ES2901939T3 - Un sistema de control para un motor eléctrico - Google Patents

Abstract

Un sistema de control para un motor eléctrico que comprende submotores, comprendiendo el sistema de control: un primer bus (440) de interfaz periférica en serie, un primer dispositivo (400) de control dispuesto para recibir datos de control y para controlar una operación de un primer componente del motor eléctrico, en donde el primer componente es un primer inversor (410) para controlar flujo de corriente en un primer conjunto (60) de bobinas de un primer submotor del motor eléctrico, usando señales de modulación de ancho de pulso (PWM) con un período de modulación predeterminado, y un segundo dispositivo (400) de control dispuesto para controlar una operación de un segundo componente del motor eléctrico, en donde el segundo componente es un segundo inversor (410) para controlar flujo de corriente en un segundo conjunto de bobinas de un segundo submotor del motor eléctrico, usando señal de modulación de ancho de pulso (PWM) con el período de modulación predeterminado, en donde el primer dispositivo de control está dispuesto para transmitir al segundo dispositivo de control los datos de control a través del primer bus de interfaz periférica en serie, y para transmitir una primera señal de selección de chip para indicar la transmisión de los datos de control sobre el primer bus (440) de interfaz periférica en serie al segundo dispositivo de control, en donde el primer dispositivo de control está dispuesto para activar la primera señal de selección de chip en el mismo punto de tiempo dentro de cada período de modulación de PWM para el motor eléctrico, y en donde el segundo dispositivo de control está dispuesto para usar la temporización de la primera señal de selección de chip para sincronizar la operación del segundo componente con la operación del primer componente.

Description

DESCRIPCIÓN

Un sistema de control para un motor eléctrico

La presente invención se relaciona con un sistema de control, en particular un sistema de control para un motor eléctrico.

Los sistemas de motor eléctrico incluyen típicamente un motor eléctrico y una unidad de control dispuesta para controlar la potencia/torque generado por el motor eléctrico. Ejemplos de tipos conocidos de motor eléctrico incluyen el motor de inducción, motor sincrónico de imanes permanentes sin escobillas, motor de reluctancia conmutada y motor lineal. En el escenario comercial los motores eléctricos trifásicos son el tipo más común de motor eléctrico disponible.

Un motor eléctrico trifásico incluye típicamente tres conjuntos de bobinas, donde cada conjunto de bobinas está dispuesto para generar un campo magnético asociado con una de las tres fases de un voltaje alterno.

Para aumentar el número de polos magnéticos formados dentro de un motor eléctrico, cada conjunto de bobinas tendrá típicamente un número de subconjuntos de bobinas que se distribuyen alrededor de la periferia del motor eléctrico, que se accionan para producir un campo magnético giratorio.

Los tres conjuntos de bobinas de un motor eléctrico trifásico se configuran típicamente ya sea en una configuración delta o en estrella.

Una unidad de control para un motor eléctrico trifásico que tiene una fuente de alimentación de DC incluirá típicamente un inversor de puente trifásico que genera un suministro de voltaje trifásico para accionar el motor eléctrico. Cada una de las respectivas fases de voltaje se aplica a un respectivo conjunto de bobinas del motor eléctrico.

Típicamente, el inversor de puente trifásico generará un suministro de voltaje trifásico usando una forma de control de voltaje de modulación de ancho de pulso (PWM). El control de PWM funciona usando la inductancia de motor para promediar un voltaje de pulso aplicado para accionar la corriente requerida en las bobinas de motor. Usando el control de PWM se conmuta un voltaje aplicado a través de las bobinas de motor. Durante este período de encendido, la corriente sube en las bobinas de motor a una tasa dictada por su inductancia y el voltaje aplicado. Entonces se requiere que el control de PWM se apague antes de que la corriente haya cambiado demasiado de tal manera que se logre un control preciso de la corriente.

Un inversor de puente trifásico incluye un número de dispositivos de conmutación, por ejemplo conmutadores electrónicos de potencia tales como conmutadores de Transistor Bipolar de Puerta Aislada (IGBt ).

Sin embargo, los conmutadores electrónicos de potencia típicamente exhibirán pérdidas por conmutación y pérdidas por conducción.

Incluyendo las pérdidas por conmutación y pérdidas por conducción, las pérdidas totales son aproximadamente proporcionales al cuadrado de la potencia. Esto puede imponer serios problemas de gestión térmica para el motor e inversor dado que, por ejemplo, una duplicación de la potencia lleva a un aumento de cuatro veces en las pérdidas térmicas. Extraer este calor sin elevar la temperatura del dispositivo por encima de su nivel de operación seguro se convierte en el factor limitante en la cantidad de potencia que el dispositivo puede manejar. De hecho, en la actualidad los dispositivos de mayor potencia que tienen capacidades de manejo de corriente intrínseca de, por ejemplo, 500A están restringidos a 200A debido a limitaciones térmicas.

Para un motor trifásico convencional con una potencia nominal dada, si se desea una potencia nominal mayor esto se puede lograr produciendo un motor con un diámetro mayor. Para un motor de mayor diámetro, la velocidad periférica del rotor aumenta para una velocidad angular dada. Sin embargo, para un voltaje de suministro dado esto requiere que las bobinas de motor tengan un número reducido de giros.

Una solución que se ha propuesto para superar esta limitación ha sido el desarrollo de motores eléctricos que tienen un número de submotores que pueden operar independientemente entre sí, donde el flujo de corriente en los subconjuntos de bobinas de un submotor es independiente del flujo de corriente en los subconjuntos de bobinas de otro submotor (es decir los respectivos subconjuntos de bobinas no están conectados en serie). Por consiguiente, las bobinas de cada subconjunto de bobinas pueden tener un mayor número de giros que para un motor equivalente en el cual todos los respectivos subconjuntos de bobinas están conectados en serie. El número aumentado de giros en cada bobina aumenta la inductancia global del motor. Esto significa que para un requisito de potencia dado se pueden usar corrientes más bajas en las bobinas de cada subconjunto de bobinas, lo cual lleva a menos problemas de disipación de calor, y lo cual permite que los dispositivos de conmutación más pequeños sean usados. El uso de dispositivos de conmutación más pequeños a su vez permite velocidades de conmutación más rápidas y menores pérdidas de conmutación.

Sin embargo, para un motor eléctrico que tiene una pluralidad de submotores independientes, teniendo cada submotor un controlador independiente para controlar la operación de su respectivo inversor, y donde no hay una línea de sincronización dedicada entre los respectivos controladores, el control de PWM entre los submotores respectivos no estará sincronizado. Esto puede dar como resultado un aumento en la ondulación de voltaje de bus de DC con la necesidad de una mayor capacitancia de filtro para mantener el voltaje de bus de DC.

El uso de una línea de sincronización dedicada entre cada controlador requeriría el uso de al menos dos líneas de entrada/salida digitales adicionales en cada procesador, lo cual requeriría conexiones de aislamiento entre las dos conexiones. Adicionalmente, para verificar la conectividad de la línea de sincronización dedicada, se requeriría alguna forma de procesamiento de sincronización interno para accionar y monitorizar la línea de sincronización.

Ambos documentos GB 2494797 y GB 2462940 describen un motor eléctrico que tiene una pluralidad de submotores bajo el control de un dispositivo de control respectivo, donde los dispositivos de control respectivos se comunican sobre un bus de CAN.

Es deseable mejorar esta situación.

De acuerdo con un aspecto de la presente invención se proporciona un sistema de control de acuerdo con las reivindicaciones acompañantes.

La invención como se reivindica tiene la ventaja de permitir que dos dispositivos de control de motor eléctrico sean sincronizados cuando se realiza una función de motor eléctrico sin la necesidad de una señal de sincronización dedicada, permitiendo de esa manera que el coste, complejidad y peso de un motor eléctrico sean reducidos. La presente invención se describirá ahora, a modo de ejemplo, con referencia a los dibujos acompañantes, en los cuales:

La figura 1 ilustra una vista en despiece de un motor eléctrico como se usa en una realización de la presente invención;

La figura 2 ilustra una vista en despiece del motor eléctrico mostrado en la figura 1 desde un ángulo alternativo;

La figura 3 ilustra un motor eléctrico de acuerdo con una realización de la presente invención;

La figura 4a ilustra control de voltaje de PWM para una fase de voltaje único en un motor eléctrico de acuerdo con una realización de la presente invención;

La figura 4b ilustra control de voltaje de PWM desplazado en fase para una fase de voltaje único en relación con la ilustrada en la figura 4a en un motor eléctrico de acuerdo con una realización de la presente invención;

La figura 5 ilustra una segunda disposición de accionamiento para un motor eléctrico de acuerdo con una realización de la presente invención.

La realización de la invención descrita es para un sistema de control para un motor eléctrico, donde el motor eléctrico es para uso en una rueda de un vehículo. Sin embargo el motor eléctrico puede estar ubicado en cualquier lugar dentro del vehículo. El motor es del tipo que tiene un conjunto de bobinas que son parte del estátor para unión a un vehículo, rodeado radialmente por un rotor que porta un conjunto de imanes para unión a una rueda. Para evitar dudas, los diversos aspectos de la invención son igualmente aplicables a un generador eléctrico que tenga la misma disposición. Como tal, la definición de motor eléctrico está prevista para incluir el generador eléctrico. Además, algunos de los aspectos de la invención son aplicables a una disposición que tiene el rotor montado centralmente dentro de bobinas circundantes radialmente. Como se apreciaría por una persona experta en la técnica, la presente invención es aplicable para uso con otros tipos de motores eléctricos.

Para los propósitos de la presente realización, como se ilustra en la figura 1, el motor eléctrico en rueda incluye un estátor 252 que comprende un disipador 253 de calor, múltiples bobinas 254 y un módulo 255 de electrónica montado en una porción trasera del estátor para accionar las bobinas. Las bobinas 254 se forman en laminaciones de dientes de estátor para formar devanados de bobina. Una cubierta 256 de estátor está montada en la porción trasera del estátor 252, que encierra el módulo 255 de electrónica para formar el estátor 252, que luego puede fijarse a un vehículo y no gira en relación con el vehículo durante uso.

El módulo 255 de electrónica incluye dos dispositivos 400 de control, donde cada dispositivo 400 de control incluye un inversor 410 y lógica 420 de control, que en la presente realización incluye un procesador, para controlar la operación del inversor 410, como se ilustra en la figura 3.

Un rotor 240 comprende una porción 220 delantera y una porción 221 cilíndrica que forman una cubierta, que rodea sustancialmente al estátor 252. El rotor incluye una pluralidad de imanes 242 permanentes dispuestos alrededor del interior de la porción 221 cilíndrica. Para los propósitos de la presente realización 32 pares de imanes están montados en el interior de la porción 221 cilíndrica. Sin embargo, se puede usar cualquier número de pares de imanes.

Los imanes están en estrecha proximidad a los devanados de bobina en el estátor 252 de tal manera que los campos magnéticos generados por las bobinas interactúan con los imanes 242 dispuestos alrededor del interior de la porción 221 cilíndrica del rotor 240 para hacer que el rotor 240 gire. Como los imanes 242 permanentes se utilizan para generar un torque de accionamiento para accionar el motor eléctrico, los imanes permanentes se denominan típicamente imanes de accionamiento.

El rotor 240 está unido al estátor 252 mediante un bloque 223 de cojinetes. El bloque 223 de cojinetes puede ser un bloque de cojinetes estándar como se usaría en un vehículo en el cual va a ser montado este ensamblaje de motor. El bloque de cojinetes comprende dos partes, una primera parte fijada al estátor y una segunda parte fijada al rotor. El bloque de cojinetes está fijado a una porción 253 central de la pared del estátor 252 y también a una porción 225 central de la pared 220 de alojamiento del rotor 240. El rotor 240 de este modo se fija de manera giratoria al vehículo con el cual va a ser usado a través del bloque 223 de cojinetes en la porción 225 central del rotor 240. Esto tiene una ventaja de que una llanta de rueda y neumático entonces se pueden fijar al rotor 240 en la porción 225 central usando los pernos normales de rueda para fijar la llanta de rueda a la porción central del rotor y en consecuencia firmemente al lado giratorio del bloque 223 de cojinetes. Los pernos de rueda pueden montarse a través de la porción 225 central del rotor a través del propio bloque de cojinetes. Tanto con el rotor 240 como la rueda estando montados en el bloque 223 de cojinetes hay una correspondencia uno a uno entre el ángulo de rotación del rotor y la rueda.

La figura 2 muestra una vista en despiece del mismo ensamblaje que la figura 1 desde el lado opuesto que muestra el estátor 252 y rotor. El rotor 240 comprende la pared 220 exterior de rotor y pared 221 circunferencial dentro de las cuales están dispuestos circunferencialmente los imanes 242. Como se describió previamente, el estátor 252 está conectado al rotor 240 a través del bloque de cojinetes en las porciones centrales del rotor y paredes de estátor.

Se proporciona un sello en forma de V entre la pared 221 circunferencial del rotor y el borde exterior del estátor.

El rotor también incluye un conjunto de imanes 227 para la detección de posición, también conocidos como imanes de conmutación, que en conjunto con los sensores montados en el estátor permite que un ángulo de flujo de rotor sea estimado. El ángulo de flujo de rotor define la relación posicional de los imanes de accionamiento con los devanados de bobina. Alternativamente, en lugar de un conjunto de imanes separados el rotor puede incluir un anillo de material magnético que tiene múltiples polos que actúan como un conjunto de imanes separados.

Para permitir que los imanes de conmutación se usen para calcular un ángulo de flujo de rotor, preferiblemente cada imán de accionamiento tiene un imán de conmutación asociado, donde el ángulo de flujo de rotor se deriva desde el ángulo de flujo asociado con el conjunto de imanes de conmutación calibrando el ángulo de flujo de imán de conmutación medido. Para simplificar la correlación entre el ángulo de flujo de imán de conmutación y el ángulo de flujo de rotor, preferiblemente el conjunto de imanes de conmutación tiene el mismo número de imanes o pares de polos de imán que el conjunto de pares de imanes de accionamiento, donde los imanes de conmutación e imanes de accionamiento asociados son aproximadamente alineados radialmente entre sí. Por consiguiente, para los propósitos de la presente realización el conjunto de imanes de conmutación tiene 32 pares de imanes, donde cada par de imanes está aproximadamente alineado radialmente con un par de imanes de accionamiento respectivo.

Un sensor, que en esta realización es un sensor Hall, está montado en el estátor. El sensor se posiciona de tal manera que a medida que el rotor gira cada uno de los imanes de conmutación que forman el anillo de imán de conmutación respectivamente gira más allá del sensor.

A medida que el rotor gira en relación con el estator los imanes de conmutación giran correspondientemente más allá del sensor con el sensor Hall emitiendo una señal de voltaje de AC, donde el sensor emite un ciclo de voltaje completo de 360 grados eléctricos para cada par de imanes que pasa por el sensor.

Para mejorar la detección de posición, preferiblemente el sensor incluye un segundo sensor asociado colocado 90 grados eléctricos desplazados desde el primer sensor.

El motor 40 en esta realización incluye dos conjuntos 60 de bobinas con cada conjunto 60 de bobinas teniendo tres subconjuntos 61, 62, 63 de bobinas que están acoplados en una configuración en estrella para formar un submotor trifásico, dando como resultado que el motor tenga dos submotores trifásicos. Sin embargo, aunque la presente realización describe un motor eléctrico que tiene dos conjuntos 60 de bobinas (es decir dos submotores) el motor puede tener igualmente tres o más conjuntos de bobinas con dispositivos de control asociados (es decir tres o más submotores). Por ejemplo en una realización preferida el motor incluye ocho conjuntos 60 de bobinas con cada conjunto 60 de bobinas teniendo tres subconjuntos de bobinas que están acoplados en una configuración en estrella para formar un submotor trifásico, dando como resultado que el motor tenga ocho subconjuntos trifásicos.

La figura 3 ilustra las conexiones entre los respectivos conjuntos 60 de bobinas y los dispositivos 400 de control alojados en el módulo 255 de electrónica, donde un respectivo conjunto 60 de bobinas está conectado a un respectivo inversor 410 trifásico incluido en un dispositivo 400 de control. Como es bien conocido por una persona experta en la técnica, un inversor trifásico contiene seis conmutadores, donde se puede generar un voltaje alterno trifásico mediante la operación controlada de los seis conmutadores.

Como se estableció anteriormente, el módulo 255 de electrónica incluye dos dispositivos 400 de control, con cada dispositivo 400 de control teniendo un inversor 410 que está acoplado a un conjunto 60 de bobinas. Adicionalmente, cada dispositivo 400 de control incluye una disposición de interfaz, donde en una primera realización la disposición de interfaz en cada dispositivo 400 de control está dispuesta para permitir la comunicación entre los respectivos dispositivos 400 de control alojados en el módulo 255 de electrónica a través de un bus de comunicación con un dispositivo 400 de control estando dispuesto para comunicarse con un controlador de vehículo montado externo al motor eléctrico. El procesador 420 en cada dispositivo 400 de control está dispuesto para manejar la comunicación sobre la disposición de interfaz, como se describe en detalle a continuación.

Los procesadores 420 en los respectivos dispositivos 400 de control están dispuestos para controlar el inversor 410 montado en el respectivo dispositivo 400 de control para permitir que cada uno de los conjuntos 60 de bobinas de motor eléctrico se suministre con un suministro de voltaje trifásico, permitiendo de esa manera que los respectivos subconjuntos de bobinas generen un campo magnético giratorio. Aunque la presente realización describe que cada conjunto 60 de bobinas tiene tres subconjuntos de bobinas, la presente invención no está limitada por esto y se apreciará que cada conjunto 60 de bobinas puede tener uno o más subconjuntos de bobinas.

Bajo el control de los respectivos procesadores 420, cada inversor 410 de puente trifásico está dispuesto para proporcionar control de voltaje de PWM a través de los respectivos subconjuntos de bobinas, generando de esa manera un flujo de corriente en los respectivos subconjuntos de bobinas para proporcionar un torque requerido por los respectivos submotores.

Como se estableció anteriormente, el control de PWM funciona usando la inductancia de motor para promediar un voltaje de pulso aplicado para accionar la corriente requerida en las bobinas de motor. Usando el control de PWM se conmuta un voltaje aplicado a través de los devanados de motor. Durante el período cuando se conmuta el voltaje a través de las bobinas de motor, la corriente sube en las bobinas de motor a una tasa dictada por su inductancia y el voltaje aplicado. El control de voltaje de PWM se apaga antes de que la corriente haya aumentado más allá de un valor requerido, permitiendo de esa manera que el control preciso de la corriente sea logrado.

Para un conjunto 60 de bobinas dado los conmutadores de inversor 410 de puente trifásico están dispuestos para aplicar una única fase de voltaje a través de cada uno de los subconjuntos de bobinas.

Los conmutadores de inversor pueden incluir dispositivos semiconductores tales como MOSFETs o IGBTs. En el presente ejemplo, los conmutadores comprenden IGBTs. Sin embargo, se puede emplear cualquier circuito de conmutación conocido adecuado para controlar la corriente. Un ejemplo bien conocido de tal circuito de conmutación es el circuito de puente trifásico que tiene seis conmutadores configurados para accionar un motor eléctrico trifásico. Los seis conmutadores están configurados como tres conjuntos paralelos de dos conmutadores, donde cada par de conmutadores se coloca en serie y forma una pata del circuito de puente trifásico.

Usando la conmutación de PWM, la pluralidad de conmutadores está dispuesta para aplicar un voltaje alterno a través de los respectivos subconjuntos de bobinas, donde como se estableció anteriormente el ángulo de fase y envolvente de voltaje para cada una de las diferentes señales eléctricas son generados por los respectivos dispositivos de control usando control de voltaje de PWM. La envolvente de voltaje y ángulo de fase de las señales eléctricas se determinan mediante los pulsos de voltaje de modulación.

Se ilustra en la figura 4a una ilustración del control de voltaje de PWM para una fase de voltaje único en un motor eléctrico, donde los pulsos 51 de PWM modulados dan como resultado un voltaje similar a sinusoidal que se forma a través de los devanados de bobina de un motor eléctrico para formar una envolvente 52 de voltaje con un ángulo de fase dado. La suavidad de la forma de onda resultante se puede controlar variando el ancho y número de pulsos de modulación. El período de modulación de PWM se ilustra en la figura 4a mediante el período de tiempo A.

Para los propósitos de la presente realización, el control de voltaje de PWM está dispuesto para tener un período de modulación de 62.4 pseg, lo cual proporciona una tasa de modulación de PWM de aproximadamente 16 kHz. Sin embargo, puede usarse cualquier tasa de modulación de PWM adecuada.

Para controlar la temporización de la tasa de modulación de PWM, los procesadores 420 en cada uno de los dispositivos 400 de control incluyen un contador de PWM. Los contadores de PWM están dispuestos para hacer ciclos a través de un rango de conteo de 0 a n, donde n puede ser de cualquier valor, sin embargo, para los propósitos de la presente realización el valor de n es 1247. El tiempo tomado para el ciclo desde 0 a 1247 toma aproximadamente 62.4 pseg, que corresponde al período de modulación de PWM para la presente realización. Un pulso de PWM se enciende y apaga en valores de conteo especificados con base en el ciclo de trabajo de PWM. Por ejemplo, si el ciclo de trabajo de PWM es 50 por ciento un pulso de PWM se encendería en un valor de conteo de 312 y se apagaría en un valor de conteo de 935. Es decir, el pulso de PWM se enciende durante 50 por ciento del período de modulación de PWM.

Como se describió anteriormente, la profundidad de modulación de voltaje de una serie de pulsos de PWM determina el ángulo de fase de voltaje y la envolvente de voltaje formada a través de las respectivas bobinas de motor eléctrico.

Aunque la presente realización utiliza un contador de PWM para controlar el período de modulación de PWM, como se apreciaría por una persona experta en la técnica, se pueden usar otras técnicas para controlar el período de modulación de PWM. Si se usa un contador de PWM para controlar el período de modulación de PWM se puede usar cualquier rango de conteo adecuado.

Como se describió anteriormente, la pluralidad de conmutadores está configurada para formar un circuito de puente trifásico. Como es bien conocido por una persona experta en la técnica, el número de conmutadores dependerá del número de fases de voltaje que van a ser aplicadas a los respectivos submotores. Aunque el diseño actual muestra que cada submotor tiene una construcción trifásica, los submotores pueden construirse para tener cualquier número de fases.

Para minimizar la capacitancia de enlace de DC y el ruido electromagnético las señales de voltaje de PWM generadas por cada submotor, que están dispuestas para proporcionar señales eléctricas que tienen una envolvente de voltaje con sustancialmente el mismo ángulo de fase están dispuestas para compensarse una con respecto a la otra. Es decir, a pesar de que la envolvente de voltaje para una fase de voltaje particular generada por diferentes submotores tendrá sustancialmente el mismo ángulo de fase, los pulsos de PWM usados para generar estas señales de voltaje están compensados uno con respecto al otro.

Como se ilustra en la figura 4b, para lograr una compensación de PWM entre diferentes submotores los valores de conteo entre los respectivos contadores de PWM están dispuestos para estar compensados uno con respecto al otro. Tcompensación en la figura 4b ilustra la compensados de PWM en relación con las señales de voltaje de PWM en la figura 4a. Es decir, en la figura 4a el valor de contador 0 corresponde a T=0, mientras que en la figura 4b el valor 0 de contador corresponde a T= Tcompensación. Al compensar los valores de contador de PWM, las señales de PWM correspondientes generadas por los inversores respectivos para señales eléctricas que tienen una envolvente de voltaje con sustancialmente el mismo ángulo de fase a través de los diferentes submotores se generan usando los mismos valores de contador de PWM, con la compensación relativa de contador provocando que las señales de PWM sean compensadas. Esto se ilustra en la figura 4a y figura 4b, donde la envolvente de voltaje ilustrada en la figura 4a y 4b tiene sustancialmente la misma fase y amplitud pero se generan con señales de voltaje de PWM compensadas.

Esto tiene el efecto de desplazamiento de fase de los respectivos pulsos de voltaje de PWM generados por cada inversor en los respectivos submotores. Por consiguiente, a pesar de que la envolvente de voltaje para diferentes señales de voltaje generadas por los inversores tendrá sustancialmente el mismo ángulo de fase, las señales de PWM usadas para generar estas señales de voltaje no tendrán sustancialmente el mismo ángulo de fase, ayudando de esa manera a minimizar la capacitancia de enlace de DC y ruido electromagnético.

Sin embargo, si durante el control de voltaje de PWM la operación de los contadores de PWM montados en los diferentes dispositivos 400 de control no está sincronizada, los contadores de PWM entrarán y saldrán de fase. Esto dará como resultado un aumento en la capacitancia de enlace de DC y ruido electromagnético requeridos cuando las señales de PWM se pongan temporalmente en fase.

El mecanismo para sincronizar los contadores de PWM en los diferentes submotores se describe en detalle a continuación, donde la sincronización se realiza usando el bus de comunicación acoplado entre ambos dispositivos de control.

En la presente realización, uno de los dispositivos 400 de control incluidos en el módulo 255 de electrónica, designado como el dispositivo de control maestro, está dispuesto para recibir solicitudes de demanda de torque sobre una línea de comunicación desde un controlador externo de vehículo. Las solicitudes de demanda de torque recibidas en el dispositivo 400 de control maestro son transmitidas por el dispositivo 400 de control maestro al otro dispositivo 400 de control alojado en el módulo 255 de electrónica, designado como el dispositivo de control secundario, sobre un bus de comunicación diferente, que en la presente realización es un bus de interfaz periférica en serie SPI, como se describe a continuación. Opcionalmente, la información de estado también puede proporcionarse desde los dispositivos 400 de control al controlador externo de vehículo.

Para permitir que los dispositivos 400 de control maestro se comuniquen con un controlador externo de vehículo, la disposición de interfaz para el dispositivo 400 de control maestro incluye una interfaz de red de área de controlador CAN para permitir que el dispositivo 400 de control maestro se comunique con el controlador externo de vehículo sobre un bus 430 de CAN.

Para permitir que el dispositivo 400 de control maestro y el dispositivo 400 de control secundario se comuniquen sobre un bus de SPI la disposición de interfaz para ambos dispositivos 400 de control alojados dentro del módulo 255 de electrónica incluye un dispositivo de SPI para permitir la comunicación entre ambos dispositivos de control de módulo de electrónica sobre los buses 440 de SPI.

Como es bien conocido por una persona experta en la técnica, un bus de CAN es un bus en serie semidúplex de radiodifusión multimaestro y un bus de SPI es un estándar de enlace de datos en serie sincrónico que opera como un bus dúplex completo.

Aunque la presente realización describe el uso de un bus de CAN para comunicarse entre un dispositivo 400 de control y un controlador externo de vehículo y un bus de SPI para comunicarse entre dos dispositivos 400 de control alojados dentro de un módulo de electrónica, la presente invención es aplicable para uso con otros tipos de buses de comunicación donde para el bus entre el dispositivo 400 de control maestro y el dispositivo 400 de control secundario es posible controlar la temporización del estado activo/inactivo del bus.

En un primer modo de operación, el controlador de vehículo está dispuesto para transmitir una solicitud de demanda de torque al dispositivo 400 de control maestro sobre el bus 430 de CAN. La solicitud de demanda de torque transmitida sobre el bus 430 de CAN corresponde al torque total que se requiere que el motor eléctrico genere con base en una entrada de accionadores, por ejemplo con base en una demanda reguladora generada dentro del vehículo.

Preferiblemente, los datos de control transmitidos sobre el bus 430 de CAN por el controlador de vehículo también incluyen una señal de habilitación, donde la señal de habilitación está dispuesta para habilitar o deshabilitar el motor dependiendo de si la señal de habilitación se ha establecido como activa o inactiva.

También se pueden comunicar otros datos sobre el bus 430 de CAN.

El dispositivo 400 de control maestro está dispuesto para leer la señal de habilitación y solicitud de demanda de torque total comunicada sobre el bus 430 de CAN. El dispositivo 400 de control maestro está dispuesto para comunicar los datos recibidos sobre el bus de CAN, es decir la solicitud de demanda de torque total, sobre el bus 440 de SPI al dispositivo 400 de control secundario.

El bus de SPI incluye cuatro señales lógicas: i) reloj en serie generado por el dispositivo maestro, ii) entrada de datos de bus en serie, iii) salida de datos de bus en serie, y iv) selección de chip.

Para comenzar la transmisión de datos desde el dispositivo 400 de control maestro, sobre el bus de SPI, al dispositivo 400 de control secundario, el dispositivo 400 de control maestro configura la tasa de reloj del bus de SPI.

Cuando el dispositivo 400 de control maestro está listo para transmitir datos al dispositivo 400 de control secundario, el dispositivo 400 de control maestro establece la selección de chip en una lógica 0, donde la selección de chip está activa cuando está baja e inactiva cuando está en lógica 1.

El flujo de datos sobre el bus de SPI desde el dispositivo 400 de control maestro al dispositivo 400 de control secundario es controlado por el procesador 420 en el dispositivo 400 de control maestro, donde el procesador 420 de dispositivo de control maestro está dispuesto para iniciar la transmisión de datos activando la selección de chip.

Tras la activación de la selección de chip, la señal de reloj en serie de SPI se habilita y los datos se transmiten sobre la línea de salida de datos en serie, donde la temporización de los datos se sincroniza con el reloj en serie, como es bien conocido por una persona experta en la técnica.

Para permitir que el período de modulación de PWM de dispositivo de control secundario se sincronice con el período de modulación de PWM de dispositivo de control maestro, el procesador 420 en el dispositivo 400 de control maestro está dispuesto para transmitir datos sobre el bus 440 de SPI al dispositivo 400 de control secundario en marcos que tienen un período de transmisión que corresponde al período de modulación de PWM para el motor eléctrico, que en la presente realización es 62.4 pseg.

Adicional o alternativamente, el dispositivo 400 de control maestro puede disponerse para transmitir datos sobre el bus 440 SPI al dispositivo 400 de control secundario en marcos que tienen un período de transmisión que corresponde a múltiplos del período de modulación de PWM.

El establecimiento de la duración de marco de SPI en 62.4 pseg se logra mediante el procesador 420 en el dispositivo 400 de control maestro activando la selección 53 de chip en el mismo punto de tiempo dentro de cada período de modulación de PWM, que en la presente realización corresponde al mismo valor de contador de PWM dentro de cada período de modulación de PWM, como se ilustra en la figura 4a.

Para asegurar que la activación de la selección de chip esté sincronizada con el contador de PWM en el dispositivo 400 de control maestro la selección de chip se activa en respuesta a una señal de interrupción emitida por el contador de PWM en un valor de contador predeterminado, que corresponde a un período de tiempo especificado Tcs después del inicio de un período de modulación de PWM, donde el período de tiempo predeterminado Tcs también se almacena en el dispositivo de control secundario. Puede usarse cualquier valor de contador para Tcs. Alternativamente, el valor de contador de PWM predeterminado usado por el procesador 420 en el dispositivo 400 de control maestro para activar la selección de chip de SPI también puede almacenarse en el dispositivo de control secundario para permitir que el dispositivo 400 de control secundario determine el período de tiempo Tcs usado por el dispositivo 400 de control maestro.

Dentro de 62.4 pseg de la selección de chip que es activada, el procesador 420 en el dispositivo 400 de control maestro desactiva la selección de chip, asegurando de esa manera que el período de activación de selección de chip sea menor que 62.4 pseg. La selección de chip se reactiva en el mismo valor de contador de PWM en el siguiente período de modulación de PWM (es decir 62.4 pseg después de la activación de selección de chip previa).

El procesador 420 en el dispositivo 400 de control secundario está dispuesto para determinar la temporización del contador de PWM en el dispositivo 400 de control maestro usando el tiempo en el cual la selección de chip es activada por el procesador 420 en el dispositivo 400 de control maestro en conjunto con el período de tiempo predeterminado Tcs en el que la interrupción es generada por el procesador 420 en el dispositivo 400 de control maestro. Es decir, el inicio de un nuevo ciclo de contador de pW m puede ser determinado por el procesador 420 en el dispositivo 400 de control secundario restando el tiempo predeterminado Tcs desde el tiempo de activación de la selección de chip. Tras determinar la temporización del contador de PWM en el dispositivo 400 de control maestro el procesador 420 en el dispositivo 400 de control secundario está dispuesto para sincronizar la operación del contador 400 de PWM en el dispositivo 400 de control secundario con el contador 400 de PWM en el dispositivo 400 de control maestro.

Como se estableció anteriormente, para minimizar la capacitancia de enlace de DC y ondulación de voltaje, las señales de voltaje de PWM generadas por el inversor 410 en el dispositivo 400 de control maestro y el inversor 410 en el dispositivo 400 de control secundario están dispuestas para ser compensadas, donde el procesador 420 en el dispositivo 400 de control maestro y el procesador 420 en el control 400 secundario están preconfigurados para aplicar una compensación predeterminada con respecto a cada uno de los contadores de PWM.

Si la señal de habilitación de software comunicada sobre el bus 430 de CAN desde el controlador externo de vehículo se ha establecido como activa, el procesador 420 en el dispositivo 400 de control maestro está dispuesto para controlar los conmutadores de inversor en el dispositivo 400 de control maestro para controlar el flujo de corriente en el conjunto 60 de bobinas acoplado al dispositivo 400 de control maestro, donde el flujo de corriente se controla para proporcionar un torque de accionamiento requerido con base en la demanda de torque transmitida sobre el bus 430 de CAN. En particular, para la presente realización, donde el flujo de corriente a través de la pluralidad de conjuntos 60 de bobinas se controla usando dos dispositivos 400 de control, el dispositivo 400 de control maestro está dispuesto para controlar el flujo de corriente en el conjunto 60 de bobinas acoplado al dispositivo 400 de control maestro para generar la mitad de la demanda de torque total recibida sobre el bus 430 de CAN. Por consiguiente, usando los datos de torque transmitidos sobre el bus de SPI, el procesador 420 en el dispositivo 400 de control secundario está dispuesto para controlar los conmutadores de inversor en el dispositivo 400 de control secundario para controlar el flujo de corriente en el conjunto 60 de bobinas acoplado al dispositivo 400 de control secundario de tal manera que la otra mitad de la solicitud de demanda de torque total transmitida por el controlador externo de vehículo es generada por el dispositivo 400 de control secundario.

Aunque la presente realización ilustra que cada uno de los dispositivos 400 de control dentro del módulo 255 de electrónica está preconfigurado para proporcionar la mitad de la solicitud de demanda de torque total transmitida sobre el bus 430 de c A n por el controlador de vehículo, se puede usar cualquier relación predeterminada. Por ejemplo, para un motor eléctrico que tiene cuatro dispositivos de control la relación predeterminada para cada dispositivo de control puede ser una cuarta parte de la solicitud de demanda de torque total.

Alternativamente, la relación de solicitud de demanda de torque total generada por los respectivos dispositivos 400 de control puede asignarse dinámicamente, por ejemplo usando el controlador externo de vehículo o establecerse por uno de los dispositivos 400 de control.

Aunque la presente realización describe un motor eléctrico que tiene un módulo de electrónica que incluye dos dispositivos de control, con cada dispositivo de control dispuesto para accionar un conjunto de bobinas usando un procesador para controlar una operación de un inversor, el módulo de electrónica puede tener dos o más dispositivos de control donde cada dispositivo de control está dispuesto para incluir uno o más inversores para accionar uno o más conjuntos de bobinas. Por ejemplo, en una realización preferida el módulo de electrónica para un motor eléctrico incluye dos dispositivos de control donde cada dispositivo de control incluye un único procesador dispuesto para controlar la operación de dos inversores, donde cada inversor está acoplado a dos conjuntos de bobinas conectados en paralelo con los puntos en estrella de los respectivos conjuntos de bobinas paralelas que están eléctricamente aislados.

La figura 5 ilustra una realización alternativa de la presente invención, en la cual el motor eléctrico incluye tres dispositivos de control; un dispositivo 70 de control maestro, un dispositivo 71 de control secundario y un tercer dispositivo 72 de control. El tercer dispositivo 72 de control puede actuar ya sea como un dispositivo de control secundario o como un dispositivo de control maestro de respaldo. Al igual que con la realización previa, cada dispositivo de control está dispuesto para controlar flujo de corriente en al menos un conjunto de bobinas usando control de voltaje de PWM a través de la operación de al menos un inversor, como se describió anteriormente.

El dispositivo 70 de control maestro está acoplado al dispositivo 71 de control secundario a través de un primer bus de s P i estando el dispositivo 71 de control secundario acoplado al tercer dispositivo 72 de control a través de un segundo bus de SPI.

El dispositivo 70 de control maestro, el dispositivo 71 de control secundario y el tercer dispositivo 72 de control tienen cada uno al menos un contador de PWM para controlar la temporización del control de voltaje de PWM aplicado a los respectivos devanados de bobina. Los respectivos contadores de PWM están dispuestos para operar de la misma manera que para la realización previa.

El dispositivo 70 de control maestro está dispuesto para recibir una solicitud de demanda de torque sobre un bus de CAN desde un controlador de vehículo. La solicitud de demanda de torque transmitida sobre el bus de CAN corresponde al torque total que se requiere que el motor eléctrico genere con base en una entrada de accionadores, por ejemplo con base en una demanda reguladora generada dentro del vehículo.

Preferiblemente, los datos de control transmitidos sobre el bus de CAN por el controlador externo de vehículo también incluyen una señal de habilitación, donde la señal de habilitación está dispuesta para habilitar o deshabilitar el motor dependiendo de si la señal de habilitación se ha establecido como activa o inactiva.

También se pueden comunicar otros datos sobre el bus de CAN.

El dispositivo 70 de control maestro está dispuesto para leer la señal de habilitación y la solicitud de demanda de torque total comunicada sobre el bus de CAN. El dispositivo 70 de control maestro está dispuesto para comunicar los datos recibidos sobre el bus de CAN, es decir la señal de habilitación y solicitud de demanda de torque total, sobre el primer bus de SPI al dispositivo 71 de control secundario.

Para comenzar la transmisión de datos desde el dispositivo 70 de control maestro sobre el bus de SPI al dispositivo 71 de control secundario, el dispositivo 70 de control maestro configura la tasa de reloj del bus de SPI.

Cuando el dispositivo 70 de control maestro está listo para transmitir datos al dispositivo 71 de control secundario, el dispositivo 70 de control maestro establece la línea 73 de selección de chip del primer bus de SPI en una lógica 0, donde la selección de chip está activa cuando es baja e inactiva cuando está en lógica 1.

Al igual que con la realización previa, el flujo de datos desde el dispositivo 70 de control maestro al dispositivo 71 de control secundario, sobre el primer bus de SPI, es controlado por un procesador en el dispositivo de control maestro, donde el procesador de dispositivo de control maestro está dispuesto para iniciar la transmisión de datos activando la línea 73 de selección de chip.

Tras la activación de la línea 73 de selección de chip, la señal de reloj en serie del primer bus de SPI se habilita con datos que se transmiten sobre la línea 74 de salida de datos en serie del primer bus de SPI, donde la temporización de los datos se sincroniza con el reloj en serie, como es bien conocido por una persona experta en la técnica.

Al igual que con la realización previa, para permitir que el período de modulación de PWM del dispositivo de control secundario se sincronice con el período de modulación de PWM de dispositivo de control maestro, el procesador en el dispositivo 70 de control maestro está dispuesto para transmitir datos sobre el primer bus de SPI al dispositivo 71 de control secundario en marcos que tienen una duración que corresponde al período de modulación de pW m para el motor eléctrico, es decir 62.4 pseg. Esto se logra mediante el procesador en el dispositivo 70 de control maestro activando la línea 73 de selección de chip en el mismo punto de tiempo dentro de cada período de modulación de PWM, que en la presente realización corresponde al mismo valor de contador de PWM dentro de cada período de modulación de pW m .

Para asegurar que la activación de la línea 73 de selección de chip está sincronizada con el contador de PWM en el dispositivo 70 de control maestro la línea 73 de selección de chip se activa en respuesta a una señal de interrupción emitida por el contador de PWM de dispositivos de control maestro a un valor de contador predeterminado Tcs, donde el valor de contador de PWM predeterminado Tcs también se almacena en el dispositivo 71 de control secundario. Alternativamente, el valor de contador de PWM predeterminado usado por el procesador 420 en el dispositivo 400 de control maestro para activar la selección de chip de SPI también puede almacenarse en el dispositivo de control secundario.

Dentro de 62.4 pseg de la línea 73 de selección de chip que es activada, el procesador en el dispositivo 70 de control maestro desactiva la línea 73 de selección de chip, asegurando de esa manera que el período de activación de selección de chip es menor que 62.4 pseg. La línea 73 de selección de chip se reactiva en el mismo valor de contador de PWM en el siguiente período de modulación de PWM (es decir 62.4 pseg después de la activación de selección de chip previa).

El procesador en el dispositivo 71 de control secundario está dispuesto para sincronizar el contador de PWM en el dispositivo 71 de control secundario con el contador de PWM en el dispositivo 70 de control maestro usando el tiempo en el cual la línea 73 de selección de chip es activada por el procesador en el dispositivo 70 de control maestro y el tiempo especificado Tcs en el cual se genera la interrupción. Tras determinar la temporización del contador de pW m en el dispositivo 70 de control maestro el procesador en el dispositivo 71 de control secundario está dispuesto para sincronizar la operación de un contador de PWM en el dispositivo 71 de control secundario con los del dispositivo 70 de control maestro.

Para permitir que la temporización del contador de PWM en el tercer dispositivo 72 de control se sincronice con la temporización del contador de PWM en el dispositivo 70 de control maestro el tercer dispositivo 72 de control está dispuesto para transmitir datos sobre el segundo bus de SPI al dispositivo 71 de control secundario en marcos que tienen una duración de tiempo sustancialmente igual que el período de modulación de PWM, que en la presente realización corresponde a 62.4 pseg.

El flujo de datos sobre el segundo bus de SPI desde el tercer dispositivo 72 de control al dispositivo 71 de control secundario es controlado por el procesador en el tercer dispositivo 72 de control, donde el procesador de tercer dispositivo de control está dispuesto para iniciar la transmisión de datos activando la línea 75 de selección de chip, como se describió anteriormente.

Tras la activación de la línea 75 de selección de chip, la señal de reloj en serie de SPI se habilita y los datos se transmiten sobre la línea 76 de salida de datos en serie del segundo bus de SPI, donde la temporización de los datos se sincroniza con el reloj en serie, como es bien conocido por una persona experta en la técnica.

Como se estableció anteriormente, para permitir que el período de modulación de PWM del tercer dispositivo de control se sincronice con el período de modulación de PWM del dispositivo de control maestro, el procesador en el tercer dispositivo 72 de control está dispuesto para transmitir datos sobre el segundo bus de SPI al dispositivo 71 de control secundario en marcos que tienen una duración de 62.4 pseg, que corresponde al período de modulación de PWM para el motor eléctrico. Esto se logra mediante el procesador en el tercer dispositivo 72 de control activando la selección de chip en el mismo punto de tiempo dentro de cada período de modulación de PWM, que en la presente realización corresponde al mismo valor de contador de PWM dentro de cada período de modulación de PWM.

Para asegurar que la activación de la selección de chip está sincronizada con el contador de PWM en el tercer dispositivo 72 de control la selección de chip se activa en respuesta a una señal de interrupción emitida por el contador de PWM en un tiempo especificado T3cs que corresponde a un valor de contador predeterminado, donde el tiempo especificado T3cs también se almacena en el dispositivo 71 de control secundario.

Dentro de 62.4 pseg de la selección de chip que es activada, el procesador en el tercer dispositivo 72 de control desactiva la selección de chip, siendo la selección de chip reactivada en el mismo valor de contador de PWM en el siguiente período de modulación de PWM (es decir 62.4 pseg después de la activación de selección de chip previa). Mientras la selección de chip está activada los datos pueden transmitirse desde el tercer dispositivo 71 de control al dispositivo 71 de control secundario, por ejemplo datos de estado y/o datos de ángulo de fase.

El procesador en el dispositivo 71 de control secundario está dispuesto para determinar la temporización del contador de PWM en el tercer dispositivo 72 de control usando el tiempo en el cual la selección de chip es activada por el procesador en el tercer dispositivo de control y el tiempo especificado T3cs desde que la interrupción es generada por el procesador en el tercer dispositivo de control, de una manera similar a la usada por el segundo dispositivo 71 de control para determinar la temporización del contador de PWM en el dispositivo 70 de control maestro.

Habiendo determinado la temporización del contador de PWM en el tercer dispositivo 72 de control, el segundo dispositivo 71 de control compara esta temporización con la temporización del contador de PWM en el dispositivo 70 de control maestro y transmite datos al tercer dispositivo 72 de control sobre datos de bus en serie del segundo bus de SPI en la línea 77 para indicar cualquier diferencia de temporización entre el contador de PWM en el dispositivo 70 de control maestro y el contador de PWM en el tercer dispositivo 72 de control, permitiendo de esa manera que el tercer dispositivo 72 de control modifique la temporización de su contador de pW m para permitir que el control de voltaje de PWM en el tercer dispositivo 72 de control opere en sincronización con el dispositivo 70 de control maestro.

Al igual que con la realización previa, para minimizar la capacitancia de enlace de DC y ruido electromagnético los contadores de PWM en los respectivos dispositivos 70, 71, 72 de control pueden estar compensados uno con respecto al otro.

Claims (4)

REIVINDICACIONES

1. Un sistema de control para un motor eléctrico que comprende submotores, comprendiendo el sistema de control: un primer bus (440) de interfaz periférica en serie,

un primer dispositivo (400) de control dispuesto para recibir datos de control y para controlar una operación de un primer componente del motor eléctrico, en donde el primer componente es un primer inversor (410) para controlar flujo de corriente en un primer conjunto (60) de bobinas de un primer submotor del motor eléctrico, usando señales de modulación de ancho de pulso (PWM) con un período de modulación predeterminado, y

un segundo dispositivo (400) de control dispuesto para controlar una operación de un segundo componente del motor eléctrico, en donde el segundo componente es un segundo inversor (410) para controlar flujo de corriente en un segundo conjunto de bobinas de un segundo submotor del motor eléctrico, usando señal de modulación de ancho de pulso (PWM) con el período de modulación predeterminado,

en donde el primer dispositivo de control está dispuesto para transmitir al segundo dispositivo de control los datos de control a través del primer bus de interfaz periférica en serie, y para transmitir una primera señal de selección de chip para indicar la transmisión de los datos de control sobre el primer bus (440) de interfaz periférica en serie al segundo dispositivo de control,

en donde el primer dispositivo de control está dispuesto para activar la primera señal de selección de chip en el mismo punto de tiempo dentro de cada período de modulación de PWM para el motor eléctrico, y

en donde el segundo dispositivo de control está dispuesto para usar la temporización de la primera señal de selección de chip para sincronizar la operación del segundo componente con la operación del primer componente.

2. Un sistema de control de acuerdo con la reivindicación 1, en donde la temporización de las señales de modulación de ancho de pulso para controlar el segundo inversor está compensada con respecto a la temporización de las señales de modulación de ancho de pulso para controlar el primer inversor.

3. Un sistema de control de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que comprende además: un segundo bus periférico en serie, y

un tercer dispositivo de control dispuesto para controlar una operación de un tercer componente del motor eléctrico, en donde el tercer componente del motor eléctrico es un tercer inversor para controlar flujo de corriente en un tercer conjunto de bobinas de un tercer submotor del motor eléctrico usando señales de PWM con el período de modulación predeterminado,

en donde el tercer dispositivo de control está dispuesto para transmitir al segundo dispositivo de control datos a través del segundo bus de interfaz periférica en serie, y para transmitir una segunda señal de selección de chip para indicar la transmisión de datos sobre el segundo bus de interfaz periférica en serie al segundo dispositivo de control desde el tercer dispositivo de control,

en donde el tercer dispositivo de control está dispuesto para activar la segunda señal de selección de chip en el mismo punto de tiempo dentro de cada período de modulación de PWM para el motor eléctrico, y

en donde el segundo dispositivo de control está dispuesto para usar la temporización de la primera señal de selección de chip y de la segunda señal de selección de chip para determinar una corrección de temporización para permitir que el tercer dispositivo de control sincronice la operación del tercer componente con la operación del primer componente.

4. Un sistema de control de acuerdo con la reivindicación 3, en donde el segundo dispositivo de control está dispuesto para transmitir la corrección de temporización al tercer dispositivo de control sobre el segundo bus periférico en serie.