IT9021751A1 - Stimatore di coppia per macchine a riluttanza commutata. - Google Patents

Description

DESCRIZIONE dell’invenzione industriale

La presente invenzione riguarda in generale controllo per macchine a riluttanza commutate. Più particolarmente, la presente invenzione riguarda un apparato per determinare indirettamente l’uscita di coppia elettromagnetica di una macchina a riluttanza commutata.

Una macchina a riluttanza commutata (SRM) è una macchina sincrona senza spazzole avente poli salienti di rotore e di statore. C’è un avvolgimento concentrato su ciascuno dei poli di statore, ma nessun avvolgimento o magneti permanenti sul rotore. Ciascuna coppia di avvolgimenti di poli di statore diametralmente opposti è collegata in serie o in parallelo per formare un indipendente avvolgimento di fase di macchina dell'SRM multifase. Idealmente, il flusso entrante nel rotore da un polo di statore bilancia il flusso che lascia il rotore dal polo diametralmente opposto dello statore, in modo che non c’è accoppiamento magnetico reciproco tra le fasi.

Si produce una coppia mediante corrente di commutazione in ciascun avvolgimento di fase in una predeterminata sequenza che è sincronizzata con la posizione angolare del rotore. In questo modo, risulta una forza magnetica di attrazione tra i poli del rotore e i poli dello statore che si avvicinano tra di loro. La corrente viene interrotta in ciascuna fase prima che i poli di rotore più vicini ai poli di statore di quella fase passino oltre la posizione allineata; altrimenti, la forza magnetica di attrazione produrrebbe una coppia negativa o di frenamento. In un SRM la direzione di coppia è indipendente dal senso della corrente. Perciò, al contrario della maggior parte di altre macchine senza spazzole che richiedono correnti di fase bidirezionali, un invertitore di potenza per SRM può essere configurato per consentire un passaggio di corrente in solo un'unica direzione attraverso un avvolgimento di fase. Tale invertitore impiega generalmente uno o più dispositivi di commutazione, come transistori o tiristori in serie con ciascun avvolgimento di fase della macchina. Vantaggiosamente, questa tipologia di circuito di convertitore impedisce percorso di corrente di "attraversamento". Esempi di convertitori per- SRM sono illustrati nel brevetto USA 4.684.867, ceduto al medesimo titolare concesso a T.J.E. Miller il 4 Agosto 1987, il quale si considera qui incorporato per riferimento.

Un SRM funziona commutando le correnti di fase di macchina in accensione e spegnimento in sincronismo con la posizione di rotore. Cioè, posizionando opportunamente gli impulsi di accensione rispetto all'angolo di rotore, si può ottenere un funzionamento in avanti o all’indietro e operazione di motore o di generatore, di solito, la desiderata commutazione di corrente di fase è ottenuta riportando indietro il segnale di posizione di rotore ad un controllore mediante un trasduttore di angolo di albero, per esempio un codificatore o convertitore di coordinate polari.

Svantaggiosamente, un SRM tipicamente mostra un numero maggiore di pulsazioni di coppia rispetto a macchine a corrente alternata. Le pulsazioni di coppia sono una sorgente di rumore acustico nella macchina, che può portare a risonanze meccaniche in un sistema SRM. Quindi, è desiderabile appianare la coppia generata da un SRM. A questo scopo, è desiderabile avere la capacità in un sistema elettronico di azionamento di motore di misurare la coppia che viene prodotta allo scopo di ottenere un controllo di coppia a maglia chiusa.

Di conseguenza, uno scopo della presente invenzione è di realizzare un apparato per determinare un’uscita istantanea di coppia elettromagnetica di un SRM, in modo che opportune regolazioni di corrente di fase possano essere fatte allo scopo di ridurre o eliminare pulsazioni di coppia.

Un altro scopo della presente invenzione è di realizzare un metodo e un apparato per determinare indirettamente un’uscita istantanea di coppia di un SRM utilizzando misure di corrente istantanea di fase e di posizione angolare di rotore.

I precedenti e altri scopi sono ottenuti in un perfezionato apparato per stimare uscita di coppia elettromagnetica di un SRM. In una realizzazione della presente invenzione, si usa una tavola di consultazione a memoria di sola lettura (ROM) per memorizzare dati di coppia in funzione della posizione angolare del rotore per particolari valori della corrente di fase per ciascuna fase del motore. Segnali rivelati di corrente di fase e di posizione di motore vengono digitalizzati e combinati a formare un indirizzo della corrispondente ROM che fornisce una stima della coppia generata dalla fase corrispondente. I segnali di coppia di fase stimata per ciascuna fase vengono addizionati assieme allo scopo di produrre una stima della coppia totale che viene generata dal SRM. Una conoscenza della coppia che viene generata in ogni istante consente una regolazione corretta delle correnti di fase per ridurre o elminare pulsazioni di coppia.

In una realizzazione alternativa, si usa una singola ROM per memorizzare dati di coppia in funzione della posizione angolare di rotore e della corrente rappresentativi di una fase di macchina. Si usa un multiplessatore per introdurre dati di coppia per ciascuna fase.

Vantaggiosamente, questa alternativa richiede meno memoria della realizzazione precedente; tuttavia, è necessario un più grande circuito logico. Le caratteristiche e i pregi della presente invenzione 'diventeranno evidenti dalla seguente descrizione dettagliata dell’invenzione quando letta assieme con gli allegati disegni, nei quali:

la figura 1 è un'illustrazione schematica di un convenzionale circuito di pilotaggio di SRM;

la figura 2 illustra graficamente il profilo idealizzato di induttanza in funzione della posizione angolare di rotore per una coppia di poli di statore di un tipico SRM e le corrispondenti correnti di fase di statore idealizzate per modi di funzionamento come motore e come generatore;

la figura 3 è un’illustrazione grafica di coppia in funzione della posizione angolare per un SRM a correnti di fase I0, I1,... IN;

la figura 4 è uno schema a blocchi di un apparato utile per stimare un’uscita di coppia di SRM secondo una realizzazione delia presente invenzione;

la figura 3 è uno schema a blocchi di un apparato utile per stimare l’uscita di coppia di un SRM secondo una realizzazione alternativa della presente invenzione.

La figura 1 mostra una convenzionale configurazione di azionamento di macchina a riluttanza commutata. Come esempio, l'SRM 10 è illustrato come una macchina trifase con il suo associato invertitore di potenza 12. Come mostrato, l’SRM 10 contiene un rotore 14 ruotabile in avanti o all’indietro entro uno statore fisso 16. Il rotore 14 ha due coppie di poli di rotore diametralmente opposti 18a-18b e 20a-20b. Lo statore 16 ha tre coppie di poli di statore diametralmente opposti 22a-22b, 24a-24b e 26a-26b. Degli avvolgimenti di poli di statore 28a-28b, 30a-30b e 32a-32b, rispettivamente, sono avvolti sulle coppie di poli di statore 22a-22b, 24a-24b e 26a-26b, rispettivamente. Convenzionalmente, gli avvolgimenti di poli di statore su ciascuna coppia di poli di statore opposti o compagni sono collegati in serie o in parallelo per formare un avvolgimento di fase di macchina. Come illustrato in figura 1, gli avvolgimenti di poli di statore comprendenti ciascuna coppia compagna 28a-28b, 30a-30b e 32a-32b, rispettivamente, sono collegati in serie tra di loro e con un dispositivo superiore di commutazione di corrente 33, 34 e 35, rispettivamente e con un dispositivo inferiore di commutazione di corrente 36, 37 e 38 rispettivamente. I dispositivi di commutazione superiori e inferiori comprendono ciascuno un transistore bipolare a comando isolato (IGT), ma si possono usare altri adatti dispositivi commutatori di corrente, per esempio, transistori ad effetto di campo (FET), tiristori ad elettrodo di spegnimento (GTO), o transitori bipolari a giunzione (BJT). Ciascun avvolgimento di fase è inoltre collegato ad una sorgente di corrente continua, come una batteria o una sorgente di corrente alternata raddrizzata, mediante diodi di scorrimento o di ritorno 45 e 42, 46 e 43 e 47 e 44, rispettivamente. Alla fine di ciascun intervallo di conduzione di ciascuna fase, l'energia magnetica immagazzinata nei rispettivi avvolgimenti di fase viene riportata, attraverso la rispettiva coppia di questi diodi collegati al medesimo, alla sorgente di corrente continua. Ciascuna combinazione in serie degli avvolgimenti di fase con due corrispondenti dispositivi di commutazione e due diodi di scorrimento forma un ramo di fase dell’invertitore 12. I rami di fase dellinvertitore sono collegati in parallelo tra di loro e vengono azionati dalla sorgente di corrente continua, che applica una tensione continua ai capi dei rami di fase in parallelo di invertitore. Una capacità 40 viene impiegata per filtrare tensioni transitorie dalla sorgente di corrente continua e per fornire corrènte di ondulazione allinvertitore.

Tipicamente, come mostrato in figura 1, un trasduttore di angolo di fase 48, per esempio un codificatore o un convertitore di coordinate polari, è accoppiato al rotore 14 per fornire segnali di reazione di angolo di rotore a mezzi di controllo 50 della macchina. Un comando di operatore, come un comando di coppia, viene pure fornito generalmente come segnale di ingresso ai mezzi di controllo 50. Dei segnali di reazione di corrente di fase vengono forniti a un sistema 51 di regolazione di corrente che riceve segnali di reazione di corrente di fase IA, IB e IC da rivelatori di corrente mostrati in figura 1 come resistori 52, 54 e 56. Altri opportuni rivelatori di corrente sono noti nella tecnica, come: rivelatori di corrente di corrente ad effetto Hall; trasformatori rivelatori, e transitori rivelatori di corrente, come quelli venduti sotto il marchio SENSEFET dalla Motorola Corporation, o quelli venduti sotto il marchio HEXESense dalla International Rectifier.

Addizionalmente, dei mezzi di controllo 50 forniscono una forma d’onda di corrente di riferimento comandata ai mezzi di regolazione di corrente 51 che devono essere qui avanti descritti. In modo noto, come descritto nel brevetto USA No. 4.739.240, ceduto al presente titolare e concesso a S.R. MacMinn e P.M. Szczsney il 19 Aprile 1988, il quale viene qui incorporato per riferimento, i mezzi di controllo forniscono un segnale di accensione aH’inveritore 12 per eccitare gli avvolgimenti di fase della macchina in una sequenza predeterminata. Dei mezzi di regolazione di corrente 51 controllano tipicamente il valore della corrente di fase per parzializzazione della corrente di banda di isteresi. In un azionatore di SRM impiegante due dispositivi di commutazione per fase, come mostrato in figura 1, tale schema di parzializzazione di corrente implica fornire predeterminati limiti superiori e inferiori della banda di isteresi per una forma d'onda comandata di corrente di riferimento alla quale le correnti di fase vengono paragonate continuamente. Ali'inizio di un intervallo di conduzione per una fase (cioè quando una fase è eccitata per produzione di coppia), i dispositivi di commutazione in serie con il corrispondente avvolgimento di fase sono mandati contemporaneamente in conduzione. Con entrambi i commutatori cosi’ in conduzione, la corrente dalla sorgente di corrente continua cresce nell’avvolgimento di fase fino a che viene raggiunto il limite superiore della banda di isteresi. In quel punto, i dispositivi di commutazione sono spenti. Diodi di circolazione o di ritorno collegati all’avvolgimento di fase forniscono un percorso di corrente indietro alla sorgente di corrente continua. Quando la corrente di fase diminuisce fino al limite inferiore della banda di isteresi, i dispositivi di commutazione sono ancora mandati in conduzione e il processo si ripete. Questo processo è comunemente chiamato modulazione a larghezza di impulsi (PWM) o per parzializzazione di corrente. Tale strategia di parzializzazione di corrente a banda di isteresi è descritto nel brevetto USA No. 4.739.240 qui sopra citato.

In un SRM, il valore della coppia è controllato variando il valore delle correnti di fase. La direzione di coppia è controllato variando l’applicazione degli impulsi di corrente rispetto alla posizione del rotore. A corrente costante, la coppia T generata da un SRM è data da:

dove I è la corrente di fase, L è l'induttanza di fase e Θ è l’angolo di rotore. La figura 2 mostra il profilo idealizzato 60 di induttanza di una coppia di poli di statore (per esempio fase A) rispetto ad una posizione angolare di rotore. Secondo ad essa, vengono anche illustrate rappresentazioni grafiche di correnti 62 e 64 idealizzate di fase di statore per azione di motore e di generazione rispettivamente. Se la corrente si forma mentre il rotore e lo statore sono in allineamento di avvicinamento, come illustrato dalla forma di corrente 60, allora dL/d Θ è maggiore di zero e la coppia è positiva, significando funzionamento di motore. Alternativamente, se la corrente si forma quando i poli vengono spinti via dall 'allineamento, come illustrato dalla forma di corrente 64, allora dL/d0 è minore di zero e la coppia è negativa, corrispondendo ad un’operazione di generazione o frenamento. Ad alte velocità, la forza contro elettromotrice di motore (EMF) si oppone alla salita e alla caduta di corrente della fase, rendendo necessario anticipare gli impulsi di corrente per mantenere una produzione di coppia massima. Formando gli impulsi in anticipo, si consente alla corrente di salire contro una forza contro elettromotrice inferiore e riportandola a zero in anticipo si consente alla corrente di decadere prima che il rotore sorpassi l'allineamento, impedendo perciò la produzione di una coppia di frenamento durante il funzionamento di motore.

La figura 3 illustra graficamente una coppia in funzione della posizione di rotore per un tipico SRM a correnti di fase fisse Θ I0, I1,... . IN Come prima descritto, la coppia è positiva durante il funzionamento di motore e negativa durante il funzionamento come generatore.

Secondo una realizzazione della presente invenzione, la figura 4 é uno schema semplificato funzionale a blocchi illustrante un apparato per stimare l'uscita di coppia di un SRM. Per un particolare SRM e ciascuna fase di motore, i dati rappresentanti la coppia in funzione dell’angolo e posizione del rotore per specificate correnti di fase sono memorizzati in una memoria di sola lettura (ROM) 66, 68 e 70 come tabella di consultazione. Tali dati sono di preferenza raccolti da misure o sono calcolati basandosi sulla geometria del particolare SRM. Dei convertitori da analogico a digitale (A/D) 72, 74 e 76 ricevono i segnali rivelati di corrente di fase IA, IB e IC’ rispettivamente dai rivelatori di corrente 52, 54 e 56 rispettivamente. I convertitori A/D 72, 74 e 76 digitalizzano le rispettive correnti di fase in modo da formare parte deU'indirizzo di ROM ad esse corrispondenti. L’altra parte del rispettivo indirizzo di ROM viene generato digitalizzando il segnale di posizione angolare di rotore. Il segnale di uscita di ciascuna rispettiva ROM 66, 68 e 70 rappresenta una stima della coppia rispettivamente che viene generata dal corrispondente avvolgimento di fase. Queste singole stime di coppie sono addizionate in un sommatore 78 per produrre una stima della coppia totale che viene generata dal SRM.

Il segnale di coppia totale stimata viene impiegato come segnale di reazione di coppia per un sistema di controllo in un sistema azionatore di SRM come un sistema di controllo 50 di figura 1. In particolare, il segnale di coppia stimata Te può essere usato per modulare i comandi di corrente di fase di motore alio scopo di ridurre o eliminare pulsazioni di coppia.

La figura 5 è uno schema blocchi di una realizzazione alternativa di uno stimatore di coppia di SRM secondo la presente invenzione.

Si usa una singola ROM 78 per memorizzare i dati di coppia in funzione della posizione angolare di rotore e della corrente per una fase del SRM. Ciascun segnale dì corrente di fase rivelato IA, IB e IC viene introdotto sequenzialmente durante il suo rispettivo intervallo di conduzione da un multiplessatore analogico 80. Il segnale di uscita analogico dal muitipiessatore 80 viene digitalizzato in un convertitore A/D 82. Questo segnale digitale di corrente viene combinato con il segnale di posizione angolare di rotore per formare il corrispondente indirizzo di ROM. Uno spostatore 84 di angolo di fase comprendente, per esempio, un circuito sommatore digitale di tipo noto nella tecnica, viene usato per spostare di fase ciascun segnale di posizione angolare di rotore rispetto ad un riferimento fisso di una quantità uguale a

dove Nf è il numero di poli rotore e Np è il numero di fasi di motore. In questo modo, una singola tabella di consultazione memorizzata nella ROM 78 può essere usata per fare una stima di coppia per tute le fasi di motore. Il segnale di coppia istantanea

per ciascuna fase viene fornito dalla ROM 78 ad un circuito aritmetico 86 nel quale i segnali di coppia stimati sono sommati assieme per generare una stima della coppia to iene generata dal SRM. Il segnale di coppia totale stimata viene impiegato come segnale di reazione di coppia per un sistema di controllo in un sistema di azionamento di SRM, come i mezzi di controllo 50 di figura 1. Un circuito logico 88 di controllo fonisce segnali di consenso al multiplessatore 80, allo spostatore 84 di angolo di fase e al circuito aritmetico 86. Più particolarmente, il circuito logico di controllo campiona sequenzialmente ciascuna delle correnti di fase attraverso un multiplessatore 80, sposta l'angolo di fase della sopraddetta quantità rispetto al riferimento fisso attraverso lo spostatore di fase 84 e controlla il funzionamento del circuito aritmentico 86. Di preferenza, il circuito logico di controllo 88 e il circuito aritmentico (ACC) 86 sono integrati in un complesso di porta singola.

Benché le realizzazioni preferite della presente invenzione siano state qui mostrate e descritte, sarà ovvio che tali realizzazioni sono fornite solo come esempio. Numerose variazioni, cambiamenti e sostituzioni capiteranno agli esperti nel ramo senza allontanarsi dall presente invenzione. Di conseguenza, si intende che l'invenzione sia solo limitata dallo spirito e dal campo delle seguenti rivendicazioni.

Claims (10)

1. RIVENDICAZIONI 1. Apparato per stimare l'uscita di coppia elettromagnetica di una macchina a riluttanza commutata avente almeno una fase, comprendente: mezzi rivelatori di posizione di rotore per rivelare la posizione istantanea di detto rotore e per generare un segnale di posizione di rotore rappresentante la medesima; mezzi rivelatori di corrente per rivelare la corrente istantanea di fase in ciascuna rispettiva fase di detto motore a riluttanza commutato e generare un segnale di corrente di fase rappresentante il medesimo; mezzi di tabella di consultazione di coppia sensibili a detto segnale di posizione di rotore e a ciascuno di detti segnali di corrente di fase per generare un segnale di coppia di fase corrispondente ai medesimi; mezzi per combinare ciascuno di detti segnali di coppia di fase per produrre un segnale di coppia totale.
2. 2. L’appaato di rivendicazione 1, nel quale detti mezzi di tavola di consultazione comprendono una memoria di sola lettura corrispondente a ciascuna rispettiva fase di motore, ciascuna di detta memoria di sola lettura memorizzando dati di coppia in funzione di posizione di rotore e di corrente per la corrispondente fase di detti motore a riluttanza commutati.
3. 3. L’apparato di rivendicazione 1, nel quale detti mezzi di tavola di consultazione di coppia comprendono una memoria di sola lettura per memorizzare dati di coppia in funzione della posizione di rotore e di corrente per una fase di detto motore a riluttanza commutata, detto apparato per stimare l’uscita di coppia elettromagnetica comprendendo inoltre: mezzi multiplessatori per scelgiere sequenzialmente ciascun rispettivo segnale di corrente di fase; mezzi di spostamento di angolo per spostare di fase detto segnale di posizione di rotore di una quantità predeterminata in modo che detta una fase comprenda un riferimento fisso per derivare detti segnali di coppia di fase per le rispettive fasi di motore.
4. 4. L’apparato di rivendicazione 2, comprendente inoltre mezzi per digitalizzare detto segnale di posizione di rotore e ciascuno di detti segnali di corrente di fase, i segnali digitalizzati essendo combinati per formare un indirizzo della rispettiva memoria di sola lettura.
5. 5. L’apparato di rivendicazione 3, comprendente inoltre mezzi per digitalizzare detto segnale di posizione di rotore e ciascuno di detti segnali di corrente di fase, i segnali digitalizzati essendo combinati per formare un indirizzo di detta memoria di sola lettura.
6. 6. Metodo per stimare un’uscita di coppia elettromagnetica di una macchina a riluttanza commutata, comprendente le fasi di: rivelare la posizione istantanea di detto rotore e generare un segnale di posizione di rotore rappresentante la medesima; rivelare la corrente istantanea di fase in ciascuna rispettiva fase di detto motore a riluttanza commutato e generare un segnale di corrente di fase rappresentante la medesima; fornire mezzi di tavola di consultanzione per memorizzare dati di coppia in funzione della posizione di rotore e di corrente per detto motore a riluttanza commutato; generare un segnale di coppia di fase da detti mezzi di tavola di consultazione per ciascuna rispettiva fase corrispondente a detto segnale di posizione di rotore e a detto segnale di corrente di fase; combinare detti segnali di coppia di fase per produrre un segnale di coppia totale.
7. 7. Il metodo di rivendicazione 6, nel quale la fase di fornire una tavola di consultazione comprende: memorizzare dati di coppia in funzione della posizione di rotore e della corrente per ciascuna rispettiva fase di detto motore in una separata rispettiva memoria di sola lettura.
8. 8. Il metodo di rivendicazione 6, nel quale la fase di fornire una tavola di consultazione comprende: memorizzare dati di coppia in funzione della posizione di rotore e di corrente per una fase di detto motore in una memoria di sola lettura, e detto metodo comprende inoltre utilizzare detta una fase come riferimento fisso per derivare detti segnali di coppia di fase per le rispettivé fasi di motore.
9. 9. Il metodo di rivendicazione 7, comprendente inoltre, le fasi di digitalizzare detto segnale di posizione di rotore e ciascuno di detti segnali dì corrente di fase e combinare i segnali digitalizzati per formare un indirizzo della corrispondente memoria di sola lettura.
10. 10. II metodo di rivendicazione 8, comprendente inoltre le fasi di: digitalizzare detto segnale di posizione di rotore e ciascuno di detti segnali di corrente di fase; combinare i segnali digitalizzati per formare un indirizzo di detta memoria di sola lettura; introdurre sequenzialmente ciascuno dei rispettivi segnali di corrente di fase; spostare di fase detto segnale di posizione di rotore di una quantità predeterminata in modo che detta fase comprenda un riferimento fissoi per derivare detti segnali di coppia di fase per le rispettive fasi di motore.