ITPR980066A1 - Procedimento per alimentazione di motore asincroni con inverter, in particolare per veicoli a batteria - Google Patents

Description

D E S C R I Z I O N E

annessa a domanda di breveto per INVENZIONE INDUSTRIALE avente per titolo: PROCEDIMENTO DI ALIMENTAZIONE DI MOTORI ASINCRONI CON INVERTER, IN PARTICOLARE PER VEICOLI A BATTERIA.

Forma oggetto del presente trovato un procedimento di alimentazione di motori asincroni con inverter, in particolare per veicoli a batteria.

La tecnica di pilotaggio del ponte trifase costituente l inverter è indipendente dal tipo di componente elettronico di potenza utilizzato e consiste nella generazione di una forma d’onda sinusoidale o di altro tipo mediante tecnica PWM nota (Pulse Width Modulation: onda quadra a frequenza costante modulata in larghezza).

Nei procedimenti di alimentazione noti, il ponte trifase stesso introduce delle distorsioni sulla tensione ai morseti che si riflettono in una distorsione della corrente.

Tali distorsioni sono dovute alla natura stessa del funzionamento dell’ inverter in cui i due switch (interruttore eletronico) appartenenti allo stesso mezzo ponte devono essere pilotati in modo complementare, per evitare che conducano insieme con conseguenti possibili danneggiamenti dell’ inverter.

Le cause delle suddette distorsioni sono da ricercare nei tempi di accensione e spegnimento non ideali degli switch, con conseguente diversità fra Listante di effettiva commutazione del morsetto di connessione del motore e l’istante di commutazione del PWM di pilotaggio. A ciò va aggiunto che i tempi di commutazione variano in funzione del carico, ottenendo così una sinusoide non solo diversa da quella desiderata ma anche distorta.

Un’ulteriore causa di distorsione deriva dalla necessità di introdurre un tempo morto fra lo spegnimento di uno switch e l’accensione dell’altro poiché, a causa dei già citati tempi di commutazione, i due switch potrebbero di fatto condurre insieme. Pur essendo noto il tempo morto introdotto sul PWM, il tempo morto reale risulta non definibile con precisione e variabile con le condizioni di carico del ponte a causa della presenza dei ritardi di accensione e spegnimento. Durante i tempi morti, la conduzione della corrente avviene attraverso i diodi di ricircolo, per cui la tensione al morsetto, durante tali tempi, è definita dal segno della corrente. Ne deriva che il tempo morto somma o sottrae alla tensione sul morsetto un valore in funzione del segno della corrente. Ad ogni cambiamento di segno della corrente, ossia ad ogni semiperiodo della sinusoide, si genera quindi un gradino sulla tensione applicata alle fasi.

L’effetto della suddetta distorsione incide sul funzionamento del motore soprattutto a basse tensioni, ossia a bassa frequenza, con conseguente distorsione della corrente ed aumento delle perdite nel motore. Inoltre si genera una distorsione nel campo rotante quindi nella coppia che provoca vibrazioni sul motore e sulla macchina sia a bassa velocità che nelle fasi di spunto o arresto.

Sono noti procedimenti atti a ridurre o ad eliminare gli effetti della distorsione sopra descritta.

Uno dei più diffusi prevede la retroazione della tensione di fase filtrata e aggiustamento del PWM con ricostruzione della sinusoide sulle fasi. Basandosi sulla retroazione delle variabili all’ultimo stadio della catena si possono ottenere ottimi risultati, ma il sistema si presenta molto complicato, e quindi costoso, sia come hardware sia come software. In particolare, il dispositivo elettronico di trasduzione (filtri e amplificatori) oltre ad essere complicato, provoca ritardi e disomogeneità fra le diverse grandezze retroazionate dovuti alle tolleranze dei componenti; la regolazione dei parametri di controllo si presenta complessa ed è difficoltoso trovare il giusto compromesso fra velocità della compensazione e stabilità del sistema. Anche nel caso in cui si utilizzi un microcontrollore, l’algoritmo di regolazione risulta complesso e pesante e il microcontrollore stesso tende ad essere sovraccaricato e spesso risulta necessario adottare un microcontrollore più potente con conseguente incremento di costi.

Sono note anche altre tecniche di compensazione che sono in grado di leggere il segno della corrente e, al cambio del segno, sottraggono o sommano all’ampiezza predefinita della sinusoide un valore corrispondente al tempo morto.

Tale tecnica è molto economica ma i risultati non sono altrettanto validi perché, a causa delle distorsioni, è difficile conoscere l’esatto istante di inversione del segno e inoltre perché non è definito il valore di compensazione da introdurre.

Scopo del presente trovato è quello di eliminare i suddetti inconvenienti e di rendere disponibile un procedimento di alimentazione di motori asincroni con inverter che elimini le distorsioni nell’inverter stesso in modo economico, semplice ed efficace.

Detti scopi sono pienamente raggiunti dal procedimento di alimentazione di motori asincroni con inverter, in particolare per veicoli a batteria, oggetto del presente trovato, che si caratterizza per quanto contenuto nelle rivendicazioni sotto riportate.

In particolare, oltre alla fase di retroazione delle tensioni ai morsetti, il suddetto procedimento è caratterizzato dal fatto di comprendere le fasi di misura del duty cycle (rapporto tra tempo di conduzione e periodo del PWM) delle suddette tensioni, confronto con un valore di riferimento e compensazione.

Questa ed altre caratteristiche risulteranno meglio evidenziate dalla descrizione seguente di una preferita forma di realizzazione illustrata, a puro titolo esemplificativo e non limitativo, nelle unite tavole di disegno, in cui:

- la figura 1 illustra uno schema a blocchi del procedimento di alimentazione;

- la figura 2 illustra una possibile realizzazione del procedimento di figura 1;

- la figura 3 illustra una possibile realizzazione digitale del procedimento di figura 1.

Con riferimento alle figure, con 1 è stato indicato un motore asincrono alimentato, per interposizione di un inverter 2 e di un pilotaggio 3 dell’inverter stesso, da una tensione di linea continua derivante o dal raddrizzamento di una tensione alternata di rete oppure da un’effettiva sorgente di tensione continua quale una batteria di un veicolo elettrico.

Secondo quanto illustrato in figura 1, l alimentazione del motore 1 segue un procedimento comprendente una fase di retroazione 4 atta a prelevare le tensioni ai morsetti e a ridurle al livello di ingresso delle fasi successive che originalmente comprendono una fase di misura 5 del duty cycle (rapporto tra tempo di conduzione e periodo del PWM) delle suddette tensioni, una fase di confronto 6 del duty cycle con valori di riferimento 7 e calcolo dell’ errore 8, un eventuale applicazione 10 di un algoritmo di regolazione PI (proporzionale integrale) e infine una fase di compensazione 9 del PWM di pilotaggio.

Tale procedimento opera compensando l’effetto essenziale dei ritardi di commutazione e dei tempi morti che consiste in un diverso duty cycle dell’onda quadra al morsetto rispetto a quella del PWM di pilotaggio, e da cui discende la distorsione della sinusoide. Conoscendo il valore del duty cycle prodotto ai morsetti è possibile conoscere la durata del tempo morto effettivo e, di conseguenza, compensare prontamente e con estrema semplicità il PWM.

Il procedimento sopra descritto può essere facilmente realizzato con un hardware di tipo standard sia come hardware di retroazione sia come microcontrollore. In figura 2 l’hardware di retroazione comprende tre comparatori 12 che prelevano le tensioni ai morsetti per alimentare lo stadio successivo di confronto 6 che esegue il confronto con l’onda quadra ideale 7 e calcolo dell’errore 8, con eventuale applicazione 10 deH’algoritmo PI di regolazione e somma algebrica 9 al PWM di pilotaggio.

In figura 3 è illustrata una possibile implementazione digitale, dove sono presenti i tre comparatori 12 ed un microcontrollore 11 ; inoltre, il percorso di retroazione interno al microcontrollore 11 comprende una pluralità di contatori 13. 1 comparatori 12 prelevano le tensioni ai morsetti del motore e le riducono al livello di ingresso del microcontrollore 11.

Il microcontrollore 11 esegue le fasi sopra descritte, ossia: la fase di misura del duty cycle delle tensioni retroazionate mediante il blocco 13 dei contatori, la fase di confronto 6 del duty cycle reale con valori ideali 7 eventualmente memorizzati in una memoria 14, la fase di applicazione 10 dell’ algoritmo PI di regolazione per la compensazione 9 del PWM di pilotaggio e la fase 15 di generazione del PWM con cui alimentare il pilotaggio 3 dell’inverter.

I valori ideali 7 per la fase di confronto 6 sono contenuti nella memoria 14 in una tabella della sinusoide; dal confronto si ottiene il valore dell’errore 8, introdotto successivamente nel regolatore PI.

II confronto può essere fatto sia con un’onda di riferimento sinusoidale, come sopra descritto, sia con altre forme d’onda di riferimento.

II metodo sopra descritto presenta notevoli vantaggi rispetto ai due metodi noti; in primo luogo raggiunge risultati nettamente migliori rispetto alle tecniche di compensazione che sono in grado di leggere il segno della corrente e, al cambio del segno, sottraggono o sommano all’ampiezza predefinita della sinusoide un valore corrispondente al tempo morto. Inoltre, con un hardware standard e quindi con una maggiore economicità, raggiunge risultati paragonabili al metodo che prevede la retroazione della tensione di fase filtrata e l’aggiustamento del PWM con ricostruzione della sinusoide sulle fasi.

Inoltre la determinazione della correzione richiesta è pressoché istantanea e, di conseguenza, ne risulta un anello di controllo a dinamica quasi algebrica che aumenta la prontezza e banalizza l’algoritmo di correzione dinamica con eliminazione dei problemi di instabilità.

Nel caso in cui il metodo sopra descritto è realizzato attraverso un algoritmo di controllo software, questo risulta estremamente semplice, veloce e non determina un particolare sovraccarico per il microcontrollore.

Rispetto ai metodi di compensazione in retroazione tradizionali, presenta un notevole vantaggio anche relativamente all’hardware del dispositivo di trasduzione: gli errori e le distorsioni di tale dispositivo si esauriscono nella diversità fra i tempi di salita e discesa di uno stesso dispositivo comparatore di squadramento; ne deriva che la semplice scelta di comparatori appartenenti allo stesso chip permette di avere ritardi identici per tutti i comparatori fra tempo di discesa e di salita. E’ facile verificare che la distorsione dovuta ad un ritardo relativo uguale per tutti gli squadratori non ha alcun effetto sulla efficacia dell’azione compensativa.

Claims (4)

1. RIVENDICAZIONI 1. Procedimento di alimentazione di motori asincroni (1) con inverter (2), del tipo comprendente un pilotaggio (3) dell'inverter e una retroazione (4) delle tensioni ai morsetti del motore asincrono, caratterizzato dal fatto di eseguire una pluralità di fasi comprendenti: - misura (5) del duty cycle delle suddette tensioni ai morsetti; - confronto (6) del duty cycle reale con valori di riferimento (7) e calcolo di errori (8) fra duty cycle reale ed ideale; - applicazione di un algoritmo PI di regolazione (10); - compensazione (9) del pilotaggio (3) allo scopo di eliminare le distorsioni introdotte dall’ inverter stesso.
2. 2. Procedimento di alimentazione di motori asincroni (1) con inverter (2), secondo la rivendicazione 1), caratterizzato dal fatto che il confronto (6) viene effettuato con un valore di riferimento (7) sinusoidale.
3. 3. Procedimento di alimentazione di motori asincroni (1) con inverter (2), secondo la rivendicazione 2), caratterizzato dal fatto che il valore di riferimento (7) sinusoidale è estratto da memoria 14 contenuta in un microcontrollore (11).
4. 4. Procedimento di alimentazione di motori asincroni (1) con inverter (2), secondo la rivendicazione 1), caratterizzato dal fatto che il confronto (6) viene effettuato con un valore di riferimento (7) con forma d’onda qualsiasi.