ITMI20011586A1

ITMI20011586A1 - Dispositivo atto alla rilevazione della posizione di motori privi di sensore

Info

Publication number: ITMI20011586A1
Application number: IT2001MI001586A
Authority: IT
Inventors: Martin Kessler; Ulrich Frank
Original assignee: Bosch Gmbh Robert
Priority date: 2000-07-26
Filing date: 2001-07-24
Publication date: 2003-01-24
Also published as: US20020085838A1; DE10036413B4; ITMI20011586A0; US6859000B2; DE10036413A1

Description

Descrizione

Ambito tecnico

Nelle macchine elettriche, come gli elettromotori, per esempio i motori a corrente continua privi di spazzole, che non contengono alcun sensore aggiuntivo per la rilevazione della posizione del rotore, viene analizzata la tensione inversa di griglia UEMK dell'avvolgimento del motore, indotta dalla forza elettromotorica (EMK). La posizione attuale del rotore del motore a corrente continua privo di spazzole può essere determinata attraverso i passaggi per lo zero della tensione alternata UEMK. Nel caso di motori a corrente continua privi di spazzole, con più fasi, ai fini dell'individuazione della posizione del rotore vengono analizzate per lo più le tensioni inverse di griglia indotte di più fasi.

Stato dell'arte

I motori a corrente continua privi di spazzole sono di norma equipaggiati con più fasi, nelle quali le tensioni inverse di griglia di volta in volta indotte possono essere utilizzate per l'individuazione della posizione attuale di rotazione del rotore dell'elettromotore. Ci si serve allo scopo di demoltiplicatori, con i quali viene selezionata la fase di volta in volta da scegliere in relazione alla loro tensione inversa di griglia indotta. Per mezzo di un comparatore viene successivamente individuato il loro rispettivo passaggio per lo zero.

Ai fine di armonizzare la tensione inversa di griglia, di volta in volta indotta, della fase selezionata all'intervallo di sincronismo di ingresso del comparatore vengono utilizzati divisori di tensione. Ciascun divisore di tensione utilizzato presenta il medesimo rapporto di divisione. Oltre all'utilizzo di divisori di tensione aventi identici rapporti di divisione si è tentato di equipaggiare demoltiplicatori con transistori a bipolo nel ramo longitudinale. Con l'ausilio di un rispettivo transistore longitudinale la fase di volta in volta selezionata viene collegata con il comparatore. Dato che sui transitori longitudinali, per ciascuna fase, va a cadere una tensione non più trascurabile, ai fini della compensazione nel ramo di riferimento, in transitori bipolari qui previsti, viene parimenti generata una caduta di tensione. Svantaggioso in questa soluzione è il fatto che tolleranze dei componenti ed influenze della temperatura possono allontanare l'una dall'altra le cadute di tensione generate in misura tale per cui lo sfasamento da ciò risultante può avere influenza sulla potenza e sul rendimento del motore a corrente continua privo di spazzole .

Oltre a ciò, la soluzione, implicante l'impiego di transistori longitudinali nei rami longitudinali, è affetta dall'inconveniente che i transitori longitudinali qui previsti presentano capacità parassite. Nel caso di un pilotaggio sincronizzato dei transitori dello stadio finale, anche in presenza di transistore di volta in volta bloccato, attraverso queste capacità punte di tensione vengono portate dalla fase sull'ingresso del comparatore. A ciò si accompagna il fatto che la distanza della tensione perturbatrice sul comparatore viene nettamente ridotta, per cui in caso di basso numero di giri del motore a corrente continua privo di spazzole la tensione inversa di griglia indotta si porta nello spettro di perturbazione e non è più possibile alcuna analisi dei segnali della tensione di ingresso sul comparatore.

Anziché transitori bipolari, che possono essere installati tanto nel ramo di riferimento, come anche in ciascuna fase, possono essere utilizzati anche transitori ad effetto di campo MOS. Utilizzando i transitori ad effetto di campo, per il tempo della selezione della fase di volta in volta da analizzare la caduta della tensione sul transistore ad effetto di campo è trascurabilmente piccola, ciò che tuttavia viene annullato dall'inconveniente che, nel caso dei transitori ad effetto di campo, si osservano capacità parassite nettamente più grandi rispetto all'utilizzo di transitori bipolari. Quanto maggiori sono le capacità parassite tanto minore diventa la distanza della tensione perturbatrice sul lato di ingresso del comparatore. In seguito a ciò, quando si utilizzano transitori ad effetto di campo nel circuito analizzatore, piccoli numeri di giri del motore a corrente continua privo di spazzole non possono parimenti essere più individuati nello spettro perturbatore sussistente, per cui viene ancora intensificata la problematica menzionata in relazione all'utilizzo di transitori bipolari.

Nel caso di un'altra possibilità dì soluzione ai fini del rilevamento della posizione attuale del rotore di un motore a corrente continua privo di spazzole, privo di sensori, si è tentato di implementare le fasi da analizzare attraverso una concatenazione OPPURE per mezzo di diodi. Tramite transitori, di volta in volta anteposti ai diodi, tutte le fasi non selezionate vengono schermate, cosicché solamente una fase può essere portata sul lato di ingresso del comparatore. Viene in seguito a ciò minimizzato, tramite capacità parassite, l'insorgere di punte di tensione di una fase, come quelle che possono verificarsi quando si utilizzano transitori bipolari, oppure anche transitori ad effetto di campo, conformemente alle citazioni di cui sopra. Il difetto dell'utilizzo di diodi sta nel fatto che le cadute di tensione nei percorsi longitudinali di volta in volta da analizzare possono essere ancora più elevate rispetto alla già menzionata caduta di tensione, rispettivamente al deciso allontanarsi l'una dall'altra delle cadute di tensione per effetto delle tolleranze dei componenti e della temperatura, rispetto all 'utilizzo di transitori bipolari nel circuito analizzatore.

Esposizione dell'invenzione

Con la combinazione proposta conformemente all'invenzione di demoltiplicatori e di comparatori possono essere soddisfatti, oltre alle condizioni marginali già indicate della minimizzazione dei costi e degli ingombri, le altre esigenze che seguono. Ciascuna fase da analizzare di un motore a corrente continua privo di spazzole è equipaggiata da un lato con resistenze, ai fini della protezione contro punte di tensione; dall'altro lato, in ciascuna fase da analizzare del motore a corrente continua privo di. spazzole è compreso un elemento fungente da transistore. Per mezzo dell'elemento fungente da transistore, che può essere realizzato sotto forma di transistore bipolare oppure sotto forma di transistore ad effetto di campo (FET), per il tempo non selezionato, vale a dire durante l'intervallo di tempo nel corso del quale la fase in questione giusto non viene analizzata ai fini del rilevamento della posizione del rotore, punte di tensione possono essere scaricate per il fatto che in ciascuna fase i transitori sono collegati sul potenziale di riferimento. In seguito a ciò si è sicuri che punte di tensione, rispettivamente perturbazioni, verificantesi nelle fasi giusto non analizzate, si scarichino sulla fase che in quel momento è occupata nell'analisi e che pregiudichino il risultato dell'analisi.

Ciascuna fase di un motore a corrente continua privo di spazzole è dotata di un componente fungente da comparatore. La concatenazione OPPURE ha luogo solo dopo la comparazione della tensione di fase in questione con la tensione di comparazione. In maniera vantaggiosa è in seguito a ciò possibile dare luogo ad una rinuncia a componenti nel percorso longitudinale, cosicché nel percorso longitudinale non viene generata alcuna caduta di tensione. Ciò comporta da parte sua il vantaggio che è possibile rinunciare anche ad una caduta di tensione nel ramo di riferimento utilizzato ai fini della comparazione. Ciò consente un dimensionamento sostanzialmente più favorevole economicamente del circuito analizzatore.

In qualità di ulteriore vantaggio del dispositivo proposto conformemente all'invenzione, atto alla rilevazione della posizione del rotore di un motore a corrente continua privo di sensori, privo di spazzole, è possibile realizzare con il dispositivo proposto conformemente all'invenzione una maggiore distanza tra le tensioni perturbatrici. Anche tensioni modeste possono essere analizzate in modo affidabile con il dispositivo proposto conformemente all'invenzione per ciascuna fase, cosicché può completamente essere omesso un circuito di protezione atto a limitare le sovratensioni, come quello che era necessario per esempio nel caso della soluzione con diodi. Ciò implica da un lato una strutturazione più semplice del circuito, dall'altro lato è possibile in seguito a ciò risparmiare componenti elettronici.

L'invenzione viene in appresso descritta in modo più dettagliato in relazione al disegno.

Qui fanno vedere:

figura 1 lo schema circuitale di principio atto alla rilevazione in assenza di sensori della posizione con divisori di tensione di volta in volta associati alle tensioni inverse di griglia indotte, i quali sono collegati in comune sull'ingresso di un elemento del comparatore,

figura 2 un circuito di demoltiplicazione, con transitori longitudinali che sono disposti nelle fasi di volta in volta da analizzare, parimenti collegati in comune sull 'ingresso di un elemento del comparatore ,

figura 3 un demoltiplicatore con diodi che sono disposti nel ramo di riferimento, nonché nelle tratte di fase di volta in volta da analizzare e che sono collegati in comune sull 'ingresso di un componente fungente da comparatore , e

figura 4 un demoltiplicatore con ramo di riferimento e quattro fasi da analizzare, rappresentate a titolo esemplificativo, laddove a ciascuna fase da analizzare è associato un separato componente fungente da comparatore.

Varianti realizzative

Dalla rappresentazione di cui alla figura 1 si evince una combinazione demoltiplicatore/comparatore. Questa viene adottata in corrispondenza delle fasi di volta in volta da analizzare di un motore a corrente continua, privo di spazzole, laddove con il contrassegno 1 è rappresentata la polarità di una fonte di tensione. Nelle fasi di volta in volta da analizzare, per esempio di un motore a corrente continua privo di spazzole, sono riprodotte induttanze 2 che di volta in volta inducono tensioni inverse di griglia alternate 3. I passaggi per lo zero delle tensioni alternate 3 possono essere analizzati ai fini dell'individuazione della posizione del rotore di un motore a corrente continua privo di sensori, privo di spazzole. Dalla rappresentazione di cui alla figura 1 si evince che le resistenze 4, 5, 6 e 7 formano di volta in volta, assieme alla resistenza 8, un primo divisore di tensione 9, e la resistenza 10 con la resistenza 11 rappresenta un secondo divisore di tensione 12. I due divisori di tensione 9, rispettivamente 12 presentano lo stesso rapporto di divisione, al fine di armonizzare le tensioni inverse di griglia indotte 3, nelle fasi di volta in volta da analizzare del motore a corrente continua privo di spazzole, privo di sensori, all'intervallo di sincronismo di ingresso del componente fungente da comparatore 14. Sul componente fungente da comparatore 14 con il contrassegno 15 sono contrassegnati gli impulsi della tensione di comando che di volta in volta vanno applicati, mentre con il contrassegno 13 è contrassegnato il lato di ingresso contemplante gli ingressi 1 e 2 del componente fungente da comparatore 14. Sul lato di uscita viene prelevata, in corrispondenza del componente fungente da comparatore 14 di cui alla figura 1, la tensione di uscita UA.

Dalla rappresentazione di cui alla figura 2 si evince un demoltiplicatore con transitori longitudinali di volta in volta previsti nelle tratte delle fasi.

Con il contrassegno 1 è di nuovo contrassegnata la fonte di tensione, laddove nella rappresentazione di cui alla figura 2 è riprodotta in modo completo una fase da analizzare, mentre le altre fasi da analizzare sono indicate solo schematicamente. Anche nel caso di questa configurazione di cui allo stato dell'arte tutte le fasi sono collegate su un componente fungente da comparatore 14, in comune in tutte le fasi, in corrispondenza del cui lato di uscita, contrassegnato con il contrassegno 16, può essere prelevata la tensione di uscita UA. La fase di volta in volta da analizzare viene selezionata con l'ausilio di un transistore longitudinale 17 e collegata con il lato di ingresso 13 del componente fungente da comparatore 14. Nella tratta della fase di volta in volta da analizzare, in corrispondenza del transistore longitudinale 17, cade una tensione non trascurabile, cosicché ai fini della compensazione di questa nel ramo di riferimento 18 viene parimenti generata una caduta di tensione tramite un componente fungente da transistore longitudinale, qui previsto. Nel caso della soluzione di cui alla figura 2 svantaggioso è il fatto che tolleranze del componente ed influenze della temperatura possono spingere l'una via dall'altra le generate cadute di tensione nella fase di volta in volta da analizzare, nonché nel ramo di riferimento, al punto che lo sfasamento da ciò risultante può avere un'influenza considerevole sulla potenza e sul rendimento del motore a corrente continua privo di sensori, privo di spazzole. Le capacità parassite dei transitori 17 non sono inoltre da trascurare. Nel caso di un pilotaggio sincronizzato dei transitori dello stadio finale 19 (si veda la figura 1), anche nel caso di componenti del transistore 17, rispettivamente 19 bloccati, attraverso queste capacità punte di tensione possono pervenire dalla fase al lato di ingesso 13 del componente fungente da comparatore 14. L'effetto che si viene a creare è una riduzione della distanza tra le tensioni perturbatrici, per cui le tensioni inverse di griglia 3 indotte nel caso di piccoli numeri di giri si portano nello spettro perturbatore e non è più possibile un'esatta rilevazione della posizione del rotore del motore a corrente continua privo di sensori, privo di spazzole.

Dalla rappresentazione di cui alla figura 3 si evince in modo più dettagliato una disposizione di demoltiplicatori con diodi, tanto nel ramo di riferimento come anche nelle fasi di volta da analizzare del motore a corrente continua privo di sensori, privo di spazzole.

Anche nel caso di questa disposizione di cui allo stato dell'arte tutti i diodi e tutti i tratti delle fasi da analizzare sono collegati in comune sul lato di ingresso di un componente fungente da comparatore 14. Sul lato di uscita, in corrispondenza del componente fungente da comparatore 14, viene prelevata la tensione di uscita 16 UA. Tanto nel ramo di riferimento 21, come anche nelle tratte delle fasi di volta in volta da analizzare sono integrati gli elementi fungenti da diodo 22. Oltre a ciò, le singole tratte delle fasi della disposizione di demoltiplicatori sono collegate, conformemente alla rappresentazione di cui alla figura 3, con diodi Z, per cui è realizzato un circuito di protezione atto a limitare le sovratensioni. Nel caso di questa configurazione le cadute di tensione che si vengono a creare nei percorsi longitudinali sono considerevoli. L'influenza delle tolleranze dei componenti e l'influenza della temperatura hanno in proposito un peso ancora maggiore di quanto avviene nel caso della soluzione di cui alla figura 2, nella quale componenti fungenti da transistore 17 sono integrati nelle tratte delle fasi di volta in volta da analizzare .

Nella figura 4 è invece rappresentata più nel dettaglio la configurazione proposta conformemente all'invenzione. Con il contrassegno 1 è contrassegnata la fonte di tensione, la cui tensione è applicata in una tratta di fase 23, disegnata in modo completo, di un motore a corrente continua privo di sensori, privo di spazzole. Le altre tratte di fase 23 rappresentate - qui nell'esempio 4 - sono riprodotte in modo solamente schematico. Attraverso le induttanze 2, di volta in volta previste nelle tratte di fase 23, vengono indotte tensioni alternate 3, i cui passaggi per lo zero vengono individuati con il dispositivo proposto conformemente all'invenzione per la rilevazione della posizione del rotore di un motore a corrente continua. Nel ramo di riferimento 24 sono integrate due resistenze 6, rispettivamente 7, laddove la tensione che regna nel ramo di riferimento 24 è applicata sul lato di ingresso, in corrispondenza di ciascun ingresso di un componente fungente da comparatore 14. La disposizione di demoltiplicatori, che si evince dalla figura 4, si differenzia dalle disposizioni di demoltiplicatori già discusse, di cui alle figure 1, 2 e 3, per il fatto che a ciascuna delle tratte di fase 23 da analizzare di un motore a corrente continua privo di spazzole, privo di sensori, è associato un separato componente fungente da comparatore 14. Le uscite dei quattro componenti fungenti da comparatore 14 indipendenti, proposti conformemente all'invenzione, sono collegate in comune su un'uscita 16, in corrispondenza della quale può essere prelevata la tensione di uscita.

Ciascuna delle fasi 23 da analizzare di un motore a corrente continua contempla un proprio componente fungente da comparatore 14 indipendente, sul quale, con contrassegni 15, sono riprodotti i rispettivi ingressi 15 della tensione di comando, mentre con contrassegni 13 è indicato il lato di ingresso del componente fungente da comparatore 14. La concatenazione OPPURE dei valori di tensione ha luogo soltanto dopo la comparazione della tensione, nelle singole fasi 23 da analizzare, con la tensione di confronto, che regna nel ramo di riferimento 24. In maniera vantaggiosa è in seguito a ciò possibile rinunciare a componenti nel percorso longitudinale del demoltiplicatore, cosicché non viene generata alcuna aggiuntiva caduta di tensione. Dato che ciascuna delle fasi 23 da analizzare contempla un componente a transistore 17, un transistore longitudinale, oppure anche un transistore bipolare, che durante il tempo non selezionato commuta l'ingresso del comparatore sul potenziale di riferimento, possono essere tenute lontane punte di tensione ed altre perturbazioni dal lato di ingresso 13 dei componenti fungenti da comparatore 14, che sono previsti nella rispettiva tratta di fase 23 da analizzare. Per effetto di questa soluzione è garantita una distanza assai elevata tra le tensioni perturbatrici, cosicché anche nel caso di tensioni inverse di griglia 3 indotte, in presenza di piccoli numeri di giri del motore a corrente continua privo di sensori, privo di spazzole, si trovano al di fuori dello spettro perturbante, cosicché i passaggi per lo zero della tensione alternata possono essere individuati in modo affidabile ed anche nel caso di piccoli numeri di giri è possibile conseguire una rilevazione precisa della posizione del rotore del motore a corrente continua.

Circuiti di protezione atti a limitare le sovratensioni, come quelli che sono previsti a titolo di esempio nel caso della configurazione del demoltiplicatore di cui alla figura 2, sotto forma di un diodo Z per ciascuna tratta, possono essere del tutto omessi nel caso della disposizione di demoltiplicatori secondo l'invenzione, conforme alla rappresentazione di cui alla figura 4.

Con la configurazione di cui alla figura 4, oltre ai requisiti di costi minimi, nonché di un minimo fabbisogno di spazio, possono essere anche soddisfatte esigenze quali l'immunità della disposizione demoltiplicatore-componente fungente da comparatore nei confronti di punte di tensione ed altre perturbazioni che si vengono a creare durante il tempo non selezionato. La disposizione fungente da demoltiplicatore proposta conformemente all'invenzione è immune, tanto per quanto concerne il funzionamento, come anche per quanto concerne le specifiche dei componenti, cosicché sono escluse cadute di tensione con effetto di allontanamento, che a titolo di esempio si producono con la disposizione fungente da demoltiplicatore rappresentata nella figura 2 e che possono portare a sfasamenti all'atto del funzionamento della macchina elettrica. Sono inoltre escluse efficacemente falsificazioni delle tratte di fase 23 di volta in volta da analizzare nei confronti di tensioni 3, per effetto di tolleranze dei componenti ed influenze della temperatura, dal punto di vista dell'ampiezza del Offset conseguibile della posizione della fase, nonché dell'andamento nel tempo. La configurazione di un demoltiplicatore, che si evince dalla figura 4 e va associata a ciascuna tratta di fase 23 di un separato componente fungente da comparatore 15, richiede oltre a ciò una bassa corrente di riposo. Ingressi ed uscite sono dotati di basse capacità, cosicché, unitamente a resistenze di sorgente scelte con una resistenza elevata, non può verificarsi alcun rilevante sfasamento.

Nel caso della configurazione di una disposizione demoltiplicatrice che si evince dalla figura 4 i componenti fungenti da transistore 17 utilizzati possono essere o transistori bipolari, transistori ad effetto di campo, oppure anche transistori longitudinali che, in ciascuna delle tratte di fase 23 di volta in volta da analizzare, sono disposti a valle della coppia di resistenze 4, rispettivamente 5. Sul lato di ingresso i componenti fungenti da comparatore 14, che sono pilotati tramite gli ingressi 15 della tensione di comando, sono collegati tanto con la tensione che cade nel ramo di riferimento 24, come anche nella tratta di fase 23 del motore a corrente continua privo di sensori, privo di spazzole, posta di volta in volta lato-ingresso sul separato componente fungente da comparatore 14.

Legenda

1 fonte di tensione

2 induttanza

3 tensione inversa di griglia indotta

4 resistenza R1

5 resistenza R2

6 resistenza R3

7 resistenza R4

8 resistenza R5

9 primo divisore di tensione

10 resistenza R6

11 resistenza R7

12 secondo divisore di tensione

13 lato di ingresso

14 componente fungente da comparatore

15 ingressi della tensione di comando

16 tensione sull'uscita

17 transistore longitudinale per ciascuna fase 18 ramo di riferimento (transistore)

19 transistore dello stadio finale

20 transistore ad effetto di campo (MOSFET)

21 ramo di riferimento (diodi)

22 diodi

23 tratta di fase

24 ramo di riferimento

Claims

Rivendicazioni 1.- Dispositivo atto alla rilevazione della posizione in motori a corrente continua privi di sensori, nel quale, attraverso induttanze (2) disposte nelle rispettive fasi, tensioni alternate UEMK vengono indotte nell'avvolgimento del motore e nelle tratte di fase (23) da analizzare ai fini dell'individuazione della posizione del rotore del motore a corrente continua privo di sensori, si trovano resistenze (4,5), caratterizzato dal fatto che a ciascuna tratta di fase (23) da analizzare è associato un componente fungente da comparatore (15). 2.- Dispositivo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che la comparazione tra la rispettiva tensione della fase (23) da pilotare e la tensione nel ramo di riferimento (24) ha luogo prima della concatenazione OPPURE dei valori di tensione. 3.- Dispositivo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che, durante l'analisi di una delle tratte di fase (23), le tratte di fase (23) non selezionate sono poste su un potenziale di riferimento con un elemento fungente da transistore (17). 4.- Dispositivo secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che in qualità di elemento fungente da transistore (17) vengono utilizzati un transistore longitudinale oppure un transistore ad effetto di campo (FET). 5.- Dispositivo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che in ciascuna tratta di fase (23) del motore a corrente continua, privo di sensori, sono contenuti un elemento fungente da transistore (17), nonché resistenze (4,5) generanti una caduta della tensione. 6.- Dispositivo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che i componenti fungenti da comparatore (14) sono collegati lato-uscita su un'uscita in comune (16).