IT202100026357A1

IT202100026357A1 - Metodo per l’avviamento e il controllo di un motore brushless monofase

Info

Publication number: IT202100026357A1
Application number: IT102021000026357A
Authority: IT
Inventors: Lorenzo Nava; Giuseppe Borrello
Original assignee: Fise Spa
Priority date: 2021-10-15
Filing date: 2021-10-15
Publication date: 2022-01-15

Description

DESCRIZIONE

dell?Invenzione Industriale avente per titolo:

?METODO PER L?AVVIAMENTO E IL CONTROLLO DI UN MOTORE BRUSHLESS MONOFASE?

CAMPO TECNICO

La presente invenzione si riferisce a un metodo di avviamento e di controllo per motori brushless, monofase, senza retroazione, con circuito magnetico tale da consentire la rotazione in una direzione predefinita.

STATO DELL?ARTE

I motori brushless monofase sono ampiamente utilizzati in applicazioni di bassa coppia e bassa potenza come piccole pompe, ventilatori e asciugacapelli. Avere un senso di rotazione unico e predefinito ? un?esigenza di queste applicazioni. Generalmente, un motore brushless monofase usa sensori ad effetto Hall e/o sensori ottici che permettono di conoscere la posizione del rotore; conoscendo la posizione del rotore ? possibile commutare le fasi in sincronia con la posizione del rotore, in modo tale che il rotore giri nel senso di rotazione desiderato.

L?utilizzo di sensori di posizione porta ai seguenti svantaggi: riduzione dell?affidabilit? del sistema, che ? soggetto a disturbi; sensibilit? alle alte temperature; malfunzionamento dei componenti; aumento del costo dei materiali; aumento dei costi di produzione; impossibilit? di invertire i contatti di alimentazione del motore; aumento dei tempi e costi di sviluppo di algoritmi di controllo.

Oltretutto, l?uso di sensori ? intrusivo per quel che riguarda la costruzione meccanica del motore, visto che le caratteristiche meccaniche del motore devono essere modificate per alloggiare il sensore, in genere rendendo la costruzione pi? ingombrante.

Negli ultimi anni si ? investito per trovare modi alternativi per far ruotare motori brushless monofase in una direzione predefinita senza l?utilizzo di sensori di posizione.

Per superare queste problematiche, alcune soluzioni della tecnica nota propongono la lettura della B-EMF (forza controelettromotrice) del motore, che cambia in base alla posizione e alla velocit? di rotazione del rotore (vedi US20130234640A1, JPH10257792A e TW202010236A). Queste soluzioni richiedono altri componenti in aggiunta al sistema, cio? comparatori, per la retroazione di tensione e/o corrente.

Le tecniche che fanno uso della B-EMF, risolvono i problemi legati all?accoppiamento scheda-motore, i problemi di ingombro, e riducono una parte dei costi della componentistica, ma risolvono solamente in parte il problema dell?affidabilit?; si ha un segnale da gestire, soggetto a disturbi, possibili problematiche termiche, malfunzionamento dei componenti e impossibilit? di energizzare le bobine del motore al massimo della capacit? della tensione, dato che per una frazione di tempo non viene applicata tensione sul motore per la lettura della B-EMF. Un altro fattore a svantaggio di questi metodi sono i ritardi nella lettura della B-EMF e i ritardi introdotti dall?esecuzione di algoritmi che determinano il posizionamento del rotore. L?implementazione di questi algoritmi richiede dei microprocessori con velocit? di calcolo pi? elevata, quindi pi? costosi, e tempi di sviluppo degli algoritmi di grande importanza rispetto all?implementazione della tecnica qui descritta.

Un?altra soluzione (US7242160) propone un traferro asimmetrico, in modo che quando lo statore viene polarizzato, fermato in posizione e poi rilasciato, la coppia di cogging causi un?inerzia di rotazione che spinga il rotore a ruotare nel senso di rotazione predefinito. In primo luogo, per l?avviamento, questa soluzione fa ruotare il rotore sfruttando la coppia di cogging e non lo sfasamento tra le posizioni di polarizzazione a corrente positiva e a corrente negativa. In secondo luogo, la soluzione controlla il motore sfruttando la lettura della B-EMF, quindi il controllo ? ad anello chiuso: con retroazione.

DESCRIZIONE DELL?INVENZIONE

Scopo quindi della presente invenzione ? quello di risolvere i problemi menzionati nello STATO DELL?ARTE, introducendo un metodo senza retroazione destinato al controllo e all?avviamento di motori brushless monofase i quali siano dotati di circuito magnetico particolare, cio?, tale da consentire la rotazione in una direzione predefinita.

? quindi oggetto di questa invenzione, un metodo, che consiste in ci? che segue: fornire a un motore brushless monofase un impulso di corrente per un breve periodo di tempo; invertire il senso della corrente sul motore, in modo che il motore giri nel senso di rotazione prestabilito, senza la necessit? di un controllo in retroazione; commutare continuamente il verso della corrente sugli avvolgimenti, per far s? che il motore continui a girare nel senso di rotazione prestabilito.

Il metodo di avviamento senza retroazione, qui descritto, adatto per motori brushless monofase costituiti da statore, rotore, avvolgimenti di statore, e caratterizzato da un circuito magnetico tale da permettergli un funzionamento con rotazione in una direzione predefinita, comprende i seguenti passaggi:

P01: eccitare gli avvolgimenti di statore con un impulso di corrente tale da portare il rotore in posizione stabile di polarizzazione, per poi eseguire P02;

P02: eccitare gli avvolgimenti di statore con un impulso di corrente nel verso opposto a quello applicato in P01, in modo che il motore giri nel senso di rotazione predefinito, per poi eseguire P03;

P03: eccitare gli avvolgimenti di statore con un impulso di corrente nel verso opposto a quello applicato in P02, in modo che il motore giri nel senso di rotazione predefinito, per poi eseguire P02.

Durante la fase di accelerazione, i passaggi P02 e P03 vanno ripetuti ciclicamente con dei periodi decrescenti, tale che il motore, con il suo carico, riesca a ruotare in sincronia con la commutazione.

Per far s? che il motore giri con un moto rotazionale continuo nel senso di rotazione prestabilito, i passaggi P02 e P03 vanno ripetuti ciclicamente. La frequenza di commutazione, ovvero il ripetersi dei passaggi P02 e P03, deve essere in funzione della velocit? di rotazione richiesta e del numero di coppie polari del motore.

Il senso di rotazione, orario o antiorario, ? determinato dal tipo di circuito magnetico del motore.

L?impulso di corrente per eccitare gli avvolgimenti in fase di posizionamento (P01), viene tarato per ogni tipo di motore in modo tale da avere: intensit? di corrente sufficiente a portare il rotore in una delle posizioni di polarizzazione e fermare il rotore in posizione stabile; durata dell?impulso di corrente sufficiente a portare il rotore in posizione di polarizzazione e fermare il rotore in posizione stabile.

L?impulso di corrente per eccitare gli avvolgimenti in fase di commutazione (P02 e P03), viene tarato per ogni tipo di motore in modo tale da avere: intensit? di corrente sufficiente a ruotare il rotore nel senso di rotazione prestabilito; durata dell?impulso di corrente sufficiente a portare il rotore oltre l?angolo di stallo. Per angolo di stallo si intende l?angolo limite per cui se viene invertita la polarit?, il motore gira nel senso di rotazione opposto a quello prestabilito: se si inverte la polarit? dello statore dopo l?angolo di stallo, il motore girer? nel senso di rotazione opposto a quello prestabilito; se si inverte la polarit? dello statore prima dell?angolo di stallo, il motore girer? nel senso di rotazione prestabilito.

Nella fase di posizionamento (P01), il senso di rotazione che porta il motore da una delle posizioni di riposo (da una delle posizioni stabili del cogging) a una delle posizioni di polarizzazione, non influenza il senso di rotazione in fase di commutazione (P02 e P03).

L?impulso di corrente per eccitare gli avvolgimenti pu? essere controllato da un microcontrollore.

DESCRIZIONE DEI DISEGNI

La presente invenzione verr? ora descritta con riferimento ai disegni allegati:

FIG. 1(a), 1(b), 1(c), 1(d), rappresentano, come ? gi? noto nella tecnica attuale, quattro costruzioni di statore; rispettivamente, uno statore con i denti dei poli asimmetrici che inducono un?asimmetria di traferro, uno statore con riluttanza asimmetrica sui denti mediante un foro su uno degli estremi di ogni dente, uno statore con un numero di spire diverso tra i denti, e uno statore simmetrico. In FIG.

1(a), osservando L1 e L2, si nota l?asimmetria di traferro, ovvero che L2 ? maggiore di L1. In FIG. 1(b), l'asimmetria ? introdotta nello statore mediante un foro su ogni dente, in figura il foro ? rappresentato da B; questi fori portano a una riluttanza asimmetrica lungo il dente. In FIG. 1(c), l'asimmetria ? raggiunta mediante un numero diverso di spire per ogni dente, nel caso della figura, N1 rappresenta il dente con meno spire e N2 il dente con pi? spire.

FIG. 2(a) ? il grafico della coppia sul motore quando polarizzato, al variare dell?angolo di statore rispetto al rotore, per un motore con asimmetria di traferro, come quello in FIG. 1(a). L'angolo rappresentato in FIG. 2(a) ? positivo in senso antiorario, con i riferimenti secondo FIG. 7(a).

FIG. 2(b) ? il grafico della coppia della coppia sul motore quando polarizzato al variare dell?angolo di statore rispetto al rotore, per un motore simmetrico, come quello in FIG. 1(d). L'angolo rappresentato in FIG. 2(b) ? positivo in senso antiorario, con i riferimenti secondo FIG. 7(b).

FIG. 3(a), 3(b), 3(c), 3(d), rappresentano le posizioni stabili date dalla coppia di cogging nel caso di un motore con traferro asimmetrico, come quello in FIG. 1(a). Queste posizioni sono date quando gli avvolgimenti del motore non sono eccitati, ovvero non ? applicata nessuna corrente.

FIG. 4(a), 4(b), 4(c), 4(d), rappresentano le posizioni stabili di polarizzazione nel caso di un motore con traferro asimmetrico, come quello in FIG. 1(a). La corrente applicata al motore nelle figure in questione ? di intensit? tale da generare uno sfasamento sufficientemente grande da ruotare il rotore nella direzione predefinita quando si passa alla fase di commutazione (P02 e P03). Nelle FIG. 4(a) e FIG.

4(c), lo statore ? polarizzato con corrente negativa. Nelle FIG. 4(b) e 4(d), lo statore ? polarizzato con corrente positiva.

FIG. 5 rappresenta un confronto della coppia sul motore in funzione dell?angolo del rotore rispetto allo statore, con corrente positiva e corrente negativa, tra un motore con asimmetria di traferro e un motore simmetrico. Pi? specificamente, FIG. 5(a) ? la relazione tra coppia e angolo di rotore rispetto allo statore, di un motore con traferro asimmetrico, con corrente positiva e negativa. FIG. 5(b) ? la relazione tra coppia e angolo di rotore rispetto allo statore, di un motore con traferro simmetrico, con corrente positiva e negativa. In FIG. 5(a), il motore ? come in FIG.

1(a). In FIG 5(b), il motore ? come in FIG. 1(d). I riferimenti degli angoli sono come in FIG. 7(a) per FIG.

5(a) e come in FIG. 7(b) per FIG. 5(b).

FIG. 6 mostra tre curve: la curva della coppia risultante in caso di corrente positiva, la curva della coppia risultante in caso di corrente negativa, e la curva della coppia in caso di corrente nulla, ovvero la coppia di cogging. Le curve della coppia sono tutte in funzione dell?angolo di rotore rispetto allo statore secondo i riferimenti in FIG. 7(a), con motore a traferro asimmetrico, come quello presentato in FIG. 1(a). Nella figura vengono indicate: le posizioni angolari di stabilit? in assenza di corrente, ovvero le posizioni date dal cogging (?C1, ?C2, ?C3 e ?C4, in dettaglio in FIG. 3); le posizioni di stabilit? in caso di statore polarizzato con corrente negativa (?P1, ?P3, in dettaglio in FIG. 4); le posizioni di stabilit? in caso di statore polarizzato con corrente positiva (?P2, ?P4, in dettaglio in FIG. 4); le posizioni angolari di stallo (?S1, ?S2, ?S3, ?S4); i punti di coppia chiave per le fasi di posizionamento e commutazione (TC1,I, TC1,-I, TP1,I, TC2,I, TC2,-

I, TP2,-I, TC4,-I, TP4,-I).

FIG. 7(a) e FIG. 7(b), rappresentano, rispettivamente, un motore con traferro asimmetrico e un motore con traferro simmetrico. FIG. 7(a) e FIG. 7(b) risaltano la posizione del rotore rispetto allo statore, rappresentata da alfa, e lo zero di riferimento. Le due figure qui descritte sono utili per capire i grafici delle figure FIG. 2, FIG. 5, FIG. 6, FIG. 10, FIG. 13, FIG. 14, che possiedono gli stessi riferimenti e la stessa crescita angolare di alfa.

FIG. 8 rappresenta il diagramma di flusso di una possibile implementazione di controllo secondo le tecniche qui descritte, utilizzando il circuito in FIG. 11. L'esempio della figura ? a scopo dimostrativo e non limitativo: i valori da utilizzare variano a seconda del risultato e delle prestazioni che si vogliono ottenere e si ottengono empiricamente. P01 rappresenta la fase di blocco, qui implementata mediante l'attivazione dei transistor S1 e S4 con un Duty Cycle del 50%, per 300 millisecondi. Si suppone che in questo esempio, l?intensit? e il periodo dell?impulso bastano per assestare il rotore in posizione di polarizzazione. Finita la fase di posizionamento, inizia la fase di commutazione, ovvero, si susseguono le fasi P02 e P03, con una frequenza di 20 Hertz. Nel susseguirsi dei passaggi P02 e P03, vengono attivati, rispettivamente, i transistor S2/S3 e S1/S4, con un Duty Cycle del 80%. Il tempo che trascorre tra i passaggi P02 e P03, e, P03 e P02, ? di 50 millisecondi, data una velocit? di rotazione di 10 Hertz e un motore a due coppie polari.

FIG. 9(a) rappresenta un esempio non limitativo di uno schema a blocchi del sistema di controllo del metodo secondo questo brevetto, ossia privo di feedback. FIG. 9(b) rappresenta uno schema a blocchi del sistema di controllo secondo la tecnica nota, ossia un sistema di controllo con retroazione.

FIG. 10 presenta tre diagrammi, FIG. 10(a), FIG. 10(b) e FIG. 10(c), che mostrano le curve della coppia sul motore in funzione della posizione angolare del rotore a tre correnti diverse, con i riferimenti come in FIG. 7(a). Le curve sono frutto della corrente applicata su un motore con asimmetria di traferro, come in FIG. 1(a). In FIG. 10(b) viene applicata una corrente due volte pi? grande di quella applicata in FIG. 10(a). In FIG. 10(c) viene applicata una corrente quattro volte pi? grande di quella applicata in FIG. 10(a). Come si pu? notare, l?angolo tra le intersezioni delle curve di coppia con l?asse delle ascisse diminuisce all?aumentare della corrente: ??1 > ??2 > ??3.

FIG. 11 rappresenta un esempio non limitativo di uno schema semplificato del circuito atto a pilotare il motore. Nella figura si notano: un generatore di tensione in corrente alternata (A1); un circuito che raddrizza, filtra e stabilizza la tensione (F1); quattro transistor in topologia ?ponte ad H? (S1) (S2) (S3) (S4); un motore brushless monofase (M1); un regolatore di tensione per l?alimentazione del microcontrollore (R1); un microcontrollore (?1).

FIG. 12 rappresenta il metodo di avviamento e di controllo secondo questo brevetto, implementato tramite la modulazione della tensione con un PWM, come rappresentato dalla figura FIG. 8, utilizzando il circuito in FIG. 11. La fase di posizionamento (P01) dura T1 (300 millisecondi) e viene applicato un duty cycle di 50%. La fase di commutazione (P02, P03) avviene immediatamente dopo la fase di posizionamento (P01), senza pause. Prima si esegue P02 e poi P03, dove viene invertita la polarit? dello statore. Nel caso specifico, nella fase di commutazione (P02, P03), viene applicato un Duty Cycle di 80% e la frequenza di commutazione ? di 20 Hz; dato che il motore ha due coppie polari, questo girer? a 10 Hz.

FIG. 13(a) si riferisce a uno statore con asimmetria di traferro, come quello rappresentato in FIG. 1(a), dove vengono rappresentate, in maniera semplificata, le linee di flusso del campo magnetico e le corrispondenti polarit? magnetiche di ogni dente, quando lo statore ? polarizzato con corrente negativa. L?intenzione della figura ? quella di chiarire la polarit? dei singoli denti di statore quando lo statore ? polarizzato con corrente negativa.

FIG. 13(b) si riferisce a uno statore con asimmetria di traferro, come quello rappresentato in FIG. 1(a), dove vengono rappresentate, in maniera semplificata, le linee di flusso del campo magnetico e le corrispondenti polarit? magnetiche di ogni dente, quando lo statore ? polarizzato con corrente positiva. L?intenzione della figura ? quella di chiarire la polarit? dei singoli denti di statore quando lo statore ? polarizzato con corrente positiva.

DESCRIZIONE DETTAGLIATA DELLE FORME DI ATTUAZIONE PREFERITE DELL?INVENZIONE

Il circuito magnetico del motore tale da consentire la rotazione in una direzione predefinita, solitamente presenta delle asimmetrie di statore. Alcuni esempi di asimmetria di statore che possono portare a un senso di rotazione predefinito del rotore sono: (a) poli con traferro variabile, come visto in US7242160; (b) poli con asimmetria di riluttanza; (c) poli con numero di spire asimmetrico, ovvero poli con un numero diverso di spire tra di loro. Questi circuiti hanno una particolarit?: il punto nullo di coppia quando polarizzato con corrente positiva ? sfasato rispetto al punto nullo di coppia quando polarizzato con corrente negativa, come lo si pu? notare in FIG. 5(a); il fenomeno si nota con pi? evidenza in FIG. 10, dove si pu? osservare lo sfasamento al variare della corrente. Quando si polarizza il motore per un periodo di tempo sufficientemente grande, poi immediatamente si inverte la polarizzazione, il motore non potr? che girare nel senso di rotazione predefinito, visto lo sfasamento tra le posizioni di polarizzazione a corrente positiva e a corrente negativa e le coppie che portano il rotore a ruotare sempre nella direzione predefinita, a patto che i tempi di commutazione siano adeguati e non portino il motore in stallo.

Nella presente sezione, il metodo di avviamento e controllo ? descritto utilizzando come esempio un motore brushless monofase a quattro poli (due coppie polari), sia di rotore che di statore, con traferro asimmetrico, come quello in FIG. 1(a). Il metodo di avviamento e controllo qui descritto non ? limitativo alla tipologia di motore usata come esempio.

Se un motore monofase ha un sensore, ad esempio un sensore ad effetto Hall, che ? in grado di identificare la polarizzazione del polo del rotore, il motore pu? essere pilotato in funzione della polarizzazione identificata dal sensore e, in base a questo, si impone il senso di rotazione. Ma, se un motore brushless monofase ? a controllo sensorless, allora particolari metodi per l?avviamento e il controllo devono essere utilizzati affinch? il motore possa girare nel senso di rotazione desiderato. Indipendentemente se il controllo fa uso o meno di retroazione, dopo che un motore brushless monofase incomincia a ruotare nel senso di rotazione predefinito, basta commutare la corrente sugli avvolgimenti del motore secondo velocit? impostata, che il rotore continuer? a girare nello stesso senso di rotazione. Quindi, la parte fondamentale dell?invenzione qui descritta ? quella di avviare il motore nel senso di rotazione predefinito; il controllo, una volta avviato il motore nel senso di rotazione desiderato, non ha bisogno di retroazione per continuare il moto rotazionale nel senso di rotazione desiderato.

Il metodo di controllo qui descritto consiste in tre passaggi principali: la fase di posizionamento (P01), che porta il rotore da una delle posizioni stabili di FIG. 3 a una delle posizioni di polarizzazione di FIG. 4; la prima commutazione (P02), dove, invertendo il verso della corrente, con rotore ancora in posizione di polarizzazione di P01, porta il motore a girare nel senso di rotazione prestabilito; la successiva commutazione (P03), che inverte la polarit? dello statore rispetto a P02 in modo da continuare la rotazione del motore nel senso di rotazione prestabilito. I passaggi P02 e P03 vanno ripetuti ciclicamente, in modo che il motore continui a girare nel senso di rotazione prestabilito.

Le due possibili posizioni di polarizzazione con impulso di corrente positiva sono rappresentate nelle FIG.

4(a) e 4(c).

Le due possibili posizioni di polarizzazione con impulso di corrente negativa sono rappresentate nelle FIG.

4(b) e 4(d).

Per la fase di posizionamento (P01), si pu? applicare un impulso di corrente positivo, ipotizzando come condizione di partenza il motore a riposo, con gli avvolgimenti dello statore non eccitati, in una delle posizioni iniziali determinate dal fenomeno che i tecnici definiscono ?cogging? (in una delle posizioni iniziali di FIG. 3).

Se il rotore si trova come in FIG. 3(a) e viene applicato un impulso negativo, questo girer? in senso antiorario per raggiungere, la posizione di polarizzazione in FIG. 4(a).

Se il rotore si trova come in FIG. 3(b) e viene applicato un impulso negativo, questo girer? in senso orario per raggiungere, la posizione di polarizzazione in FIG. 4(a).

Se il rotore si trova come in FIG. 3(c) e viene applicato un impulso negativo, questo girer? in senso antiorario per raggiungere la posizione di polarizzazione in FIG. 4(c).

Se il rotore si trova come in FIG. 3(d) e viene applicato un impulso negativo, questo girer? in senso orario per raggiungere la posizione di polarizzazione in FIG. 4(c).

Se il rotore si trova come in FIG. 3(a) e viene applicato un impulso positivo, questo girer? in senso orario per raggiungere, la posizione di polarizzazione in FIG. 4(d).

Se il rotore si trova come in FIG. 3(b) e viene applicato un impulso positivo, questo girer? in senso antiorario per raggiungere, la posizione di polarizzazione in FIG. 4(b).

Se il rotore si trova come in FIG. 3(c) e viene applicato un impulso positivo, questo girer? in senso orario per raggiungere la posizione di polarizzazione in FIG. 4(b).

Se il rotore si trova come in FIG. 3(d) e viene applicato un impulso positivo, questo girer? in senso antiorario per raggiungere la posizione di polarizzazione in FIG. 4(d).

Nella fase iniziale di posizionamento, il senso di rotazione ? indifferente visto che il motore resta fermo in posizione di polarizzazione.

A seguire verr? descritto il principio di funzionamento del metodo di avviamento secondo questo brevetto, ovvero che invertendo la polarizzazione del motore (P02) quando il rotore ? ancora in posizione di polarizzazione inversa (P01), il rotore girer? sempre nel senso di rotazione prestabilito, a patto che ci sia lo sfasamento evidenziato in FIG. 10, e che l?intensit? e i tempi dell?impulso di corrente siano adeguati.

Si supponga che nella fase di commutazione (P02), dopo la fase posizionamento (P01) eseguita con impulso di corrente positivo, si applichi sugli avvolgimenti di statore un impulso di corrente negativo, ovvero di polarit? opposta rispetto alla fase di posizionamento (P01). Considerando che il rotore sia ancora in una delle posizioni di polarizzazione quando l?impulso di corrente era positivo, come in FIG. 4(b) o FIG. 4(d), il motore girer? obbligatoriamente in senso orario quando applicato l?impulso di corrente negativo.

Si supponga che nella fase di commutazione (P02), dopo la fase posizionamento (P01) eseguita con impulso di corrente negativo, si applichi sugli avvolgimenti di statore un impulso di corrente positivo, ovvero di polarit? opposta rispetto alla fase di posizionamento (P01). Considerando che il rotore sia ancora in una delle posizioni di polarizzazione quando l?impulso di corrente era negativo, come in FIG. 4(b) o FIG. 4(d), il motore girer? obbligatoriamente in senso orario quando applicato l?impulso positivo.

Nei passaggi sopra descritti, si nota che indipendentemente dalla polarit? della corrente applicata nella fase di posizionamento (P01), il comportamento resta invariato: il motore girer? sempre nel senso di rotazione prestabilito.

Per proseguire con il moto di rotazione, la commutazione va ripetuta continuamente, con la frequenza di commutazione dettata dalla velocit? con cui si vuole che giri il motore.

Di seguito, il principio di funzionamento del metodo della presente invenzione verr? spiegato ulteriormente in funzione dello sfasamento del rotore rispetto allo statore, prendendo come riferimento il motore in FIG. 7(a): ? ? l?angolo del rotore rispetto allo statore avente come riferimento l?origine (0?); ? cresce in senso antiorario e decresce in senso orario.

Supponendo che il rotore sia come in FIG. 3(a), quindi con ? pari a ?C1. Se il rotore viene polarizzato con corrente negativa, dalla FIG. 6 si deduce una coppia TC1,-I, che spinge il rotore in senso antiorario. Il rotore ruoter? fino alla posizione di polarizzazione ?P1, dove la coppia ? nulla. Dalla FIG. 6 si nota che la posizione di polarizzazione ?P1 non ? a 90?, ma ? leggermente sfasata, data l?asimmetria di traferro. Supponendo ora di polarizzare il rotore con un impulso di corrente positivo, con rotore ancora in posizione ?P1, dalla FIG. 6 si nota che, con l?impulso di corrente positivo, la coppia con il rotore ancora in posizione ?P1 non ? pi? nulla, ma ? TP1,I ed essa agisce in senso orario, facendo girare il rotore nel detto senso di rotazione predefinito. Per proseguire con il moto rotazionale nel senso predefinito, basta continuare a commutare opportunamente la corrente e il rotore continuer? a ruotare nel senso predefinito. Il funzionamento ? identico quando il rotore ? nella posizione iniziale come in FIG. 3(c) e vengono applicati gli stessi impulsi di corrente sugli avvolgimenti dello statore.

Supponendo che il rotore sia come in FIG. 3(b), quindi con un angolo ? pari a ?C2. Se il rotore viene polarizzato con corrente negativa, dalla FIG. 6 si deduce una coppia TC2,-

I, che spinge il rotore in senso orario. Il rotore ruoter? fino alla posizione di polarizzazione ?P1, dove la coppia TP1,-I ? nulla. Si supponga ora di polarizzare il rotore con un impulso di corrente positivo, con rotore ancora in posizione ?P1, dalla FIG. 6 si nota che con un impulso di corrente positivo, la coppia con il rotore ancora in posizione ?P1 non ? pi? nulla, ma ? TP1,I e agisce in senso orario, facendo girare il rotore nel detto senso di rotazione predefinito. Per proseguire con il moto rotazionale nel senso predefinito, basta continuare a commutare opportunamente la corrente e il rotore continuer? a ruotare nel senso predefinito. Il funzionamento ? identico quando il rotore ? nella posizione iniziale come in FIG. 3(d) e vengono applicati gli stessi impulsi di corrente sugli avvolgimenti dello statore.

Supponendo che il rotore sia come in FIG. 3(a), quindi con ? pari a ?C1. Se il rotore viene polarizzato con corrente positiva, dalla FIG. 6 si deduce una coppia TC1,I, che spinge il rotore in senso orario. Il rotore ruoter? fino alla posizione di polarizzazione ?P4, dove la coppia ? nulla. Dalla FIG. 6 si nota che la posizione di polarizzazione ?P4 non ? a 0?, ma ? leggermente sfasata, data l?asimmetria di traferro. Supponendo ora di polarizzare il rotore con un impulso di corrente negativo, con rotore ancora in posizione ?P4, dalla FIG. 6 si nota che, con l?impulso di corrente negativo, la coppia con il rotore ancora in posizione ?P4 non ? pi? nulla, ma ? TP4,-I ed essa agisce in senso orario, facendo girare il rotore nel detto senso di rotazione predefinito. Per proseguire con il moto rotazionale nel senso predefinito, basta continuare a commutare opportunamente la corrente e il rotore continuer? a ruotare nel senso predefinito. Il funzionamento ? identico quando il rotore ? nella posizione iniziale come in FIG. 3(c) e vengono applicati gli stessi impulsi.

Supponendo che il rotore sia come in FIG. 3(b), quindi con un angolo ? pari a ?C2. Se il rotore viene polarizzato con corrente positiva, dalla FIG. 6 si deduce una coppia TC2,I, che spinge il rotore in senso antiorario. Il rotore ruoter? fino alla posizione di polarizzazione ?P2, dove la coppia TP2,I ? nulla. Dalla FIG. 6 si nota che la posizione di polarizzazione ?P2non ? a 180?, ma ? leggermente sfasata, data l?asimmetria di traferro. Si supponga ora di polarizzare il rotore con un impulso di corrente negativo, con rotore ancora in posizione ?P2, dalla FIG. 6 si nota che con un impulso di corrente negativo, la coppia con il rotore ancora in posizione ?P2non ? pi? nulla, ma ? TP2,-I e agisce in senso orario, facendo girare il rotore nel detto senso di rotazione predefinito. Per proseguire con il moto rotazionale nel senso predefinito, basta continuare a commutare opportunamente la corrente e il rotore continuer? a ruotare nel senso predefinito. Il funzionamento ? identico quando il rotore ? nella posizione iniziale come in FIG. 3(d) e vengono applicati gli stessi impulsi.

Un fattore critico per il corretto funzionamento del motore in fase di commutazione ? che ad ogni inversione di polarit? il rotore deve superare l?angolo di stallo. Per capire meglio il fenomeno, si supponga che il rotore si trovi in posizione di polarizzazione ?P2, di FIG. 6, e che sugli avvolgimenti venga applicato un impulso negativo; il rotore inizier? a ruotare in senso orario. Se la polarizzazione viene invertita prima che il rotore raggiunga l?angolo di stallo ?S2 e l?inerzia di rotazione in senso orario sul rotore non ? grande abbastanza, il rotore comincer? a ruotare in senso antiorario. Normalmente, quando avviene questo fenomeno, ovvero che la durata dell?impulso ? troppo breve da sorpassare l?angolo di stallo e l?inerzia ? relativamente piccola, il motore invertir? il senso di rotazione, quindi comincer? a vibrare perch? non ? in grado di sorpassare l?angolo di stallo.

Nella fase di posizionamento (P01), l?impulso di corrente va dimensionato empiricamente in base al tempo di posizionamento che si vuole ottenere. Una maggiore corrente nella fase di posizionamento porta il rotore in posizione di polarizzazione pi? velocemente, ma una velocit? maggiore comporta anche una quantit? di moto maggiore per il rotore, quindi si verificher? una maggiore oscillazione attorno alla posizione di polarizzazione rispetto alla polarizzazione con un impulso di corrente pi? basso. Se il rotore sta oscillando attorno alla posizione di polarizzazione e il rotore supera l?angolo di stallo durante l?oscillazione, questo girer? nel senso di rotazione opposto al senso di rotazione prestabilito. Quindi, una corrente relativamente alta potrebbe portare ad un'incertezza sul senso di rotazione.

Un altro fattore da prendere in considerazione quando si dimensiona l?impulso di corrente, ? lo sfasamento tra le intersezioni delle posizioni angolari di polarizzazione con correnti opposte e i punti di coppia nulla, come in FIG. 10, che diminuisce all?aumentare della corrente.

Per controllare la tensione, che si traduce in corrente sul motore, si possono usare dei circuiti di controllo come quello rappresentato in FIG. 11, che comprendono: un motore brushless monofase asimmetrico (M1); un microcontrollore (?1); quattro transistor in topologia ?ponte ad H? (S1, S2, S3, S4); un generatore di tensione (A1); un circuito di raddrizzamento e stabilizzazione della tensione (F1); un circuito che fornisce l?alimentazione (R1) al microcontrollore.

Con l?utilizzo di un microcontrollore la corrente pu? essere modulata tramite un PWM (Pulse Width Modulation), dove l?intensit? della corrente viene definita tramite il Duty Cycle.

Un esempio del metodo di avviamento e controllo qui descritti, implementati con l?uso di un circuito come in FIG. 11, si trova in FIG. 12. Nella figura si nota la fase di posizionamento (P02) e la fase di commutazione (P02 e P03), implementate con PWM a frequenza fissa. La fase di posizionamento (P01) ? stata implementata con un Duty Cycle di 50% per un tempo di 300 millisecondi (T1), in modo tale da posizionare il rotore in posizione di polarizzazione stabile. Quando la fase di posizionamento (P01) ? stata completata, si inverte la polarizzazione del rotore (P02), ovvero si inverte il verso della corrente, in modo che il motore giri nel senso prestabilito. Perch? il motore continui a ruotare, la commutazione (P02 e P03) deve essere continua a seconda della velocit? di rotazione e del numero di poli del motore. Per controllare la velocit? del motore, anche in fase di accelerazione, va regolata empiricamente la frequenza di commutazione della polarizzazione dei poli di statore (conseguenza del verso della corrente sugli avvolgimenti). Nel caso dell?esempio in FIG. 12, la fase di commutazione avviene con frequenza di commutazione fissa a 20 Herz e un Duty Cycle fisso impostato a 80%.

L?invenzione ? stata descritta in termini quali migliori metodi per l?attuazione della stessa, ma l?invenzione non ? limitata dalle attuazioni qui descritte.

Le illustrazioni e spiegazioni qui descritte non vanno prese come esempi limitativi, ma come esempi esplicativi.

Claims

RIVENDICAZIONI

1. Metodo per l?avviamento di motori brushless monofase (BLDCM) asimmetrici, comprendenti uno statore, un rotore e avvolgimenti di statore, caratterizzato dal fatto che il metodo comprende i seguenti passaggi:

- (P01): Polarizzazione dei detti avvolgimenti con un impulso di corrente con il quale viene portato il detto rotore in posizione di polarizzazione, per poi passare al passaggio P02, descritto di seguito;

- (P02): Inversione della corrente sugli avvolgimenti rispetto al passaggio P01, in modo tale che il rotore ruoti nel senso di rotazione richiesto, per poi passare al passaggio P03, descritto di seguito;

- (P03): Inversione della corrente sugli avvolgimenti rispetto al passaggio P02, in modo tale che il rotore ruoti nel senso di rotazione richiesto, per poi passare al passaggio P02, descritto precedentemente;

2. Metodo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che le correnti vengono controllate da un microcontrollore.

3. Metodo secondo la rivendicazione 1 e 2, caratterizzato dal fatto che il senso di rotazione del motore pu? essere sia orario che antiorario.

4. Metodo secondo la rivendicazione 1, 2 e 3, caratterizzato dal fatto che le correnti descritte possono essere ottenute utilizzando tensioni elettriche il cui valore pu? essere parzializzato in intensit? e durata.

5. Metodo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che l?impulso di corrente nella fase di posizionamento (P01) pu? essere sia negativo che positivo.

6. Metodo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che il rotore, in fase di posizionamento (P01) pu? oscillare attorno alla posizione di polarizzazione.

7. Metodo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che la tensione viene fatta commutare con una frequenza fissa o variabile con intensit? fissa o variabile.