ITMI971621A1

ITMI971621A1 - Avvolgimento su asse in quadratura per controllo senza rivelatori di posizione angolare di rotore di un motore monofase a magneti

Info

Publication number: ITMI971621A1
Application number: IT97MI001621A
Authority: IT
Inventors: William Roy Archer; Roger Carlos Becerra; Brian Lee Beifus; Mark Aloysius Brattoli; David Marvin Erman; Thomas Merlin Jahns; Gerald Burt Kliman; Wen Liang Soong; Charles Michael Stephens; Eric Roger Benedict; Michael W Degner
Original assignee: Gen Electric
Priority date: 1996-07-15
Filing date: 1997-07-08
Publication date: 1999-01-08
Also published as: DK0820140T3; IT1293591B1; US5796194A; US5986419A; DE69725231T2; EP0820140A3; DE69725231D1; EP0820140B1; ITMI971621A0; ES2208829T3; EP0820140A2

Description

DESCRIZIONE dellinvenzione industriale

I convenzionali compressori ermetici per frigoriferi usano tipicamente motori ad induzione monofasi a velocità fìssa. Il funzionamento a velocità variabile dei motori è vantaggioso per migliorarne la resa. Convenzionali motori trifasi a magneti permanenti (PM) come quelli usati per applicazioni di riscaldamento, ventilazione e condizionamento di aria sono capaci di funzionamento a velocità variabile ma sono più costosi dei motori PM monofasi che richiedono un numero minore di commutatori a semiconduttori di potenza e associati piloti di porte.

I compressori per frigoriferi, che sono sigillati ermeticamente per impedire perdita di refrigerante, hanno parecchie esigenze per i loro azionatori a motore. La maggior parte di tali compressori sono previsti per funzionare con un senso preferito di rotazione a causa del sistema di lubrificazione passiva che di solito funziona correttamente solo in un senso. Inoltre, è stato adottato un connettore a tre spine come standard industriale per tali compressori, in modo che è vantaggioso avere un massimo di tre fili tra il motore entro il compressore e il suo controllore situato fuori dal compressore. Il motore inoltre dovrebbe avere un’affidabilità di lungo termine sotto funzionamento ad alta temperatura (tipicamente 65°C di temperatura ambiente ed essere capace di mantenere coppia di uscita e rendimento alla velocità nominale mantenendo la corrente in fase con la forza controelettromotrice .(EMF) del motore anticipando opportunamente di fase il segnale di commutazione.

I motori monofase PM richiedono un opportuno segnale di commutazione di corrente sincronizzato con la posizione del rotore per un funzionamento corretto. Nella maggior parte delle applicazioni monofasi, un rivelatore di posizione ad effetto Hall è tipicamente usato per rivelare la posizione del motore e controllare perciò il motore. Tali motori monofasi aventi rivelatore ad effetto Hall, tuttavia, generalmente richiedono un totale di cinque fili: due fili di motore e tre fili per il rivelatore ad effetto Hall (due in più del connettore sigillato standard. Inoltre, l’affidabilità di tali rivelatori nell’ambiente del compressore è incerta.

Allo scopo di evitare l’uso di un rivelatore ad effetto Hall o di altri rivelatori di posizione di rotore, sono stati sviluppati svariati schemi di controllo senza rivelatori per motori PM. Nei motori PM trifase sotto funzionamento normale, ci sono momenti in cui una fase è a circuito aperto e non ha corrente passante nella medesima. Sotto tali condizioni, la tensione ai terminali è uguale alla tensione di forza controelettromotrice e può quindi essere rivelata direttamente. I motori monofasi, tuttavia, non hanno intervalli naturali dove la corrente di fase rimane a zero per un qualsiasi periodo di tempo, e questa soluzione è perciò non applicabile.

Per motori trifasi, anche se la corrente di fase non è nulla, la tensione di forza controelettromotrice può essere calcolata modellando il motore come una resistenza, un’induttanza e una sorgente di tensione di forza controelettromotrice, come descritto da M. Jufer in “Rivelazione indiretta di forza controelettromotrice per autocommutazione di motori sincroni”, European Power Electronics Conference, 1987, pagine da 1125 a 29. Questa tecnica può anche essere applicata a motori monofasi PM ed ha il vantaggio di non richiedere ulteriori collegamenti di rivelazione. Tuttavia, per un motore PM monofase, è difficile fornire un senso di rotazione preferito controllabile. Quindi il motore può avviarsi in ogni senso, a seconda della posizione angolare iniziale del rotore. Azionatoli di ventilatori e compressori in generale sono previsti per funzionare in un solo senso di rotazione, cosicché il controllo sul senso di rotazione è critico. Inoltre, la richiesta conoscenza dei parametri di motore non è sempre disponibile ed è soggetta a variazioni di produzione e funzionamento.

Tra i parecchi scopi di questa invenzione si può notare la realizzazione di un perfezionato motore monofase e metodo di funzionamento del motore che consente di avere tre o meno fili di collegamento; la realizzazione di tale motore che consenta il funzionamento in un preferito senso di marcia in condizioni difficili; la realizzazione di tale motore e metodo che consenta di anticipare di fase di segnale di commutazione allo scopo di mantenere la coppia di uscita e la resa ad alta velocità e la realizzazione di tale motore e metodo che sia economicamente fattibile e commercialmente pratica.

Detto in breve, un motore monofase a magneti permanenti realizzanti aspetti dell’invenzione ha un rotore, uno statore e un avvolgimento di asse in quadratura posizionati per generare un segnale di uscita rappresentante la posizione angolare del rotore.

In un’altra realizzazione dell’invenzione, il motore ha un rotore, uno statore e un rivelatore di posizione. Il rivelatore di posizione genera un segnale di uscita che rappresenta la posizione angolare del rotore e che ha una relazione angolare con la forza controelettromotrice generata da un avvolgimento principale dello statore. Il motore contiene anche un circuito estimatore di commutazione sensibile al segnale di uscita per stimare gli attraversamenti dello zero della forza contro elettromotrice nell’avvolgimento principale e generare un segnale di commutazione per commutare l’avvolgimento principale dello statore in un anticipo rispetto agli attraversamenti dello zero stimati della forza controelettromotrice da un angolo θ calcolato dalla seguente formula:

dove ω è la velocità del rotore, IPEAK è la corrente di picco nell 'avvolgimento principale corrispondente ad una velocità e/o coppia desiderata del motore, L è l’induttanza del motore nell 'avvolgimento principale e Vs è la tensione ai capi dell 'avvolgimento principale.

Un’altra forma dell’invenzione riguarda un metodo di avviare un motore monofase a magneti permanenti che ha un rotore, uno statore e un avvolgimento di asse in quadratura posizionato per generare un segnale di uscita rappresentante la posizione angolare del rotore. Il metodo contiene le fasi di applicare corrente continua all 'avvolgimento principale dello statore per un periodo di tempo sufficiente ad allineare momentaneamente il rotore con lo statore e applicare nessuna corrente all’avvolgimento principale per un periodo di tempo sufficiente affinchè il rotore ritorni in una posizione in cui è nota una direzione di avviamento del rotore. Il metodo contiene anche la fase di commutare corrente all’avvolgimento principale mentre si ottiene un segnale di commutazione dall’avvolgimento dell’asse in quadratura. In un’altra forma, un metodo per avviare un motore monofase a magneti permanenti comprende applicare prima corrente continua ad un avvolgimento principale dello statore per un periodo di tempo sufficiente ad obbligare il rotore a cominciare a ruotare e quindi commutare la corrente all’ avvolgimento principale mentre si ottiene un segnale di commutazione dell’avvolgimento dell’asse in quadratura.

In ancora un’altra forma, un metodo per avviare un motore monofase a magneti permanenti contiene le fasi di applicare corrente continua ad un avvolgimento principale dello statore per un periodo di tempo sufficiente ad allineare momentaneamente il rotore con lo statore ed applicare nessuna corrente all’ avvolgimento principale per un periodo di tempo sufficiente affinchè il rotore ritorni in una posizione nella quale il senso di avviamento del rotore è noto. Il metodo contiene anche le fasi di applicare corrente continua all 'avvolgimento principale di statore per un periodo di tempo sufficiente ad obbligare il rotore a cominciare a ruotare e quindi commutare la corrente all 'avvolgimento principale mentre si ottiene un segnale di commutazione dall’ avvolgimento dell’asse in quadratura: Un’altra forma dell’invenzione è diretta ad un metodo per azionare un motore monofase che contiene un rotore, uno statore e un rivelatore di posizione. Il rivelatore di posizione genera un segnale di uscita che rappresenta una posizione angolare di rotore e che ha una relazione angolare con la forza controelettromotrice generata da un avvolgimento principale dello statore. Il metodo contiene le fasi di stimare gli attraversamenti dallo zero della forza controelettromotrice dall’avvolgimento principale come una funzione del segnale di uscita generato dal rivelatore di posizione e generare un segnale di commutazione in anticipo rispetto agli attraversamenti stimati dello zero della forza controelettromotrice per un angolo Θ calcolato dalla seguente formula:

dove co è la velocità del motore, IPEAK è la corrente di picco nell’ avvolgimento principale corrispondente ad una desiderata velocità e/o coppia del motore, L è l’induttanza del motore nell’avvolgimento principale e Vs è la tensione ai capi dell’avvolgimento principale. Infine, il metodo contiene la fase di commutare la corrente all 'avvolgimento principale in risposta al segnale di confezione.

Ancora un’altra forma dell’invenzione riguarda un metodo per azionare un motore monofase che contiene un rotore, uno statore e un rivelatore di posizione. Il rivelatore di posizione genera un segnale di uscita che rappresenta la posizione angolare del rotore e che ha una relazione angolare con la forza controelettromotrice generata da un avvolgimento principale dello statore. Il metodo contiene le fasi di applicare corrente continua all’avvolgimento principale dello statore per un periodo di tempo sufficiente ad obbligare il rotore a cominciare a ruotare, integrare il segnale di uscita generato da rivelatore di posizione e generare un primo segnale di commutazione in funzione del segnale di uscita integrato. Il metodo contiene anche la fase di stimare gli attraversamenti dello zero della forza controelettromotrice nell’avvolgimento principale come una funzione del segnale di uscita generato dal rivelatore di posizione e la fase ulteriore di generare un secondo segnale di commutazione in anticipo rispetto agli attraversamenti stimati dallo zero dalla forza controelettromotrice ad un angolo Θ calcolato dalla seguente formula:

dove ω è la velocità del rotore, IPEAK è una corrente di picco nell’ avvolgimento principale corrispondente ad una velocità e/o ad una coppia desiderata del motore, L è Γ induttanza del motore nell’ avvolgimento principale e Vs è la tensione ai capi dell'avvolgimento principale. Inoltre, il metodo contiene le fasi di commutare la corrente all' avvolgimento principale in risposta al primo segnale di commutazione quando la velocità del rotore è minore di una velocità di soglia e commutare la corrente all’avvolgimento principale in risposta al secondo segnale di commutazione quando la velocità del rotore è maggiore o uguale alla velocità di soglia. Alternativamente, l’invenzione può comprendere svariati altri sistemi e metodi.

Altri scopi e caratteristiche saranno in parte evidenti e in parte precisati qui avanti.

Le caratteristiche dell’invenzione che si credono nuove sono esposte particolarmente nelle rivendicazioni qui in fondo. L’invenzione stessa, tuttavia, come organizzazione e metodo di funzionamento, assieme con ulteriori suoi aspetti e pregi può essere meglio capita con riferimento alla seguente descrizione presa assieme con gli allegati disegni, dove numeri simili rappresentano componenti simili, in cui:

la Figura 1 è una vista dall’alto in sezione appiattita di un motore monofase a magneti permanenti (PM) avente un avvolgimento di asse in quadratura nella presente invenzione per rivelare la posizione angolare del rotore; la Figura la è una vista di un avvolgimento preavvolto su un utensile formatore;

la Figura lb è una vista in sezione dall’alto dell’equipaggiamento di una realizzazione per posizionare avvolgimenti preavvolti di asse in quadratura in cave di statore;

la Figura 1c è una vista laterale appiattita di un avvolgimento di asse in quadratura avente una struttura di bobina multipla;

la Figura 1d è una vista dall’alto di una posizione di avvolgimento di asse in quadratura in una realizzazione di avvolgimento di statore distribuito; la Figura le è una vista di una bobina di asse in quadratura fabbricata su un pannello di circuito stampato;

la Figura 1f è una vista dall’alto appiattita in sezione del pannello di circuito stampato di Figura le adiacente ad uno statore;

la Figura 1g è una vista laterale appiattita di un avvolgimento in quadratura estendentesi attraverso una pluralità di cave di statore;

la Figura 2 è uno schema illustrante ima direzione di rotazione (preferita) in avanti;

la Figura 3 è un grafico di tensione, tensione integrata e corrente di fase in funzione di tempo per il diagramma di Figura 2 illustrante un anticipo di fase elettrica e punti di commutazione della tensione dell’ avvolgimento di asse in quadratura durante funzionamento a bassa velocità;

la Figura 4 è un diagramma schematico illustrante un senso di rotazione inversa;

la Figura 5 è un grafico di tensione, tensione integrata e corrente di fase in funzione del tempo per il diagramma di Figura 4 illustrante ritardo elettrico di fase e punti di commutazione della tensione sull’avvolgimento di asse in quadratura durante il funzionamento a bassa velocità;

la Figura 6 è un grafico di tensione integrata e corrente di fase in funzione del tempo per il diagramma di Figura 2 illustrante un anticipo elettrico di fase e punti di commutazione della tensione sull’ avvolgimento dell’asse in quadratura durante il funzionamento ad alta velocità;

la Figura 7 è uno schema a blocchi di una realizzazione di un controllore di motore monofase PM della presente invenzione;

la Figura 8 è uno schema circuitale illustrante un collegamento modificato che può essere usato nella realizzazione di controllore di Figura 7.

la Figura 9 è uno schema a blocchi di uno stimatore di posizione e di velocità di avvolgimento di asse in quadratura della presente invenzione che può essere usato nella realizzazione di Figura 7;

la Figura 10 è uno schema circuitale di un filtro passivo di ritardo che può essere usato nella realizzazione di Figura 9;

la Figura 11 è un schema circuitale di un filtro passivo di anticipo e ritardo che può essere usato nella realizzazione di Figura 9;

la Figura 12 è uno schema circuitale illustrante una realizzazione per indicare i componenti elettronici per lo schema a blocchi di Figura 9;

la Figura 13 è uno schema di un ponte invertitore per azionare un motore di Figura 1;

la Figura 14 è un gruppo di esempi di diagrammi di scansione illustrante le relazioni tra la forza controelettromotrice e i segnali in quadratura di Figura lg e una preferita strategia di commutazione dell’ invenzione;

la Figura 15 è uno schema a blocchi di un preferito circuito elaboratore di segnali in quadratura secondo l’invenzione;

la Figura 16 è uno schema di un circuito azionatore di motore contenente il circuito elaboratore di segnale in quadratura di Figura 15;

la Figura 17 è un gruppo di diagrammi di scansione illustranti le relazioni tra la forza controelettromotrice e i segnali di quadratura e i segnali di corrente del motore di Figura lg e un’altra preferita strategia di commutazione dell’invenzione;

la Figura 18 è un gruppo di diagrammi di scansione esemplari illustrante le relazioni tra la forza controelettromotrice e i segnali in quadratura e i segnali di corrente del motore di Figura lg quando gli intervalli di commutazione sono minori di 180°.

La Figura 1 è una vista dall’alto appiattita in sezione di un motore monofase a magneti permanenti (PM) mostrante avvolgimenti principali 20 e un’addizionale bobina per rivelare la posizione (un avvolgimento 22 di asse in quadratura). L’avvolgimento principale e l’avvolgimento di asse in quadratura sono influenzati magneticamente dal flusso dei magneti di un rotore 10. Tuttavia, ravvolgimento in quadratura non è influenzato magneticamente dal flusso magnetico di uno statore 12. Questo consente aH’awolgimento in quadratura di rivelare la posizione di rotore senza essere influenzato dalle correnti dell’avvolgimento principale 20.

Entrambi gli avvolgimenti sono influenzati elettromagneticamente dal flusso di magneti del rotore perchè la direzione del flusso a o dal rotore dovuto a ciascun magnete di rotore 14 (rappresentata dalle linee di flusso 17 e 19) dipende dalla polarità del magnete di rotore adiacente ad una rispettiva porzione dei denti di statore 16. Per esempio, le frecce 19 sono usate per indicare porzioni dei denti di statore adiacenti ad un magnete avente polarità di tipo N (nord) mentre adiacenti frecce di direzione opposta 17 sono usate per indicare porzioni dei denti di statori adiacenti un magnete avente polarità di tipo S (sud). Perciò, quando un dente è situato in modo che porzioni differenti sono adiacenti a magneti di polarità differente, il flusso varierà con la posizione del rotore. A causa dello sfalsamento fisico tra l’avvolgimento principale e ravvolgimento dell’asse in quadratura, le variazioni di flusso magnetico e quindi le forme d’onda di tensione dei due avvolgimenti. non saranno in fase.

L’avvolgimento dell’asse in quadratura non è influenzato elettromagneticamente dal flusso dovuto all’ avvolgimento principale a causa dello sfalsamento tra gli avvolgimenti e perchè ciascuna porzione di un singolo dente 16 trasmette un flusso di statore in una direzione comune che non è influenzata dalla posizione del rotore.

In una realizzazione, lo statore 12 ha dei denti 16 aventi ciascuno tre tacche 18 e l’awolgimento 22 dell’asse in quadratura è avvolto tra le tacche centrali dei due denti ed è perciò sfasato di circa 90° elettrici rispetto all’avvolgimento principale 20 dello statore. Avvolgimenti multipli in serie (mostrati in Figura le) possono essere usati per aumentare il valore della tensione indotta nell’avvolgimento di asse di quadratura,

la Figura la è una vista di un avvolgimento 106 avvolto in asse di quadratura con conduttori 105 su un utensile formatore 100. In una realizzazione l’avvolgimento dell’asse in quadratura comprende un filo isolato, come un filo a smalto cementabile o come un filo coperto da una guaina plastica. Tale filo a smalto cementabile è disponibile in diàmetri al di sotto di 0,25 mm (0,010 pollici) in modo che un numero relativamente grande di spire può essere infilato nelle cave tra i denti senza sporgere nel traferro tra il rotore e lo statore.

L’utensile formatore può avere ima porzione intermedia 104 più alta di due porzioni laterali 102 dove i segmenti laterali 106a e 106b dell ’avvolgimento sono relativamente diritti. Prima che la bobina sia tolta dall’utensile formatore, può essere cotta a temperatura moderata, come 200°C per indurire lo smalto cementabile in modo che la bobina diventi una massa solida. A seguito di raffreddamento la bobina è una struttura relativamente rìgida autosostenente che può essere maneggiata e inserita nelle tacche dei denti. Non sono di solito richieste camicie perchè la tensione sull’avvolgimento dell’asse in quadratura è bassa. L’avvolgimento dell’asse in quadratura si estenderebbe per una breve distanza oltre i bordi dello statore prima di formare una testata in modo che non c’è pericolo che i lamierini intacchino la bobina.

Se gli avvolgimenti dell’asse in quadratura in serie sono desiderati su parecchi o tutti i denti, bobine a sezioni multiple possono essere facilmente avvolgi nell’utensile formatore mediante macchinario automatico di tipo convenzionale. Infatti, le bobine possono essere avvolte in una forma cilindrica segmentata e inserite nelle facce dei denti mediante meccanismi nella forma mostrati in Figura lb, che è una vista in sezione dall’alto dell’equipaggiamento 108 per posizionare avvolgimenti di asse in quadratura preavvolti in cave 110 dei denti di statore.

La Figura le è una vista laterale appiattita di un avvolgimento di asse in quadratura avente una struttura di bobine multiple con conduttori 26. Per esempio, i denti di statore 16, avente ciascuno tre tacche 18, sono mostrati con l’avvolgimento dell’asse di quadratura avvolto in tre sezioni di bobina 120, 122 e 124 attraverso i denti con le sezioni avvolte collegate da porzioni 121 e 123 degli avvolgimenti. La realizzazione di Figura le è utile perchè il numero di spire dell’ avvolgimento può essere aumentato oltre una realizzazione nella quale solo una sezione di bobina è presente e perciò l’ampiezza del segnale di uscita dell’avvolgimento dell’asse in quadratura può essere aumentata.

La Figura 1d è una vista dall’alto di un avvolgimento dell’asse in quadratura 132 posizionato in una realizzazione di avvolgimento distribuito di statore. Uno statore 128 ha delle cave 129 definenti dei denti in cui gli avvolgimenti principali di statore 130 sono inseriti nelle cave. L’avvolgimento dell’asse in quadratura può essere inserito nelle cave nel medesimo modo degli avvolgimenti di statore dove la scelta delle cave per inserzione è fatta in modo da creare uno sfasamento desiderato.

La Figura le è una vista della bobina dell’asse in quadratura fabbricata su un pannello flessibile 134 in circuito stampato. Questa è un’altra realizzazione utile in motori non aventi tacche sui denti di statore. Un materiale conduttore, come rame, può essere applicato ad un pannello non conduttore e inciso per formare un avvolgimento 136 con piazzole 137 e collegamenti 140 possono quindi essere attaccati. La Figura lf è una vista dall’alto appiattita in sezione del pannello di circuito stampato di Figura le adiacente ai denti di statore 138. Il pannello di circuito stampato può essere attaccato con un adesivo all’interno del foro di statore (non mostrato) o sostenuto, per esempio, usando un pezzo di prolungamento 135.

La Figura lg è una vista laterale appiattita di un avvolgimento 23 in quadratura estendetesi attraverso una pluralità dei denti di statori 16. Se l’avvolgimento in quadratura 23 che si estende attraverso ciascuno dei denti di statore. In un rispettivo statore, il segnale di uscita dell’ avvolgimento dell’asse in quadratura sarà la media sui denti di statore. Un altro pregio di questa realizzazione è che l’avvolgimento in quadratura ha più spire rispetto ad un avvolgimento a spira singola senza la necessità di una bobina a spire multiple.

La Figura 2 è uno schema illustrante un senso di rotazione in avanti (preferito) del rotore e la Figura 3 è un grafico della tensione (Ve) di forza controelettromotrice dell’avvolgimento principale, della tensione dell’awolgimento in quadratura (Vq), della tensione integrata dell’ avvolgimento in quadratura e della corrente di fase in funzione del tempo per il diagramma di Figura 2. Questo grafico illustra l’anticipo di fase in 90° elettrici e i punti di commutazione della tensione sull’ avvolgimento dell’asse in quadratura durante il funzionamento a bassa velocità.

La tensione dell’ avvolgimento dell’asse in quadratura, che è direttamente proporzionale alla velocità del rotore, è come sopra trattato, sfasata rispetto alla forza controelettromotrice dell’ avvolgimento principale, come mostrato in Figura 3. Di preferenza, il grado in cui lavvolgimento dell’asse in quadratura è fuori fase varia da 75 a 105°, dove il valore ottimo è a circa 90° elettrici. Tuttavia, l’invenzione è prevista per lavorare con qualsiasi avvolgimento dell’asse in quadratura fuori fase capace di fornire un controllo di posizione angolare del rotore nel modo qui sotto descritto. Se la fase elettrica dell’avvolgimento dell’asse in quadratura anticipa o ritarda dipende dal senso di rotazione del rotore, come trattato qui sotto.

Il controllore di motore richiede idealmente un segnale di commutazione corrispondente agli attraversamenti dello zero della forza controelettromotrice di avvolgimento principale Ve. Per ottenere la corrispondenza, l'avvolgimento dell’asse in quadratura è passato attraverso un integratore (illustrato come filtro di anticipo e ritardo, per esempio in Figura 9) che ritarda di fase il segnale. In una realizzazione, il ritardo di fase dell’integratore è di circa 90°. Quando la fase dell’ avvolgimento dell’asse in quadratura si anticipa di circa 90° e la fase dell’integratore ritarda il segnale di circa 90°, il segnale integrato diventa sostanzialmente in fase con la tensione della forza controelettromotrice dell’avvolgimento principale, come mostrato in Figura 3 e un segnale di commutazione può essere ottenuto facendo passare il segnale integrato attraverso un comparatore (mostrato in Figura 9) per rivelare gli attraversamenti dallo zero della tensione dell’ avvolgimento dell’asse in quadratura. Ciascun attraversamento dello zero rappresenta l’inizio di un cambiamento di polarità della corrente nell’ avvolgimento principale.

Gli integratori di per sè hanno guadagni inversamente proporzionali alle loro frequenze di ingresso. La tensione indotta nell’ avvolgimento dell’asse in quadratura è direttamente proporzionale alla velocità del motore e quindi alla frequenza del motore. Perciò, il segnale di uscita dell’integratore ha un’ampiezza all’incirca costante che è indipendente dalla velocità e frequenza del motore; difatti, il segnale di uscita dell’ integratore corrisponde al flusso del motore. A causa dell’ampiezza relativamente costante, gli attraversamenti dello zero possono essere rivelati facilmente su una larga gamma di velocità. La frequenza inferiore di taglio determinerà la velocità minima del funzionamento.

La Figura 4 è uno schema illustrante un senso di rotazione inversa e la Figura 5 è un grafico della tensione, della tensione integrata e della corrente di fase in funzione per lo schema di Figura 4 illustrante un ritardo elettrico di fase e un tipo di commutazione della tensione nell’ avvolgimento dell’asse in quadratura.

Se la rotazione del rotore capita in senso inverso (un senso opposto al senso preferito di stato stazionario del motore), come mostrato in Figura 5, invece di anticipare la tensione dell’avvolgimento principale di 90°, la tensione dell’avvolgimento dell’asse in quadratura ritarda di 90°. Perciò, quando la tensione è integrata, il ritardo proprio di fase dell’integratore produce un segnale di commutazione che è di 180° fuori fase rispetto alla forza controelettromotrice. Questa condizione produce una coppia frenante dato che la macchina agisce come generatore, il che obbliga il motore a rallentare. Perciò, il motore ha un solo possibile senso di rotazione di stato stazionario (in avanti), una caratteristica che è importante quando si azionano macchine come ventilatori e compressori.

Il senso preferito di rotazione può essere cambiato facilmente, se desiderato, invertendo il segnale di commutazione o invertendo la polarità dell’avvolgimento 22 di asse in quadratura o dell’avvolgimento principale 20.

Durante l'avviamento del motore, il motore può ruotare transitoriamente in senso inverso, a seconda della posizione iniziale del rotore. Se il rotore inizia effettivamente a ruotare in senso inverso, capiterà la coppia di frenatura, come sopra trattato, arrestando tale rotazione inversa. Per migliorare le caratteristiche di avviamento del rotore, una tecnica d’ora in avanti chiamata di “preallineamento” è di applicare una corrente continua all’avvolgimento principale per un breve periodo, dell’ordine di una frazione di secondo, per allineare momentaneamente il rotore e quindi, prima di commutare la corrente all’avvolgimento principale, consentire al rotore di ritornare in una posizione in cui il senso di avviamento del rotore è noto.

Un’altra tecnica d’ora in avanti chiamata “avviamento ad urto” è di applicare un impulso di corrente continua di durata fissa variabile da decine di millisecondi ad un secondo per portare il rotore in movimento e quindi passare ad un segnale di avvolgimento dell’asse in quadratura per commutazione. Il segnale di commutazione, che determina la polarità della corrente applicata al motore, è· normalmente ottenuto dalla polarità dell’integrale del segnale dell’asse in quadratura. Quando inizia, il segnale della bobina in quadratura è di bassa ampiezza e spesso disturbato. Per migliorare le caratteristiche di avviamento, il segnale di commutazione è forzato a rimanere in uno stato per un periodo fisso di decine di millisecondi fino ad un secondo durante il periodo di avviamento ad urto. Dopo questo periodo la polarità dall’integrale della tensione dell’asse in quadratura è usata per commutazione consentendo un funzionamento normale. Il periodo ottimo per l’impulso di avviamento ad urto è determinato dal motore e dall’inerzia del carico ed è meglio determinato sperimentalmente come quello che dà le prestazioni di avviamento più fidate.

Queste tecniche possono essere applicate separatamente o in combinazione. Il preallineamento è previsto per assicurare un dato senso di rotazione, mentre un impulso di avviamento ad urto è previsto per migliorare l ’ affidabilità di avviamento. Se si usano entrambi, il preallineamento è eseguito preferibilmente prima che sia applicato l’impulso ad urto.

La Figura 6 è un grafico di tensione integrata e di corrente in funzione del tempo per il diagramma di Figura 2 illustrante i punti di commutazione della tensione sull’ avvolgimento dell’asse in quadratura durante il funzionamento a velocità nominale. Durante il funzionamento a velocità nominale, è vantaggioso anticipare la fase, cioè ridurre il numero di gradi per ritardo di fase, allo scopo di mantenere in fase la tensione della forza controelettromotrice dell’avvolgimento principale e la forma d’onda della corrente di fase ed ottenere perciò una potenza di uscita massima. Il richiesto anticipo di fase per un funzionamento efficace alimenta da 0° (ritardo di fase di 90°) vicino all’arresto a tipicamente circa 35° (ritardo di fase di 55°) alla velocità nominale per motori monofasi PM ed è una funzione della velocità, della tensione di alimentazione e dell’ induttanza. La Figura 7 è uno schema a blocchi di una realizzazione di un controllore di motore monofase PM (circuito pilota) della presente invenzione che richiede solo due commutatori elettronici di potenza 40 e 42. La tecnica dell’ avvolgimento dell’asse in quadratura può anche essere applicata ad altre configurazioni del controllore monofase come un ponte ad H e configurazioni bifilari. La configurazione mostrata in Figura 2 ha un vantaggio per applicazioni di compressore dato che consente un collegamento di motore a tre fili di essere più facilmente mantenuto come descritto qui sotto. I commutatori elettronici di potenza possono comprendere commutatori come MOSFET o IGBT, per esempio.

Una linea a corrente alternata a 120 volt fornisce tensione al motore attraverso una configurazione di semiponte di diodi e condensatori come segue. Un conduttore di alimentazione della linea a corrente alternata può essere collegato ad un primo diodo 28. Conduttore di ritorno della linea a corrente alternata può essere collegato ad un nodo collegato ad un primo condensatore 32, un secondo condensatore 34 ed un resistore 36 che sono ciascuno in parallelo. II secondo condensatore 34 è collegato ad un estremo opposto al commutatore 42 ed anche ad un secondo diodo 30 che a sua volta dirige il suo segnale di uscita al primo diodo 28.

Il primo diodo 28 è collegato ad un altro estremo del primo condensatore 32 come anche al commutatore 40. I commutatori sono collegati all 'avvolgimento principale, come anche a rispettivi piloti di porte 40 e 46. Il resistore 36 è collegato ad un altro Iato nell’avvolgimento principale, come anche ad un controllore 50 di corrente di isteresi. L’avvolgimento principale fa passare un segnale di corrente di motore Im al controllore di corrente di isteresi e, a sua volta, invia un segnale di pilota di porte ai piloti di porte. Il pilota di porta 46 è collegato al controllore di isteresi attraverso un invertitore 48.

Un segnale differenziale di tensione Vq dall’avvolgimento dell’asse di quadratura è diretto da uno stimatore 54 di posizione e velocità dell’asse in quadratura e, a volte, invia un segnale di commutazione “comm” ad un blocco di commutazione 52 e un segnale ω di velocità stimata ad un controllore di velocità 56 proporzionale ed integrale (PI). Il segnale di velocità stimata è ottenuto raddrizzando la tensione dell’ avvolgimento dell’asse in quadratura, il cui valore medio è proporzionale alla velocità di motore. Il controllore di velocità PI a maglia chiusa usa la velocità stimata assieme con un desiderato comando di velocità ω * per determinare il segnale di comando di corrente per il blocco di commutazione. Il blocco di commutazione moltiplica il segnale di commutazione (che è indicativo del fatto che il segnale di corrente sarebbe invertito (-1) o inalterato (+1)) e il segnale di comando di corrente per inviare un segnale I* di comando di corrente commutata al controllore di corrente di isteresi.

L’avvolgimento principale e ravvolgimento dell’asse in quadratura richiedono entrambi due collegamenti, in modo che si chiederebbero normalmente un totale di quattro fili dal motore. Per evitare il ridisegnamento del connettore a tre spine, uno dei collegamenti per l’avvolgimento principale 20 può essere in comune con uno dei collegamenti dall’avvolgimento 22 dell’asse in quadratura.

La Figura 8 è uno schema circuitale illustrante un collegamento 60 a tre spine modificato che può essere usato nella realizzazione di controllore di Figura 7 per la condivisione di un collegamento da parte dell’avvolgimento principale 20 e dell’ avvolgimento 22 di asse in quadratura in una carcassa di compressore 58. Uno pseudocollegamento “Kelvin” o a quattro fili può essere usato per minimizzare il percorso condiviso 2 Oa tra una porzione dell’ avvolgimento principale ad alta corrente e dell’avvolgimento dell’asse in quadratura a basso livello e quindi riduce l’interferènza.

La Figura 9 è uno schema a blocchi di una realizzazione dello stimatore di posizione e velocità 54 dell’avvolgimento dell’asse in quadratura della presente invenzione.

Un amplificatore differenziale 68 può essere usato per rimuovere il disturbo di modo comune sui collegamenti dell’asse in quadratura. L’amplificatore differenziale fornisce un segnale ad un integratore (mostrato come filtro di anticipo e ritardo 70) che, a sua volta, fornisce un segnale ritardato di fase al comparatore 72 di attraversamento per lo zero il quale fornisce segnale di commutazione. In una realizzazione, il filtro di anticipo e ritardo ha frequenze caratteristiche di 5 Hz e 175 Hz. L’amplificatore differenziale fornisce anche un segnale ad un blocco 74 di scalamento e raddrizzamento che invia un segnale raddrizzato ad un filtro passabasso 76 per fornire la stima di velocità. In una realizzazione il filtro passabasso ha una larghezza di banda di 24 Hz. La velocità può essere stimata alternativamente basandosi sull’ intervallo di tempo tra successivi attraversamenti dello 0 di segnale ritardato di fase.

Il filtro di anticipo e ritardo è previsto per avanzare di fase il segnale di commutazione allo scopo di mantenere la corrente in fase con la forza controelettromotrice del motore per mantenere un’alta coppia per ampere ed alta resa quando la velocità del motore è aumentata.

Con un convenzionale rivelatore ad effetto Hall o una realizzazione di rivelazione di forza controelettromotrice, l’anticipo di fase del segnale di commutazione richiede circuiteria addizionale, come una rete ad aggancio di fase analogica o digitale per fissare la frequenza di commutazione e produrre il richiesto anticipo di fase. Tale circuiteria addizionale non è richiesta dalla presente invenzione.

La Figura 10 è uno schema circuitale di una realizzazione passiva di un filtro passabasso di un primo ordine che può essere usato per integrazione della realizzazione di Figura 9. Il filtro contiene un resistere 62 in serie con un condensatore 64. La frequenza di taglio del filtro passabasso è prevista per essere minore della minima frequenza di lavoro prevista, per esempio una velocità come 10 giri al minuto. Il previsto sfasamento di 90° è ottenuto alla velocità nominale, per esempio a 1000 giri al minuto.

La Figura 11 è uno schema circuitale di filtro passivo di anticipo e ritardo che può essere usato nella realizzazione di Figura 9. Questo filtro può essere fabbricato aggiungendo un singolo resistore 66 in serie con il condensatore 64 o un condensatore (non mostrato) in parallelo con il resistore 62 alla realizzazione di Figura 10.

Un filtro di anticipo e ritardo può essere usato per creare un anticipo di fase a velocità maggiore prevedendo il filtro in modo che il ritardo di fase si riduce quando aumenta la velocità. Il filtro passivo di anticipo e ritardo può ridurre il ritardo di fase da 90° a velocità medie a un numero minore di gradi (in una realizzazione circa 55°) a velocità nominale. Questo corrisponde a 35° di avanzamento di fase alla velocità nominale, che è desiderabile per prestazioni efficaci del motore.

La Figura 12 è uno schema di circuito analogico illustrante una realizzazione per indicare i componenti elettronici di Figura 9.

Il segnale di avvolgimento dell’asse in quadratura è inviato ad un amplificatore differenziale 68 che comprende un convenzionale circuito amplificatore differenziale per rimuovere i disturbi di modo comune sui collegamenti. In una realizzazione, i segnali di ingresso sono inviati attraverso resistori 210 e 212 ai terminali di ingresso ad un amplificatore operazionale 215, un resistore 214 è collegato tra un terminale di ingresso negativo e un terminale di uscita dell ’amplificatore operazionale 215 e un resistore 216 è collegato tra un terminale di ingresso positivo dell’amplificatore operazionale 215 e terra.

L’amplificatore differenziale fornisce un segnale ad un filtro attivo di anticipo e ritardo 70 che comprende una combinazione in parallelo di un condensatore 218 e di un resistore 220 collegati ad un terminale di ingresso negativo di un amplificatore operazionale 226, come anche ad una combinazione in parallelo di un condensatore 222 e di un resistore 224 collegati tra il terminale di ingresso negativo e un terminale di uscita dell’amplificatore operazionale 226. II filtro di anticipo e ritardo 70 fornisce un segnale ritardato di fase al comparatore 72 di attraversamenti dello zero che fornisce il segnale di commutazione.

L’amplificatore differenziale fornisce anche un segnale ad uno scalatore invertitore 74a comprendente un resistore 228 collegato ad un terminale di ingresso negativo di un amplificatore operazionale 232 e ad un resistore 230 collegato tra il terminale di ingresso negativo e un terminale di uscita nell’amplificatore operazionale.

Il segnale invertito è quindi fornito ad un raddrizzatore 74b. In una realizzazione, il raddrizzatore 74b comprende quattro resistori 234, 236, 238 e 240 in parallelo con uno dei resistori (resistore 240) addizionalmente in parallelo con due diodi 242 e 244, uno dei quali è collegato ai capi di un terminale di ingresso negativo e di un terminale di uscita di un amplificatore operazionale 246. I resistori 236 e 238 sono inoltre collegati ad un terminale di ingresso negativo di un amplificatore operazionale 250, con un resistore 248 collegato ai capi del terminale di ingresso negativo e del terminale di uscita dell’amplificatore operazionale 250 per completare il raddrizzatore.

Il segnale di uscita del raddrizzatore è passato attraverso un filtro passabasso 76 comprendente un resistore 252 collegato ad un terminale di ingresso negativo di un amplificatore operazionale 258, e anche una combinazione in parallelo di un condensatore 254 e di un resistore 256 collegati tra il terminale di ingresso negativo e un terminale di uscita dell’ amplificatore operazionale 258. Il filtro passabasso fornisce il segnale di stima di velocità.

Considerando ora una realizzazione alternativa, la Figura 13 mostra una realizzazione di conteggio a quattro fili di collegamento dell’invenzione. Come sotto descritto, questa realizzazione dell’ invenzione usa rivelazione di passaggio per lo zero del segnale della bobina in quadratura e una strategia di stima di commutazione realizzata mediante un microcalcolatore e/o un integratore adattativo. Inoltre, la realizzazione a quattro fili è pilotata da un ponte invertitore ed esegue regolazione di corrente rivelando corrente su un collegamento a corrente continua.

Come mostrato in Figura 13, un motore .300, come il motore sopra descritto, è per uso nell’azionare un componente rotante (non mostrato). Il componente rotante può essere un agitatore e/o un cestello di un apparato lavabiancheria, un ventilatore o soffiante, o un compressore come descritto per esempio nei brevetti USA ceduti al medesimo titolare No. RE 33.655, 5.492.273, ,5.418.438, 5.423.192 e 5.376.866, le cui intere descrizioni sono qui incorporate per riferimento. In una realizzazione preferita dell’ invenzione, il motore 300 è un motore monofase commutato elettronicamente. Si deve tuttavia capire che il motore 300 può essere qualsiasi motore controllabile elettronicamente. Tali motori possono essere qualsiasi motore o macchina elettrica rotante controllabile elettronicamente tipicamente alimentata da un circuito elettronico di commutazione. Tali motori comprendono, per esempio, motori a rotore esterno, cioè motori rovesciati), motori a magneti permanenti, motori a velocità singola e variabile, motori a velocità sceglibili aventi una pluralità di velocità e motori a. corrente continua senza spazzole, compresi motori commutati elettronicamente, motori commutati a riluttanza e motori ad induzione. In aggiunta, i motori possono essere motori multifase o motori monofase e, in ogni caso, tali motori che possono avere un singolo avvolgimento di fase diviso o un avvolgimento multifase. Tali motori possono anche fornire una o più velocità finite distinte di motore scelte mediante un commutatore elettrico o altro circuito di controllo.

Un alimentatore Vs fornisce energia a tensione continua alta all’ avvolgimento principale 20 (vedere Figura 16) attraverso un ponte invertitore 302 (vedere anche Figura 16). Il ponte invertitore 302, illustrato come un ponte H in Figura 13, contiene una pluralità di commutatori di potenza 304, 306, 308, 310 tra una barra positiva 312 e una barra negativa 314. Per esempio, i commutatori di potenza 304, 306, 308, 310 possono essere IGBT, BJT o MOSFET. Il ponte invertitore 302 contiene anche una pluralità di diodi di circolazione 316, 318, 320, 322 corrispondenti a commutatori 304, 306, 308, 310 rispettivamente. Ciascun diodo di circolazione 316, 318, 320, 322 è di preferenza collegato in relazione in antiparallelo con ciascun commutatore 304, 306, 308, 310 rispettivamente. Commutando a scelta i commutatori di potenza 304, 306, 308, 310 per collegare l’alimentatore Vs agli avvolgimenti 20, il ponte invertitore 302 fornisce energia all’avvolgimento 20 in almeno una sequenza prescelta per commutare l’avvolgimento principale 20. In questa realizzazione, l’avvolgimento principale 20 è la bobina diretta o produttrice di coppia del motore 300 (vedere Figura 16). Si deve capire che l’alimentatore Vs può anche fornire energia per azionare svariati altri circuiti nel sistema.

Secondo una realizzazione dell’ invenzione, un circuito 324 stimatore di commutazione (vedere Figura 15) genera segnali di controllo di motore, o segnali di commutazione, per commutare Γ avvolgimento 20. In una realizzazione preferita, il circuito 324 stimatore di commutazione è realizzato mediante un microcontrollore o un microcalcolatore che esegue routine per determinare gli istanti ottimi di commutazione in funzione della velocità e/o della coppia desiderata del motore 300. Come tale, il circuito stimatore di commutazione funziona come una macchina di stato. In risposta ai segnali di commutazione, il motore 300 produce una corrente di picco che corrisponde alla domanda di coppia di carico. La corrente nell’ avvolgimento 20, a sua volta, produce un campo elettromagnetico per far ruotare il rotore 10 del motore 300. Adattando il carico di coppia con la coppia prodotta, il motore 800 funziona ad una coppia o velocità desiderata. I segnali di commutazione contengono di preferenza una serie di cicli modulati a larghezza di impulsi, in cui ciascun ciclo provoca un corrispondente evento di commutazione dei commutatori di potenza 304, 306, 308, 310. L’avvolgimento 20 del motore 300 è adatto ad essere commutato in almeno una sequenza prescelta e i commutatori di potenza 304, 306, 308, 310 forniscono a scelta potenza all’ avvolgimento 20 nella sequenza prescelta. Regolando la corrente e quindi la coppia nel motore 300, il carico e la domanda di coppia di perdita di motore possono essere adattati in modo che il motore 300 raggiunga la velocità desiderata. In alternativa, si considera che una strategia di controllo regolata di tensione, piuttosto che una strategia regolata di corrente, possa essere realizzata per controllare velocità e/o coppia del motore 300.

In una realizzazione preferita, il ponte invertitore 302 funziona con un singolo segnale di commutazione che sceglie i commutatori 304 e 310 o i commutatori 306 e 308 a seconda della posizione del rotore 10. In questa realizzazione, sólo uno dei commutatori attivi (per esempio il commutatore 308 e 310) è implicato nella regolazione di corrente (modulazione di larghezza di impulsi) in ogni dato momento. Eseguendo una modulazione di larghezza di impulsi, il ponte invertitore 302 fornisce di preferenza una corrente di picco all’avvolgimento 20 che corrisponde alla velocità e/o coppia desiderata del motore 300. Come esempio del funzionamento normale di motorizzazione del motore 300, un gruppo di piloti di porta (non mostrati) abilita una coppia di commutatori, come i commutatori 304 e 310, in risposta ad un segnale di commutazione generato dal circuito stimatore di commutazione 324. Il circuito 324 stimatore di commutazione obbliga la coppia di commutatori 304, 310 ad essere abilitata, in cui uno dei due commutatori (per esempio il commutatore 310) esegue modulazione di larghezza di impulsi, mentre l’altro rimane nel suo stato di conduzione per l’intero intervallo di commutazione, come comandato dalla logica di commutazione. La polarità della forza controelettromotrice di motore durante questo intervallo di tempo è contro la tensione di alimentazione Vs in modo che la forza elettromotrice di azionamento sviluppante la corrente nel motore 300 è la tensione di alimentazione Vs meno la forza controelettromotrice. Il brevetto USA No. 4.757.603 ceduto al medesimo titolare, per esempio, la cui intera descrizione è qui incorporata per riferimento, mostra un controllo a modulazione di larghezza di impulsi per un motore.

Considerando inoltre la Figura 13, il circuito 824 stimatore di commutazione riceve segnali attraverso la linea 326 rappresentanti la posizione del rotore 10 (vedere Figura 8). Per esempio, l'avvolgimento in quadratura 23, illustrato in Figura 1g, fornisce reazione di posizione di rotore. Come mostrato in Figura 1g, ravvolgimento in quadratura 23 è posizionato lungo il centro di ciascun dente di statore 16 e avvolto da dente a dente lungo lo statore 12. La tacca 18 di ciascun dente 16 mantiene a posto l’avvolgimento 23. A causa della sua posizione nel centro dei denti 16, l’avvolgimento in quadratura 23 fornisce cancellazione del flusso originantesi dalle correnti produttrici di coppia circolanti nell’avvolgimento principale 20. In altre parole, il flusso magnetico di poli adiacenti si cancella in modo che il flusso magnetico dello statore 12 non altera la tensione indotta nell’avvolgimento 23 in quadratura. Inoltre, poiché l’avvolgimento in quadratura 23 è avvolto sull’intero statore 12 è posizionato fuori fase dall’avvolgimento 20, la tensione indotta nella bobina in quadratura è ima traccia spostata di fase della tensione indotta nell’avvolgimento principale 20. Il segnale in quadratura tiene conto anche di tutte le asimmetrie che il rotore 10 può avere, perchè è essenzialmente un segnale medio per tutti i denti di statore 10. L’effetto di media della bobina in quadratura associata con l'allineamento dei poli dei magneti di statore ha un effetto benefico sulla bidirezionalità del motore (cioè la sua capacità di produrre la medesima coppia in entrambe le direzioni) in presenza di disuguaglianze degli archi di magneti dovute a tolleranze di fabbricazione. L’ampiezza del segnale di tensione in quadratura dipende dalla velocità di rotore 10, dalla lunghezza di catasta dei lamierini formanti lo statore 12, dalla forza dei magneti e dalla lunghezza dei magneti di rotore 14 (vedere Figura 1) e dal numero di poli. La forma del segnale in quadratura, che è una vera traccia della forza controelettromotrice indotta nell’avvolgimento principale 20, è influenzata dall’inclinazione del rotore, dalle asimmetrie dei magneti e dal tipo di lamierini. Altri mezzi comprendenti rivelatori Hall, dischi a fessure con interruttori ottici e simili possono pure fornire reazioni di posizione di rotore per il motore 300 invece di o in aggiunta all’avvolgimento in quadratura 23. Per esempio, i sensori di effetto Hall forniscono un segnale di reazione di rotore che è tipicamente in fase con la forza controelettromotrice nell’avvolgimento principale 20. Tuttavia, come sopra descritto, i sensori Hall richiedono un numero maggiore di collegamenti dell’ avvolgimento in quadratura 23, il che, è indesiderabile in certe applicazioni. Per ottimizzare la commutazione del motore 300, tali mezzi di reazione di posizione richiedono tipicamente precisi controlli delle tolleranze di posizionamento e misure accurate.

In una realizzazione preferita della presente invenzióne, l'avvolgimento in quadratura 23 (vedere. Figura 16) comprende una bobina a spire multiple. Per esempio,, l’avvolgimento in quadratura 23 comprende una bobina di avvolgimento di sei spire per 12 poli di statori. Nel caso di ima bobina a spire multiple, la tensione indotta nell’ avvolgimento in quadratura 23 è la somma delle singole tensioni indotte in ciascuna singola spira dell’ avvolgimento 23. Sommando le singole tensioni, il segnale dell’ avvolgimento in quadratura tiene conto di differenze tra bobina e bobina nelle tensioni rivelate nelle singole bobina dovute, per esempio, ad irregolarità dei magneti.

Come sopra descritto, gli attraversamenti dello zero della forza controelettromotrice nell’avvolgimento in quadratura 23 fornisce informazioni riguardanti gli attraversamenti dello zero nella forza controelettromotrice nell’avvolgimento 10. Il circuito 324 stimatore di commutazione (vedere Figura 15) determina di preferenza la posizione del rotore 10 in funzione degli attraversamenti dello zero del segnale di avvolgimento in quadratura e genera segnali di commutazione in risposta al medesimo. La produzione di coppia nel motore 300 è quindi determinata dal prodotto della corrente e della forza controelettromotrice nell’ avvolgimento 20. Allo scopo di mantenere una coppia positiva, il circuito 324 stimatore di commutazione commuta l’avvolgimento 20 ad una distanza angolare prima dell’attraversamento dello zero dell’onda di forza controelettromotrice nella direzione che si oppone alla tensione di alimentazione. Con la corretta distanza angolare, la corrente nell’avvolgimento 20 raggiunge lo zero al momento in cui anche la forza còntroelettromotrice raggiunge lo zero.

Un resistere di derivazione (shunt), un trasformatore di corrente, un rivelatore di corrente ad effetto Hall, un rivelatore di corrente integrato o un altro rivelatore o circuito noto nella tecnica può essere usato per rivelare la corrente di avvolgimento o. di motorizzazione del motore 300. Come illustrato in Figura 13, il ponte invertitore 302 contiene un singolo shunt resistivo RSHUNT sulla barra negativa 314. Solo la corrente di motore scorre attraverso il resistore di shunt RSHUNT quando viene scambiata energia dall’alimentatore Vs al motore 300 e viceversa.

La Figura 14 illustra forme d’onde esemplificative dei segnali elaborati dal circuito 324 stimatore di commutazione rispetto al tempo. La Figura 14(a) mostra la tensione idealizzata nell’ avvolgimento in quadratura 23 (cioè Vq). La Figura 14(a) mostra anche la forma d’onda di forza controelettromotrice idealizzata (cioè Ve o -Ve a seconda del senso di rotazione) nell’avvolgimento principale 20. Osservata dall’avvolgimento 23 in quadratura, la tensione indotta nella bobina producente coppia (cioè l’avvolgimento principale 20) è mostrata per differenti sensi di rotazione. Come sopra descritto, l’avvolgimento 23 con asse di quadratura è di preferenza posizionato a circa 90° fuori di fase dall’avvolgimento principale 20. Quindi, la differenza di fase tra i due segnali è di circa 90°. Come esempio, la differenza di fase di 90° è indicata in Figura 14(a) come la differenza tra un attraversamento dello zero 328 sulla forma d’onda Vq e gli attraversamenti dello zero 330 sulle forme d’onda ±Ve. La Figura 14(b) mostra la rappresentazione digitale dei segnali di bobine, in quadratura e dirette, indicati come Zq e ±Ze. Per esempio, la rappresentazione digitale Zq del segnale di avvolgimento in quadratura Vq è ottenuta rivelando l’attraversamento per lo zero della forma d’onda usando un comparatore (vedere Figura 15).

Poiché i segnali di forza controelettromotrice sono generati solo quando il motore 10 si muove, le informazioni di posizióne non sono disponibili quando il motore 300 è fermo. Quindi, in una realizzazione preferita, il motore 300 funziona inizialmente secondo un algoritmo di avviamento. Per esempio, il ponte invertitore 302 (vedere Figura 16) applica corrente all’ avvolgimento di motore 20 mandando in conduzione una coppia di commutatori su rami opposti del ponte invertitore 302. Nel caso di una topologia a condensatore diviso, come mostrato in Figura 7, solo un commutatore è mandato in conduzione. Come risultato della corrente applicata all’avvolgimento 20, il motore 300 genera coppia in entrambe le direzioni di rotazione e il rotore 10 comincia a muoversi. Appena che il rotore 10 si muove, la tensione è indotta nell ’avvolgimento in quadratura 23 e la rappresentazione digitale di questo segnale (cioè Zq) è disponibile con l’elaborazione.

Una volta che il motore 10 si muove, tuttavia, la commutazione è di preferenza sincronizzata al segnale in quadratura Vq. La Figura 15 mostra uno schema a blocchi di un circuito preferito per elaborare il segnale Vq dell’ avvolgimento in quadratura durante le condizioni di avviamento e di marcia. Secondo questa realizzazione dell’ invenzione, un comparatore 332 di attraversamento dello zero genera il segnale Zq su una linea 334. Dopo che il rotore 10 comincia a muoversi durante l’avviamento, un integratore 336 (vedere Figura 15) integra il segnale digitale Zq del l’avvolgimento in quadratura ed emette un segnale INT attraverso una linea 338 rappresentativo dell’integrazione. Dopo l’integrazione, un comparatore 340 paragona il segnale integrato INT ad un livello di riferimento VREF. Come risultato del paragone, il comparatore 340 fornisce un segnale di commutazione attraverso una linea 342 per commutare il motore 300. D’altra parte, il circuito 324 stimatore di commutazione emette segnali di commutazione attraverso una linea 344 per commutare lavvolgimento 20 durante le condizioni di marcia.

Un selettore 346 emette il segnale attraverso la linea 342 dall’integratore 336 e il comparatore 340 o il segnale attraverso la linea 344 dal circuito 324 stimatore di commutazione per commutare Γ avvolgimento di motore 20. In una realizzazione preferita, il selettore 346 comprende un commutatore sensibile alla velocità di rotore 10 per scegliere tra il segnale di commutazione attraverso la linea 342 dal comparatore 340 quando la velocità del rotore 10 è minore di una velocità di soglia (per esempio 120 giri al minuto) o il segnale attraverso la linea 344 dal circuito 324 stimatore di commutazione quando la velocità del rotore 10 raggiunge la velocità di soglia. In altre parole, dopo aver raggiunto la velocità di soglia, il procedimento di avviamento si conclude e il selettore 346 commuta il controllo al circuito 324 stimatore di commutazione. Nel caso che il rotore 10 non abbia raggiunto la velocità di avviamento di soglia, il ponte invertitore 322 può essere commutato forzatamente ad una certa velocità (per esempio 40 giri al minuto).

Come sopra descritto, il circuito 324 stimatore di commutazione può essere realizzato come un microcontrollore. In una realizzazione preferita, il microcontrollore sorveglia la velocità del rotore 10 misurando lintervallo di tempo tra istanti di commutazione. Come esempio, per un motore a 12 poli con intervalli di conduzione a 180°, capitano 12 istanti di commutazione per ogni giro meccanico del rotore. Il numero di commutazioni per giro meccanico varia con il numero dei poli di rotore. La lunghezza dell 'intervallo di conduzione sarebbe meno di 180° in certe applicazioni (vedere Figura 18). In questo modo, il microcontrollore riesce a calcolare la velocità del motore 300 basata sull’intervallo di tempo tra le commutazioni. In alternativa, si deve capire che svariati altri rivelatori di velocità o circuiti possono essere usati per rivelare la velocità del rotore 10. Vantaggiosamente, il circuito di Figura 15 fornisce un alto livello di immunità da disturbi a basse velocità dove l’ampiezza del segnale in quadratura Vq si prevede piccolo e soggetto a disturbi. Quando la velocità del rotore 10 aumenta, l’ampiezza del segnale in quadratura Vq aumenta e fornisce transizioni ben definite agli attraversamenti dello zero della forma d’onda. Secondo l’invenzione, il circuito di Figura 15 può essere realizzato circuitalmente usando integrazione analogica e un circuito avente ad aggancio di fase. Alternativamente, un microcontrollore esegue routine per realizzare l’integrazione del segnale di avvolgimento in quadratura o per eseguire un altro algoritmo di avviamento come anche la stima degli istanti di commutazione. La Figura 16 illustra un preferito circuito di pilota di motori, in forma schematica, che incorpora le caratteristiche del circuito di Figura 15.

Come mostrato in Figura 16, un sistema azionatore di motore secondo l’invenzione contiene un interfaccia di utente, o un’interfaccia di ingresso e uscita I/O, che coopera con una memoria non volatile EE per fornire segnali di controllo di sistema al circuito 324 stimatore di commutazione realizzato come microcontrollore. Nella realizzazione illustrata, il circuito 324 stimatore di commutazione fornisce un segnale di commutazione che contiene due segnali di controllo di pilotaggio indicati come CMM1 e CMM2, attraverso ima linea 348 da un gruppo di porte logiche 350. Le porte logiche 350 emettono i segnali di commutazione nella forma di segnali piloti di porta per controllare elettronicamente una coppia di piloti superiori di porta 352, 354 e una coppia di piloti inferiori di porta 356, 358. A sua volta, i piloti di porta 352, 354, 356, 358 forniscono abbastanza segnali di condizionamento per commutare i commutatori di potenza 304, 306, 308, 310 rispettivamente. In aggiunta a fornire i segnali di tensione spostati da, per esempio 5 volt a 15 volt per pilotare i commutatori di potenza, i piloti di porte 352, 354, 356, 358 condizionano anche i segnali fomiti dal circuito 324 stimatore di commutazione attraverso una linea 348 per un funzionamento ottimale dei commutatori di potenza 304, 306, 308, 310.

Un convertitore di tensione 360 da corrente alternata a corrente continua fornisce tensione di alimentazione Vs (mostrata come DC e -DC in Figura 16) attraverso un collegamento a corrente continua (cioè barre 312 e 314 del ponte invertitore 302) per alimentare i commutatori 304 e 306, 308, 310 allo scopo di commutare un avvolgimento 20 del motore 300. Il convertitore 360 da corrente alternata a corrente continua fornisce anche energia a bassa tensione (mostrata come sorgenti di bassa tensione Vc e VD in Figura 16) per azionare il circuito 324 stimatore di commutazione e altre circuiterie del sistema pilota di motore.

Come sopra descritto, il carico di coppia di adattamento con la coppia prodotta obbliga il motore a funzionare alla desiderata coppia o velocità. Secondo l’invenzione, il sistema pilota di motore di Figura 16 comprende un circuito 362 regolatore di corrente per obbligare il motore 300 a produrre una corrente di picco che si adatti alla domanda di coppia di carico in funzione del segnale di riferimento di corrente regolata di picco IREF. Il circuito 362 regolatore di corrente converte il segnale digitale IREF in segnale analogico e lo paragona alla corrente rivelata nel collegamento a corrente continua. Quindi, come funzione di un segnale di frequenza fPWM di modulazione di larghezza di impulsi, il circuito 362 regolatore di corrente emette un segnale PWM alle porte logiche 350 che è una funzione della corrente regolata di picco. In questo modo il circuito 362 regolatore di corrente in correlazione con il circuito 324 stimatore di commutazione, regola la corrente nel motore 300.

In una realizzazione preferita dell’ invenzione, il sistema pilota di motore contiene anche un circuito 364 rivelatore di sovracorrente per paragonare indipendentemente la corrente rivelata ad un riferimento di corrente massima mostrato come ITRIP*. Il riferimento di corrente massima è, per esempio, dal 20 al 50% maggiore del livello di corrente di picco regolato. Di preferenza, il riferimento di corrente massima è fissato secondo le limitazioni di potenza dei commutatori di potenza 304, 306, 308, 310 e/o del motore 300. Secondo l’invenzione, il circuito 364 rivelatore di sovracorrente paragona la corrente rivelata nel collegamento a corrente continua al riferimento massimo di corrente e genera un segnale di sovracorrente di ITRIP quando la corrente rivelata supera il riferimento massimo di corrente. A sua volta, il circuito 324 stimatore di commutazione riceve il segnale ITRIP e fissa lo stato di macchina del microcontrollore di conseguenza, per disabilitare i commutatori di potenza 304, 306, 308, 310 e scollegare l’avvolgimento 20 dall’ alimentazione Vs.

La Figura 16 illustra anche un circuito 366 comparatore di attraversamento dello zero della corrente per generare un segnale Izero rappresentante gli attraversamenti dello zero della corrente rivelata nel collegamento a corrente continua. Un segnale IZREF fornisce un riferimento per il rivelatore Izero di corrente nulla. Di preferenza, il suo livello è posto leggermente maggiore di zero.

Considerando ancora la Figura 14, la Figura 14(c) illustra l’integrale del segnale Zq (cioè la rappresentazione digitale della tensione della bobina in quadratura), INT, sull’integratore 336 attraverso la linea 338. In questa soluzione, l’ampiezza di Zq è indipendente dalla velocità del motore. La Figura 14(d) illustra un segnale esemplificativo di commutazione CMM, che è una funzione del segnale integrato ENT per provocare la commutazione nel motore 300. In questo caso, l’angolo di anticipo è zero e l’integratore 336 fornisce un ritardo di 90° dal segnale della bobina in quadratura. Gli istanti di commutazione 368 coincidono con gli attraversamenti per lo zero della tensione di bobina produttrice di coppia, indicando con il carattere di riferimento 330 sulla forma d’onda Ve e -Ve, per esempio. Questo consente una coppia massima di accelerazione a bassa velocità. L’integratore 336, come mostrato in Figura 15, è usato per avviamento ad una velocità di soglia.

Oltre all’invenzione, il circuito 324 stimatore di commutazione determina gli istanti preferiti di commutazione per ottimizzare le prestazioni del motore 300. Come sopra affermato, l’avvolgimento di motore 20 deve essere alimentato ad un opportuno istante nel tempo rispetto alla forza controelettromotrice generata per sviluppare una coppia ottima di motorizzazione del motore 300. La figura 14(d) mostra istanti di commutazione 368 che coincidono con gli attraversamenti dello zero della tensione (Ze, -Ze) della bobina produttrice di coppia o bobina diretta. Tuttavia, a causa della natura induttiva del motore 300, che è azionato da un invertitore di sorgente di tensione, come un ponte invertitore 302, la corrente di motore prende un tempo definito per raggiungere un desiderato livello di corrente e per far decadere verso zero un predeterminato valore di corrente. Quindi, la corrente di motore deve essere commutata in anticipo rispetto alla transizione della forma d’onda di forza controelettromotrice affinchè la corrente di motore attraversi effettivamente lo zero al tempo in cui anche la forza controelettromotrice attraversa lo zero.

Il circuito 324 stimatore di commutazione fornisce di preferenza ulteriori ottimizzazioni del motore 300 obbligando gli effettivi istanti di commutazione a capitare prima che la forza controelettromotrice del motore attraversi lo zero. Commutando il motore 300 prima che la forza controelettromotrice attraversi lo zero, la corrente induttiva del motore è lasciata decadere, mentre la forza controelettromotrice si avvicina pure a zero. Questo consente ai componenti fondamentali della corrente di motore di essere in fase con la forza controelettromotrice generata, il che massimizza la produzione di coppia. In altre parole, il motore 300 ottiene di preferenza un fattore di potenza unitario.

Secondo una realizzazione preferita della presente invenzione, il circuito 324 stimatore di commutazione stima un angolo di commutazione in termini di induttanza del motore 300, della tensione di alimentazione Vs, della corrente comandata di motore e della velocità di motore 10. Il circuito 324 stimatore di commutazione adatta inoltre l’angolo stimato alla produzione massima di coppia osservando gli attraversamenti dello zero della corrente di motore e sincronizzando gli attraversamenti per lo zero della corrente con gli attraversamenti per lo zero della forza controelettromotrice. Questa soluzione è valida per funzionamento stazionario.

Un’equazione a maglia aperta per determinare l’angolo di commutazione secondo l’invenzione può essere derivata usando un’equazione semplificata della tensione di motore. Trascurando la resistenza degli avvolgimenti e supponendo che la forza controelettromotrice del motore in vicinanza di un istante di commutazione sia vicino a zero, l’equazione seguente è la tensione ai capi dell’ avvolgimento di motore 20:

Esprimendo la precedente equazione in termini di una velocità di rotazione ω e risolvendo per una distanza angolare:

dove Θ è l’angolo che prende la corrente per decadere verso zero, ω è la velocità di rotore, IPEAK è la corrente di picco comandata prima della commutazione, L è l’induttanza di motore e Vs è la tensione ai capi dell’ avvolgimento 20. Questa equazione semplificata per Θ fissa un’approssimazione del primo ordine per l’angolo di anticipo ma non richiede esteso potere di calcolo come vorrebbe l’equazione completa. Si dovrebbe capire che l’equazione precedente può essere modificata in modo da calcolare un intervallo di tempo di anticipo piuttosto che un angolo a causa della relazione tra velocità di motore e distanza angolare.

Un altro modo per effettuare un angolo di anticipo per commutare l’avvolgimento 20 di motore è un ritardo adattativo del segnale integratore INT. Un circuito di ritardo variabile (non mostrato) dopo l’integratore 332 accoglie le esigenze di angolo di avviamento e di commutazione in marcia sull’intera gamma di velocità.

La Figura 17 illustra forme d’onda esemplificative per un motore 300 rispetto al tempo in cui l’angolo di anticipo Θ è calcolato secondo l’equazione sopra descritta. La Figura 17(a) mostra la forma d’onda Ve di forza controelettromotrice diretta idealizzata rispetto alla forma d’onda Vq di forza controelettromotrice idealizzata di avvolgimento in quadratura. La Figura 17(b) mostra i segnali digitali Zq e Ze rappresentanti gli attraversamenti dello zero dei segnali in quadratura e di forza controelettromotrice rispettivamente. Secondo una realizzazione preferita dell’invenzione, il microcalcolatore realizzante il circuito 324 stimatore di commutazione genera il segnale digitale Ze misurando prima l’intervallo tra attraversamenti dello zero del segnale di avvolgimento in quadratura. Nella realizzazione illustrata, l’avvolgimento in quadratura 23 è di preferenza di 90° fuori fase rispetto all’avvolgimento principale 20 che di solito conduce per intervalli di 180°. Per questa ragione, gli attraversamenti dello zero della forza controelettromotrice del motore possono essere calcolati dividendo Γ intervallo tra attraversamenti dello zero del segnale in quadratura per due. La Figura 17(b) indica un attraversamento dello zero del segnale in quadratura con il simbolo di riferimento 372 seguito da un altro attraversamento dello zero del segnale in quadratura indicato dal simbolo di riferimento 374. Il microcalcolatore misura prima l’intervallo T tra gli attraversamenti dello zero 372, 374 e quindi stima che il successivo attraversamento per lo zero della forza controelettromotrice del motore, indicato dal simbolo di riferimento 376, seguirà dopo un intervallo T/2. La Figura 17(c) mostra un segnale CMM esemplificativo di commutazione generato dal circuito 124 stimatore di commutazione. Come indicato dai simboli di riferimento 378 e 380, la commutazione capita di preferenza all’angolo Θ in anticipo degli attraversamenti dello zero di forza controelettromotrice 382 e 386 rispettivamente. La Figura 17(d) illustra la corrente di motore IM rispetto ai segnali di commutazione e di forza controelettromotrice e la Figura 17(e) illustra la corrente rivelata allo shunt RSHUNT del collegamento in corrente continua (vedere Figura 16). Cioè Ishunt. In questo istante, la corrente nello shunt è la corrente che viene scambiata tra l’alimentazione Vs e l’avvolgimento di motore 20. Gli intervalli in cui Ishum è zero corrispondono ad intervalli di interruzione della modulazione a larghezza di impulsi quando la corrente di motore IM decade mentre circola negli avvolgimenti di motore 20 e nel ponte invertitore 302. Quando l’avvolgimento 20 è commutato, Ishunt ha una polarità opposta (per esempio, come mostrato dal simbolo di riferimento 384) indicando il passaggio di corrente dall’ avvolgimento 20 all’alimentatore Vs.

Come mostrato in Figura 17(d) cominciando dal simbolo di riferimento 386, la corrente di motore M inizia a decadere verso zero immediatamente dopo l’istante di commutazione 378 e attraversa lo zero al simbolo di riferimento 388. Similmente, iniziando dal simbolo di riferimento 390, la corrente di motore M inizia a decadere verso zero immediatamente dopo l’istante di commutazione 380 e attraversa lo zero al simbolo di riferimento 392. Vantaggiosamente, il circuito 324 stimatore di commutazione fornisce ulteriore adattamento dell’angolo stimato per una produzione di coppia massima, osservando gli attraversamenti per lo zero della corrente di motore durante il funzionamento stazionario e sincronizzandoli con gli attraversamenti per lo zero della forza controelettromotrice.

Il circuito comparatore 366 è usato per rivelare gli attraversamenti dello zero della corrente Ishunt per determinare gli attraversamenti dello zero della corrente di motore IM. La forma d’onda di Figura 17 (f) rappresenta l’uscita Izero di tale comparatore. Come sopra descritto, il circuito 824 stimatore di commutazione obbliga di preferenza la commutazione nel motore 300 a capitare in modo che le componenti fondamentali della corrente di motore siano in fase con la forza controelettromotrice generata per massimizzare la produzione di coppia. Paragonando il segnale Izero al segnale Ze di attraversamento stimato nello zero, il circuito 324 stimatore di commutazione determina lo spostamento relativo tra la forza controelettromotrice e gli attraversamenti dello zero. Benché l’istante di commutazione 378 non fornisca ancora una coppia ottimale, come indicato dallo spostamento 6, le informazioni dello spostamento relativo tra la forza controelettromotrice e Γ attraversamento di zero della corrente fornita dal segnale Izero consentono all’angolo di commutazione di essere regolato per minimizzare questo spostamento. Per esempio, la transizione di Izero mostrata con il simbolo di riferimento 394, che corrisponde all’ attraversamento per lo zero 388 della corrente, capita prima dell’attraversamento dello zero 382 della forza controelettromotrice, indicando uno spostamento negativo δ. La differenza angolare tra la corrente induttiva nel tempo decade a zero e il tempo in cui la forza controelettromotrice attraverso lo zero deve essere minimizzato per commutazione ottimale. Durante un funzionamento stazionario, il circuito 324 stimatore di commutazione osserva questa differenza e aggiusta, o adatta finemente, l’angolo di anticipo per minimizzare lo spostamento δ. In questo istante, il circuito 324 stimatore di commutazione diminuisce l’angolo di anticipo (per esempio Oj). Come risultato della regolazione, la transizione di Izero mostrata con il simbolo di riferimento 396, che corrisponde all’ attraversamento dello zero di corrente 392, coincide con l’attraversamento dello zero di tensione 376. Quindi, la produzione di coppia del motore 300 è ottimizzata. Quando lo spostamento angolare δ è maggiore di un angolo minimo e il ponte invertitore 302 è abilitato per intervalli di conduzione di 180°, si produce una coppia negativa da parte del motore 300. Questa coppia negativa riduce la coppia di motore e potrebbe generare rumore udibile.

Alternativamente, il circuito di Figura 16, che contiene un segnale di commutazione formato da due segnali di controllo (cioè CMM1 e CMM2) può essere comandato per funzionare ad intervalli di conduzione minori di 180°. Gli angoli di conduzione di motore minori di 180° riducono la produzione di coppia e possono essere usati per controllo di coppia quando non si richiede un funzionamento ottimale. Con questo schema, un intervallo di corrente nulla, “tempo morto” è inserito dopo che la corrente di motore si è commutata e ha raggiunto lo zero. L’uso del tempo morto è benefico nell’impedire la generazione di coppia negativa quando si richiede un’accelerazione o una decelerazione rapida e la stima della forza controelettromotrice è soggetta ad errori.

La Figura 18 illustra forme d’onda esemplificative per un motore 300 rispetto al tempo in cui gli intervalli di conduzione sono minori di 180°. La Figura 18(a) mostra una forma d’onda idealizzata IM di forza contro elettromotrice diretta, rispetto alla forma d’onda idealizzata Vq di forza controelettromotrice in quadratura. La Figura 18(b) mostra i segnali digitali Zq e Zc rappresentanti gli attraversamenti per lo zero dei segnali in quadratura e di forza controelettromotrice rispettivamente. La Figura 18(c) mostra una coppia di segnali esemplificativi di controllo CMM1 e CMM2 costituenti il segnale di commutazione generato dal circuito 324 stimatore di commutazione. Come indicato dai simboli di riferimento 398 e 400, la commutazione capita di preferenza all’angolo Θ1 e all’angolo θ2 in anticipo rispetto agli attraversamenti dello zero della forza controelettromotrice rispettivamente 402 e 404. La Figura 18(d) illustra la corrente di motore IM rispetto ai segnali di commutazione e di forza controelettromotrice e la Figura 18(e) illustra la corrente rivelata su collegamento in corrente continua RSHUNT (vedere Figura 16), cioè la corrente Ishum. Come mostrato in Figura 18(d) e 18(e), commutare l’avvolgimento principale per meno di 180° produce un tempo morto nella corrente. Il tempo morto è mostrato, per esempio, mediante un intervallo di interruzione 406. Come mostrato in Figura 18(d), iniziando dal simbolo di riferimento 408, la corrente di motore IM comincia a decadere verso zero immediatamente dopo l’istante di commutazione 398. Dopo aver raggiunto lo zero, la corrente è interrotta per l’intervallo 406 fino alla successiva commutazione in corrispondenza del simbolo di riferimento 410. Similmente, iniziando al simbolo di riferimento 412, la corrente di motore IM comincia a decadere verso zero immediatamente dopo l’istante di commutazione 400. Ancora, dopo aver raggiunto lo zero, la corrente è interrotta per un intervallo di interruzione 406 fino alla successiva commutazione in. corrispondenza del simbolo, di riferimento 414. Quindi, come mostrato nelle Figure 18(d) e 18(e), le forme d’onda di corrente hanno intervalli senza corrente dovuti al fatto che gli intervalli di conduzione sono minori di 180°. Si noti che la corrente, di., motore decade; a zero e rimane a zero due volte per ogni ciclo elettrico.

In vista di quanto sopra, si vedrà che i parecchi scopi dell’invenzione sono ottenuti e risultano raggiunti altri vantaggi.

Benché solo certe caratteristiche preferite dell’invenzione siano state qui illustrate e descritte, parecchie modifiche e cambiamenti capiteranno agli esperti nel ramo. Perciò, si deve capire che le rivendicazioni qui in fondo intendono coprire tutte tali modifiche e cambiamenti che cadono entro il vero spirito dell’invenzione.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Motore monofase a magneti permanenti comprendente: un rotore; uno statore; e un avvolgimento in asse di quadratura posizionato per generare un segnale di uscita rappresentante la posizione angolare del rotore.
2. Il motore della rivendicazione 1, in cui lavvolgimento in asse di quadratura è posizionato fuori fase rispetto ad un avvolgimento principale dello statore.
3. Il motore della rivendicazione 2, in cui ravvolgimento in asse di quadratura è posizionato, in una gamma da 75 a 105° elettrici fuori di, fase dall’avvolgimento principale dello statore.
4. Il motore della rivendicazione 2, in cui l’avvolgimento in asse di quadratura è posizionato a circa 90° elettrici fuori fase dall’avvolgimento principale dello statore.
5. Il motore della rivendicazione 2, in cui lo statore contiene denti di statore, almeno due dei denti di statore avendo una tacca situata centralmente e in cui l’avvolgimento in asse di quadratura è posizionato nelle tacche di almeno due dei denti di statore.
6. Il motore della rivendicazione 5, in cui l’avvolgimento in asse di quadratura comprende una bobina preavvolta di filo isolato.
7. Il motore della rivendicazione 2, in cui lo statore contiene denti di statore, almeno due dei denti di statore avendo ciascuno tacche multiple e in cui l’avvolgimento in asse di quadratura comprende bobine multiple con ciascuna bobina situata in quelle rispettive delle tacche in almeno due dei denti di statore.
8. Il motore della rivendicazione 2, in cui lo statore contiene denti di statore, almeno tre denti di statore avendo una tacca e in cui l'avvolgimento in asse di quadratura è posizionato nelle tacche degli almeno tre dei denti di statore.
9. Il motore della rivendicazione 2, in cui lo statore ha delle cave di statore e comprende uno statore ad avvolgimenti distribuiti ed in cui l' avvolgimento in asse di quadratura è inserito in almeno due delle cave.
10. Il motore della rivendicazione 2, in cui l’avvolgimento di asse in quadratura è situato su un pannello flessibile di circuito stampato, il pannello di circuito stampato essendo situato: tra lo statore e il rotore.
11. Il motore della rivendicazione 2, comprendente inoltre: un integratore collegato all’avvolgimento in asse di quadratura per ritardare di fase il segnale di uscita; e un comparatore collegato all’integratore per rivelare gli attraversamenti dello zero dei segnali di uscita ritardati di fase per fornire un primo segnale di commutazione allo scopo di commutare l’avvolgimento principale dello statore.
12. Il motore della rivendicazione 11 comprendente inoltre: un circuito stimatore di commutazione sensibile al segnale di uscita per stimare gli attraversamenti dello zero della forza controelettromotrice generata dall’avvolgimento principale e fornire un secondo segnale di commutazione in anticipo rispetto agli attraversamenti per lo zero stimati della forza controelettromotrice; e un circuito selettore di segnale di commutazione collegato al comparatore e al circuito stimatore di commutazione e sensibile alla velocità del motore per scegliere il primo segnale di commutazione allo scopo di commutare l'avvolgimento principale quando la velocità del rotore è minore di una velocità di soglia e scegliere il secondo segnale di commutazione per commutare l' avvolgimento principale quando la velocità del rotore è maggiore o uguale alla velocità di soglia.
13. Il motore della rivendicazione 11, in cui l’integratore comprende un filtro passabasso o un filtro di anticipo e ritardo.
14. Il motore della rivendicazione 11, in cui rintegratore è adatto per ritardare di fase il segnale di uscita di circa 90° ad una velocità nominale del motore.
15. Il motore della rivendicazione 11, in cui l’integratore è adatto a ritardare di fase il segnale di uscita per un numero di gradi che diminuisce quando aumenta la velocità del motore.
16. Il motore della rivendicazione 11, in cui l’integratore è adatto a ritardare di fase il segnale di uscita di circa 90° a velocità moderate del motore e di un numero minore di gradi alla velocità nominale del motore.
17. Il motore della rivendicazione 11, comprendente inoltre: un raddrizzatore collegato all' avvolgimento di asse in quadratura per raddrizzare il segnale di uscita; e un filtro passabasso per filtrare il segnale di uscita raddrizzato allo scopo di fornire un segnale di velocità.
18. Il motore della rivendicazione 17 comprendente inoltre un controllore di velocità per ricevere un comando di velocità e il segnale di velocità e calcolare un segnale di comando di corrente; un blocco di commutatore per moltiplicare il segnale di commutazione e il segnale di comando di corrente allo scopo di fornire un segnale di comando di corrente commutata; un controllore di corrente di isteresi per ricevere il segnale di comando di corrente commutata dal commutatore e un segnale di corrente di statore dallo statore e fornire un segnale di comando di porta; due piloti di porte, ciascuno collegato al controllore di corrente di isteresi, uno dei due piloti di porte collegato al controllore di corrente di isteresi attraverso un invertitore; e due commutatori elettronici di potenza, ciascuno accoppiato a uno rispettivo dei due piloti di porte e ad un avvolgimento dello statore. .
19. Il· motore della rivendicazione 2 comprendente inoltre un circuito stimatore di commutazione sensibile al segnale di uscita generato dall 'avvolgimento di asse di quadratura per stimare gli attraversamenti dello zero di una forza controelettromotrice generata dall 'avvolgimento principale e fornire un segnale di commutazione per commutare l'avvolgimento principale dello statore in anticipo rispetto agli attraversamenti dello zero stimati della forza controelettromotrice di un angolo Θ commutato dalla seguente formula

dove ω è la velocità del rotore, IPEAK è la corrente di picco nell 'avvolgimento principale corrispondente ad una velocità e/o coppia desiderata del motore, L è l’induttanza di motore nell 'avvolgimento principale e Vs è la tensione ai capi dell’ avvolgimento principale.
20. Il motore della rivendicazione 19 comprendente inoltre un rivelatore di attraversamento dello zero per rivelare gli attraversamenti dello zero di corrente nell’ avvolgimento principale e in cui il circuito stimatore di commutazione regola l’angolo Θ per minimizzare la differenza tra gli attraversamenti dello zero rivelati della corrente e gli attraversamenti dello zero stimati della forza controelettromotrice, ottimizzando perciò la produzione di coppia del motore.
21. Il motore della rivendicazione 19, in cui l’avvolgimento principale è commutato in risposta al segnale di commutazione in due intervalli di conduzione per ciclo di 360°, in cui la corrente nell’avvolgimento principale è in un senso durante uno degli intervalli di conduzione per cclo; e in senso opposto durante l’altro degli intervalli di conduzione per ciclo e in cui ciascuno degli intervalli di conduzione è minore di 180°:
22. Il motore della rivendicazione 21, in cui il segnale di commutazionecontiene un intervallo di interruzione tra successivi intervalli di conduzione, in cui la corrente nell’avvolgimento principale decade a zero durante l’intervallo di interruzione.
23. Motore comprendente: un rotore; uno statore; un rivelatore di posizione per generare un segnale di uscita rappresentante una posizione angolare di rotore, detto segnale di uscita avendo ima relazione angolare con la forza controelettromotrice generata da un avvolgimento principale dello statore; e un circuito stimatore di commutazione sensibile al segnale di uscita generato dal rivelatore di posizione per stimare attraversamenti dello zero della forza controelettromotrice nell'avvolgimento principale e generare un segnale di commutazione per commutare l’avvolgimento principale dello statore in anticipo rispetto agli attraversamenti dello zero stimati della forza controelettromotrice di un angolo Θ calcolato mediante la seguente formula:

dove ω è la velocità del rotore, IPEAK è una corrente di picco nell 'avvolgimento principale corrispondente ad una velocità e/o coppia desiderate del motore, L è l'induttanza del motore nell 'avvolgimento principale e Vs è la tensione ai capi dell’awolgimento principale.
24. Il motore della rivendicazione 23, in cui il rivelatore di posizione comprende un avvolgimento in asse di quadratura posizionato fuori di fase dall’ avvolgimento principale dello statore e il segnale di uscita è rappresentativo della tensione indotta nell’ avvolgimento in asse di quadratura.
25. Il motore della rivendicazione 23, in cui il segnale di uscita generato dall’ avvolgimento in asse di quadratura è sfasato di circa 90° rispetto alla forza controelettromotrice generata dall’ avvolgimento principale.
26. Il motore della rivendicazione 23 comprendente inoltre un rivelatore di attraversamento dello zero per rivelare gli attraversamenti dello zero della corrente nell’avvolgimento principale e in cui il circuito stimatore di commutazione regola l’angolo Θ per minimizzare la differenza tra gli attraversamenti dello zero della corrente rivelati e gli attraversamenti dello zero stimati della forza controelettromotrice, ottimizzando perciò la produzione di coppia del motore.
27. Il motore della rivendicazione 23, in cui lavvolgimento principale è commutato in risposta al segnale di commutazione in due intervalli di conduzione per ciclo di 360°, in cui la corrente dell’avvolgimento principale è in un senso durante uno degli intervalli di conduzione per ciclo e nel senso opposto durante l’altro degli intervalli di conduzione per ciclo, e in cui ciascuno di detti intervalli di conduzione è minore di 180°.
28. Il motore della rivendicazione 27, in cui il segnale di commutazione contiene un intervallo di esclusione tra successivi intervalli di conduzione, in cui la corrente nell’avvolgimento principale decade a zero nell’intervallo di interruzione.
29. Metodo per avviare un motore monofase a magneti permanenti comprendente un rotore e uno statore e un avvolgimento in asse di quadratura posizionato per generare un segnale di uscita rappresentante la posizione angolare del rotore, il metodo comprendendo le fasi di: applicare corrente continua all 'avvolgimento principale dello statore per un periodo di tempo sufficiente ad allineare momentaneamente il rotore con lo statore; applicare nessuna corrente all 'avvolgimento per un periodo di tempo sufficiente affinchè il rotore ritorni in posizione, in cui una direzione di avviamento del rotore è nota; e commutare la corrente all’avvolgimento principale mentre si ottiene un segnale di commutazione dall’avvolgimento in asse di quadratura.
30. Metodo per avviare un motore monofase a magneti permanenti comprendente un rotore, uno statore e un avvolgimento di asse in quadratura posizionato per generare un segnale di uscita rappresentante la posizione angolare del rotore, il metodo comprendendo le fasi di: applicare corrente continua ad un avvolgimento principale dello statore per un periodo di tempo sufficiente ad obbligare il rotore ad iniziare a ruotare; e quindi commutare la corrente all'avvolgimento principale mentre si ottiene un segnale di commutazione dall’ avvolgimento di asse in quadratura.
31. Metodo per avviare un motore monofase a magneti permanenti comprendente un rotore, uno statore e un avvolgimento di asse in quadratura posizionato per generare un segnale di uscita rappresentante la posizione angolare del rotore, il metodo comprendente le fasi di: -applicare corrente continua ad un avvolgimento principale dello statore per un periodo di tempo sufficiente ad allineare momentaneamente il rotore con lo statore; applicare nessuna corrente all'avvolgimento principale per un periodo di tempo sufficiente affinchè il rotore ritorni in una posizione in cui un senso di avviamento del rotore è noto; applicare corrente continua all’avvolgimento principale dello statore per un periodo di tempo sufficiente ad obbligare il rotore ad iniziare a ruotare; e quindi commutare la corrente all’avvolgimento principale mentre si ottiene un segnale di commutazione dell’avvolgimento in asse di quadratura.
32. Metodo per azionare un motore monofase contenente un rotore e uno statore e un rivelatore di posizione generante un segnale di uscita rappresentante la posizione angolare del rotore, detto segnale di uscita avendo una relazione angolare con la forza controelettromotrice generata dall’avvolgimento principale dello statore, detto metodo comprendendo le fasi di: stimare l’attraversamento dello zero della forza controelettromotrice nell’avvolgimento principale in funzione del segnale di uscita generato dal rivelatore di posizione; generare un segnale di commutazione in anticipo rispetto agli attraversamenti dello zero della forza controelettromotrice di un angolo Θ calcolato dalla seguente formula

dove ω è la velocità del rotore IPEAK è la corrente di peak a corrente di picco nell’avvolgimento principale corrispondente ad una velocità e/o coppia desiderata del motore, L· è l’induttanza del motore nell’avvolgimento -principale, e Vs è la tensione ai capi dell’avvolgimento principale; e commutare la corrente all’avvolgimento principale in risposta al segnale di commutazione.
33. Il metodo della rivendicazione 32 comprendente inoltre le fasi di rivelare gli attraversamenti dello zero della corrente nel’avvolgimento principale e regolare l’angolo per minimizzare la differenza tra gli attraversamenti dello zero rivelati della corrente e gli attraversamenti dello zero stimati della forza controelettromotrice ottimizzando perciò la produzione di coppia del motore.
34. Il metodo della rivendicazione 32, in cui la fase di commutazione comprende commutare la corrente all’avvolgimento principale in due intervalli di conduzione per ciclo di 360°, in cui la corrente nell'avvolgimento principale è in un senso durante uno degli intervalli di conduzione per ciclo e nel senso opposto durante l’altro degli intervalli di conduzione per ciclo e in cui ciascuno degli intervalli di conduzione è minore di 180°.
35. Il metodo della rivendicazione 34, in cui la fase di generare il segnale di commutazione comprende fornire un intervallo di interruzione tra successivi intervalli di conduzione in cui la corrènte nell'avvolgimento principale decade a zero durante l’intervallo di interruzione.
36. Metodo per azionare un motore monofase contenente un rotore e uno statore e un rivelatore di posizione generante un - segnale di uscita rappresentante la posizione angolare del rotore, detto segnale di uscita avendo una relazione angolare con la forza controelettromotrice generata da un avvolgimento principale dello statore. detto metodo comprendendo le fasi di: applicare corrente continua all 'avvolgimento principale dello statore per un periodo di tempo sufficiente ad obbligare il rotore a cominciare a ruotare; integrare il segnale di uscita generato dal rivelatore di posizione; generare un primo segnale di commutazione in funzione del segnale di uscita integrato; stimare gli attraversamenti dello zero della forza controelettromotrice nell’ avvolgimento principale in funzione del segnale di uscita generato dal rivelatore di posizione; generare un secondo segnale di commutazione in anticipo rispetto agli attraversamenti dello zero stimati della forza controelettromotrice di un angolo Θ calcolato dalla seguente formula:

dove ω è la velocità del rotore, IPEAK è una corrente di picco nel l’avvolgimento principale corrispondente ad una velocità e/o coppia desiderata del motore, L è l’induttanza del motore nell'avvolgimento principale e Vsè la tensione ai capi dell’ avvolgimento principale; commutare la corrente all'avvolgimento principale in risposta al primo segnale di commutazione quando il segnale della velocità del rotore è minore di una velocità di soglia; e commutare la corrente all’avvolgimento principale in risposta al secondo segnale di commutazione quando la velocità del rotore è maggiore o uguale alla velocità di soglia,