (Nref) correspondiente a la velocidad de rotación requerida (Δref) para el motor (M); - a continuación controlar el circuito de excitación (DC) selectivamente basándose en la señal de posición (H) del rotor o basándose en dicha señal de contaje (N), cuando la velocidad de rotación (Δ) del motor (M) es respectivamente inferior y superior a la velocidad requerida (Δref); y - controlar el circuito de excitación (DC) para aplicar al devanado del estator (W) una tensión, cuyo valor absoluto aumenta así según una función predeterminada cuando la velocidad de rotación (Δ) del rotor (R) aumenta hasta un valor predeterminado.
Description
Sistema y método para controlar un motor
eléctrico sincrónico, particularmente para aparatos
electrodomésticos.
\global\parskip0.930000\baselineskip
La presente invención se refiere a un sistema y
a un método para controlar un motor eléctrico sincrónico, que puede
usarse, en particular, en aparatos electrodomésticos, por ejemplo
para el accionamiento de una bomba hidráulica en una máquina
lavavajillas.
Las bombas de lavado de una máquina lavavajillas
se accionan normalmente mediante un motor eléctrico de tipo
sincrónico, por ejemplo del tipo descrito en la patente europea EP 0
207 430-B1 y en la patente europea EP 0 287 984 B1.
Una bomba de lavado hidráulica de este tipo para lavavajillas en
funcionamiento tiene una carga hidráulica que normalmente varía de
manera cíclica. Por consiguiente, la bomba tiene un funcionamiento
de tipo pulsado y esto implica la generación de ruido y tensiones
sustanciales en la bomba.
Un objeto de la presente invención es proponer
un sistema y un método para controlar un motor eléctrico sincrónico
que haga posible eliminar los inconvenientes descritos
anteriormente.
Estos objetos y otros según la invención se
consiguen mediante un sistema de control, cuyas características
principales se definen en la reivindicación 1 adjunta, y usando un
método de control según la reivindicación 6.
Características y ventajas adicionales de la
invención serán evidentes a partir de la siguiente descripción
detallada proporcionada meramente a modo de ejemplo no limitativo,
con referencia a los dibujos adjuntos, en los que:
la figura 1 es una representación de un motor
eléctrico sincrónico con el que está asociado un sistema de control
según la presente invención;
la figura 2 es un diagrama de conexiones de
cable más detallado del sistema de control según la figura 1;
las figuras 3 y 4 son diagramas que, según el
tiempo t registrado en el eje x, tienen desarrollos que ejemplifican
señales generadas en el sistema de control según la invención;
y
la figura 5 es un diagrama que ilustra la
característica de funcionamiento de un motor eléctrico con el que
está asociado un sistema de control según la presente invención.
En la figura 1, M indica en conjunto un motor
eléctrico con el que está asociado un sistema de control electrónico
indicado como ECS en conjunto.
El motor eléctrico M comprende un estator S, que
incluye un conjunto de láminas 1 sustancialmente en forma de
"U", dotado de un devanado W y un rotor R con imanes
permanentes.
El sistema de control ECS que está asociado con
el motor M comprende un sensor de posición eléctrico PS asociado
con el rotor R. Este sensor es por ejemplo un sensor de efecto Hall,
que en funcionamiento puede suministrar a un sensor de posición
eléctrico alterno, normalmente con una onda cuadrada, que por
ejemplo tiene un desarrollo según las formas de onda indicadas con
H en las figuras 3 y 4.
El sensor PS está dispuesto en una posición de
modo que la señal H que suministra a la salida tiene conmutación de
nivel, por ejemplo de nivel bajo a nivel alto, cuando el rotor va a
una posición de referencia angular predeterminada.
Con referencia a la figura 1, el sistema de
control ECS comprende adicionalmente un circuito rectificador RC,
por ejemplo de tipo de media onda y doble puente, con una entrada 2
que está diseñada para conectarse a una fuente de alimentación de
corriente alterna, tal como la red a 50 ó 60 Hz, para suministrar
una tensión de corriente continua predeterminada V_{B} como
salida.
El sistema de control ECS comprende
adicionalmente un circuito de excitación DC, que, como se muestra en
la figura 2, es ventajosamente del tipo denominado en puente en
"H". Este circuito de control está conectado a la salida del
circuito rectificador RC, así como al devanado del estator W, e
incluye una pluralidad de conmutadores electrónicos controlados
SW1-SW4, tal como, por ejemplo, transistores de tipo
MOSFET. La disposición y el control de dichos conmutadores
SW1-SW4 son de modo que pueden permitir el paso de
una corriente hacia el interior del devanado del estator W
selectivamente en un sentido y en el sentido opuesto.
Los conmutadores SW1-SW4 tienen
entradas de control respectivas i1-i4 que están
conectadas a las salidas de un circuito de control que se indica
como CC en conjunto en las figuras 1 y 2.
En la realización ilustrada a modo de ejemplo en
la figura 2, el circuito de control CC tiene una entrada I que está
diseñada para recibir una señal RS que es indicativa de la velocidad
de rotación \Delta_{ref} requerida para el motor M.
El circuito de control CC comprende un primer
circuito de procesamiento PC1, que recibe como entrada la señal RS,
y suministra como salida una señal T1, cuya frecuencia (periodo) es
proporcional (inversamente proporcional) a la velocidad
\Delta_{ref} requerida para el motor M.
\global\parskip1.000000\baselineskip
El circuito de control CC comprende un segundo
circuito de procesamiento PC2 que tiene dos entradas, a las que se
aplica en funcionamiento la señal de posición del rotor H y la señal
T1 que es indicativa de la velocidad de rotación \Delta_{ref}
requerida para el motor M.
El circuito de procesamiento PC2 está diseñado
para proporcionar como salida dos señales, indicadas respectivamente
con H' y PWMS en la figura 2, que se aplican a las entradas de un
circuito lógico LC de tipo Y.
Como será más evidente a continuación en el
presente documento, la señal H' es una señal de onda cuadrada,
usada para controlar los conmutadores SW1-SW4 del
circuito de excitación en puente DC.
La señal PWMS es una señal con un ancho
(duración) de pulso modulado y se usa para controlar el valor
absoluto de la tensión aplicada en funcionamiento al devanado del
estator W.
La salida del circuito lógico LC está conectada
a las entradas de control i1 e i4 de los conmutadores SW1 y SW4 a
través de un inversor lógico LI; esta salida también está conectada
directamente a las entradas de control i2 e i3 de los conmutadores
SW2 y SW3.
El sistema de control ECS descrito anteriormente
funciona sustancialmente de la siguiente manera.
Cuando se arranca el motor eléctrico M, y hasta
que tiene lugar la primera conmutación de nivel de la señal H
suministrada por el sensor de posición PS, el circuito de
procesamiento PC2 suministra como salida una señal H' igual a H, es
decir controla el estator W del motor M (a través de los circuitos
LC, LI y el circuito en puente DC), basándose en la señal
suministrada por el sensor de posición PS asociado con el rotor.
Además, el circuito PC2 suministra como salida una señal PWMS, que
tiene un ciclo de trabajo con un valor predeterminado dcmin, de
modo que la tensión aplicada al devanado del estator W es
sustancialmente igual al producto V_{B} x dcmin, donde V_{B} es
la tensión de salida del circuito rectificador RC.
Estas condiciones siguen aplicándose hasta que
tiene lugar la primera conmutación de nivel de la señal H del
sensor de posición PS asociado con el rotor.
Cuando tiene lugar la primera conmutación de la
señal H (instante t_{1} en la figura 3), un contador C dentro del
circuito PC2 (figura 2) empieza a contar, que por ejemplo es
incremental, y varía de forma lineal con el tiempo t, hasta que el
valor contado N alcanza un valor N_{ref} que es inversamente
proporcional a la velocidad \Delta_{ref} requerida para el
motor M.
Cuando el valor de contaje N alcanzado por el
contador C es igual al valor umbral N_{ref} (figura 3), si la
señal H todavía no ha cambiado de estado o nivel, el contador C se
reinicializa a cero (instante t_{2} en la figura 3). El contaje
mediante el contador C se reinicializa entonces una vez que tiene
lugar una conmutación adicional de la señal de posición H (instante
t_{3} en la figura 3). En estas condiciones, la conmutación de
los conmutadores SW1-SW4 del circuito de excitación
en puente DC se determina sólo por la señal H, es decir por la
señal de posición angular del rotor, con un ciclo de trabajo que se
determina por la señal PWMS. Esta situación sigue aplicándose hasta
que la señal N del contador C alcanza el nivel N_{ref} antes de la
siguiente conmutación de la señal de posición H del rotor.
La tensión que se aplica durante el arranque, al
devanado del estator W es, como ya se ha mencionado, V_{B} x
dcmin. Al motor M nunca se le suministra en funcionamiento una
tensión que sea inferior a este valor en todo su campo operativo, a
menos que se produzca una condición anómala, como se describirá a
continuación en el presente documento.
En funcionamiento, durante el arranque, después
de la primera conmutación de nivel de la señal H (instante
t_{1}), el circuito PC2 mide el tiempo Tf que transcurre entre
esta primera conmutación y la siguiente conmutación de la señal H
(Tf = t_{3}-t_{1}). El valor de la tensión
V_{w} que va a aplicarse al devanado del estator W del motor se
calcula por tanto de la siguiente manera:
v_{w} =
max[(V_{B} x dcmin); (V_{B} x dcmax – KTf)] = V_{B} .
dclim
donde dcmax es igual a 0,99, k es
una constante predeterminada y dclim es el ciclo de trabajo de la
tensión
límite.
En las figuras 3 y 4, Tc indica el tiempo en el
que el contador C del circuito PC2 va desde el valor de contaje 0
al valor de contaje N = N_{ref}.
Una vez que se produce una condición en la que
T_{f} \leq Tc, ya no tiene lugar la conmutación de la tensión
al devanado W del estator del motor al comienzo de la señal de
posición H, sino cuando la señal N en la salida del contador
alcanza el valor N_{ref} (figura 4). En este caso, la señal N del
contador C oscila en forma de una onda triangular entre cero y
N_{ref}, y está retardada en comparación con la señal de posición
H del rotor R en un tiempo Td.
El circuito PC2 está diseñado para verificar si
el tiempo de retardo Td es más corto que un valor predeterminado
mínimo Tdmin: en este caso, la tensión aplicada al devanado del
estator W del motor M en una etapa genérica N permanece inalterada;
de otro modo, si Td es más largo que Tdmin, la tensión en el
devanado W se reduce en una cantidad \DeltaV_{s}, para hacer
que Td se convierta en un valor más corto que Tdmin. Por tanto, la
tensión que va a aplicarse al devanado W en este caso será:
V_{w} =
V_{w} -
V_{s}
donde V_{s} =
\Delta\DeltaV_{s}; (V_{sn} = bsn-1 +
\DeltaV_{s}).
Si el retardo Td cambia de signo, es decir si la
señal de posición H está retardada en comparación con la señal N
del contador C (figura 3, parte de la izquierda), entonces se reduce
la tensión V_{s} en \DeltaV_{s} tantas veces como Td vuelva
(con su propio signo) a Tdmin. Si esto no ocurre, entonces V_{s}
se reduce en \DeltaV_{s} hasta que se alcanza V_{s} = 0, y la
tensión aplicada al devanado del estator W es igual a V_{w}.
Para resumir la información anterior, el
circuito de control electrónico ECS está diseñado, cuando el motor
M está arrancado, para controlar el circuito en puente DC basándose
en la señal de posición H del rotor, y para aplicar al devanado del
estator W una tensión con un valor que se reduce en una cantidad
predeterminada (dcmin) en comparación con la tensión de salida
V_{B} del circuito rectificador RC.
Posteriormente, a partir del primer paso del
rotor R a una posición angular predeterminada, el circuito de
control CC genera una señal de contaje N que varía según una función
lineal del tiempo t, y reinicializa esta señal de contaje N cuando
alcanza un valor de referencia predeterminado (N_{ref})
correspondiente a la velocidad de rotación \Delta_{ref}
requerida para el motor M.
El circuito de control CC controla por tanto el
circuito de excitación en puente DC selectivamente basándose en la
señal de posición H del rotor, o basándose en la señal de contaje N
de dicho contador, según si la velocidad de rotación \Delta es
respectivamente inferior o superior a la velocidad requerida
\Delta_{ref}.
Finalmente, el circuito de control CC está
diseñado para controlar el circuito de excitación en puente para
aplicar al devanado del estator W una tensión, cuyo valor absoluto
aumenta según una función predeterminada a medida que aumenta la
velocidad de rotación \Delta del rotor R, hasta un valor
predeterminado.
En vista de la descripción anterior, el sistema
de control según la invención arranca el motor eléctrico M como un
motor sin escobillas convencional, aunque aplicando al mismo una
tensión limitada para reducir la denominada corriente de entrada y
reducir el ruido de aceleración durante el arranque.
La figura 5 muestra la característica de
funcionamiento de un motor sincrónico controlado por un sistema
según la invención. En el diagrama en la figura 5, el eje x muestra
la velocidad de rotación \Delta del motor M, y el eje Y muestra
el par motor T desarrollado por este último. En este diagrama, la
curva c1 representa la característica par motor/velocidad que es
típica de un motor sincrónico. La curva c2 con rayas largas y
cortas representa una condición operativa de carga del motor.
La sección curvada A1 muestra la fase de
arranque del motor, en la que este último se arranca como un motor
sin escobillas convencional, aunque con tensión limitada. La sección
curvada A2 representa la fase en la que el motor sincrónico
funciona como un motor sin escobillas convencional con imanes
permanentes, hasta la velocidad requerida \Delta_{ref}.
Cuando se ha alcanzado la velocidad requerida
\Delta_{ref,} el motor M se controla de modo que funciona
realmente como un motor sincrónico, a una velocidad muy estable, y
sin la necesidad de anillos externos para medir la velocidad. Esta
condición se indica mediante la sección curvada A3 en la figura
5.
Puede reducirse la tensión que se aplica de
manera operativa al motor, según los requisitos de carga, para
reducir las vibraciones y el ruido de funcionamiento.
Se apreciará que, sin alterar el principio de la
invención, las realizaciones y detalles pueden variarse en gran
parte en comparación con los descritos e ilustrados meramente a modo
de ejemplo no limitativo, sin apartarse del alcance de la invención
tal como se define en las reivindicaciones adjuntas.
Claims (10)
1. Sistema de control (ECS) para un motor
eléctrico sincrónico (M) que comprende un estator (S) con al menos
un devanado (W) y un rotor (R) con imanes permanentes;
comprendiendo el sistema (ECS):
- un circuito rectificador (RC) con una entrada (2) que está diseñada para conectarse a una fuente de alimentación de corriente alterna, para suministrar como salida una tensión de corriente continua predeterminada (V_{B});
- un circuito de excitación (DC), que está conectado a la salida del circuito rectificador (RC) y al devanado del estator (W), e incluye una pluralidad de conmutadores controlados (SW1-SW4) que están dispuestos para permitir el paso de una corriente hacia el devanado del estator (W) selectivamente en un sentido y en el sentido opuesto;
- medios de detección de posición (PS) para suministrar una señal de posición alterna (H) que es indicativa de la posición angular del rotor (R); y
- un circuito de control (CC) con una primera entrada que está diseñada para recibir una señal (RS) indicativa de la velocidad de rotación requerida (\Delta_{ref}) para el motor (M), y una segunda entrada que está conectada a dichos medios de detección de posición (PS); estando diseñado el circuito de control para:
- -
- controlar el circuito de excitación (DC) cuando se arranca el motor (M), basándose en la señal de posición (H) del rotor, y para aplicar al devanado del estator (W) una tensión con un valor absoluto que se reduce en una cantidad predeterminada (dcmin) en comparación con la tensión de salida (V_{B}) del circuito rectificador (RC);
- -
- a continuación, a partir de la transición del rotor (R) a una posición angular predeterminada, generar una señal de contaje (N) que varía según una función lineal del tiempo (t) y reinicializar esta señal de contaje (N) cuando alcanza un valor de referencia predeterminado (N_{ref}) correspondiente a la velocidad de rotación requerida (\Delta_{ref}) para el motor (M);
- -
- a continuación controlar el circuito de excitación (DC) selectivamente basándose en la señal de posición (H) del rotor o basándose en dicha señal de contaje (N), cuando la velocidad de rotación (\Delta) del motor (M) es respectivamente inferior y superior a la velocidad requerida (\Delta_{ref}); y
- -
- controlar el circuito de excitación (DC) para aplicar al devanado del estator (W) una tensión, cuyo valor absoluto aumenta así según una función predeterminada cuando la velocidad de rotación (\Delta) del rotor (R) aumenta hasta un valor predeterminado.
2. Sistema de control según la reivindicación 1,
en el que el circuito de control (CC) está diseñado para controlar
la tensión aplicada al devanado del estator (W) mediante una señal
de control de onda cuadrada con un ancho de pulso modulado
(PWMS).
3. Sistema de control según la reivindicación 2,
en el que el circuito de control (CC) comprende medios de circuito
del tipo lógico (LC) que pueden combinar en modo Y dicha señal de
control (PWMS) y la señal de posición del rotor (H) o dicha señal
de contaje (N).
4. Sistema de control según una cualquiera de
las reivindicaciones anteriores, en el que el circuito de excitación
es un circuito en puente en forma de "H".
5. Sistema de control según la reivindicación 4,
en el que el circuito en puente en forma de "H" comprende una
pluralidad de transistores de tipo MOSFET
(SW1-SW4).
6. Método para controlar un motor eléctrico
sincrónico (M) que comprende un estator (S) con al menos un devanado
(W) y un rotor con imanes permanentes (R);
comprendiendo el método las operaciones de
proporcionar una tensión de suministro de
corriente continua predeterminada (V_{B});
aplicar dicha tensión de corriente continua
(V_{B}) a un circuito de excitación (DC) que está conectado a
dicho devanado del estator (W) e incluye una pluralidad de
conmutadores controlados (SW1-SW4) que están
adaptados para permitir el paso de una corriente hacia el devanado
del estator (W) selectivamente en un sentido y en el sentido
opuesto;
generar una señal de posición eléctrica alterna
(H) que es indicativa de la posición angular del rotor (R);
controlar el circuito de excitación basándose en
la señal de posición del rotor (H) y para aplicar al devanado del
estator (W) una tensión con un valor absoluto que se reduce hasta
una extensión predeterminada en comparación con dicha tensión de
corriente continua (V_{B});
a continuación, basándose en la transición del
rotor (R) a una posición angular predeterminada, generar una señal
de contaje (N) que varía según una función lineal del tiempo (t), y
reinicializar esta señal de contaje (N) cuando alcanza un valor de
referencia predeterminado (N_{ref}) correspondiente a una
velocidad de rotación requerida (\Delta_{ref}) para el motor
(M);
a continuación controlar el circuito de
excitación (DC) selectivamente basándose en la señal de posición (H)
del rotor (R) o basándose en dicha señal de contaje (N), cuando la
velocidad de rotación (\Delta) del motor (M) es respectivamente
inferior y superior a la velocidad requerida (\Delta_{ref});
y
controlar el circuito de excitación (DC) de modo
que se aplica al devanado del estator (W) una tensión, cuyo valor
absoluto aumenta así según una función predeterminada cuando la
velocidad de rotación (\Delta) del rotor (R) aumenta hasta un
valor predeterminado.
7. Método según la reivindicación 6, en el que
la tensión aplicada al devanado del estator (W) se controla
mediante una señal de onda cuadrada con un ancho de pulso modulado
(PWMS).
8. Método según la reivindicación 7, en el que
dicha señal de control (PWMS) se combina en un modo lógico con la
señal de posición (H) del rotor (R) o con dicha señal de contaje
(N).
9. Método según una cualquiera de las
reivindicaciones 6 a 8, en el que se usa un circuito de excitación
en puente en H.
10. Método según la reivindicación 9, en el que
se usa un circuito de excitación en puente en H que comprende una
pluralidad de transistores de tipo MOSFET
(SW1-SW4).
Applications Claiming Priority (2)
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