ITTO20080616A1 - Procedimento per il controllo di un motore brushless in c.c. a due fasi senza sensore di posizione - Google Patents

Description

"Procedimento per il controllo di un motore brushless in c.c. a due fasi senza sensore di posizione"

DESCRIZIONE

La presente invenzione riguarda un procedimento per il controllo di un motore brushless in c.c. a due fasi senza sensore di posizione.

Più specificamente l'invenzione ha per oggetto un procedimento per il controllo a regime (dunque non per la fase di avviamento), senza sensore di posizione, di un motore brushless in corrente continua a due fasi comprendente in modo per sé noto un rotore a magneti permanenti e due avvolgimenti di fase collegati in serie a rispettivi commutatori elettronici fra i due poli di una sorgente di tensione di alimentazione in c.c., ove detti commutatori vengono pilotati in modo tale per cui essi sono resi alternatamente conduttivi.

I motori brushless a due fasi sono diffusamente utilizzati per la loro semplicità strutturale, l'elevato rendimento, la silenziosità e la non necessità di manutenzione.

Un campo tipico di applicazione di tali motori à ̈ per la ventilazione di bassa potenza (motoventilatori per computer o frigoriferi).

Nei motori brushless secondo la tecnica anteriore viene utilizzato un sensore di posizione, tipicamente un sensore di campo magnetico ad effetto di hall, per individuare la posizione angolare del rotore in corrispondenza della quale occorre comandare la commutazione di stato (on/off) dei commutatori elettronici associati agli avvolgimenti di fase.

L'utilizzo di un sensore di posizione comporta una serie di problemi: il sensore deve essere accuratamente posizionato per rilevare il flusso magnetico creato dal rotore senza interferenza da parte degli avvolgimenti di statore. Ciò crea una serie di problemi di carattere meccanico e di montaggio.

A fronte di tale inconveniente, sono state proposte soluzioni volte a consentire l'eliminazione del sensore di posizione.

Dal brevetto US 7.183.734 Ã ̈ nota una soluzione secondo la quale un motore brushless a due fasi viene controllato sulla base dell'analisi di una tensione rilevata, che corrisponde alla forza elettromotrice (EMF) indotta sugli avvolgimenti di statore.

La presente invenzione si prefigge lo scopo di proporre un procedimento o metodo alternativo per il controllo a regime, senza sensore di posizione, di un motore brushless in corrente continua a due fasi.

Questo ed altri scopi vengono realizzati secondo l'invenzione con il procedimento inizialmente definito, caratterizzato dal fatto di comprendere le operazioni di:

rilevare intensità della corrente fluente nel motore;

confrontare il valore istantaneo di una grandezza di controllo prefissata con una soglia calcolata secondo una funzione predeterminata dell'intensità rilevata della corrente fluente nel motore; e

provocare una commutazione di stato dei suddetti commutatori elettronici quando il valore della grandezza di controllo supera la soglia.

In un primo modo di attuazione la grandezza di controllo à ̈ l'intensità rilevata della corrente fluente nel motore. In questo caso, l'associata soglia à ̈ calcolata ad esempio secondo una funzione predeterminata della tensione di alimentazione e della velocità angolare stimata del rotore.

In alternativa, la soglia può essere calcolata secondo una funzione, in particolare una funzione lineare, del valore minimo della derivata temporale della corrente fluente nel motore.

In un altro modo di attuazione la grandezza di controllo à ̈ invece il tempo trascorso dalla precedente commutazione di stato dei commutatori elettronici associati agli avvolgimenti di fase. In questo caso, la soglia associata viene calcolata secondo una funzione, in particolare una funzione lineare, del tempo trascorso fra la commutazione di stato precedente dei suddetti commutatori e l'istante in cui la derivata temporale della corrente nel motore assume un valore di minimo.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell'invenzione appariranno dalla descrizione dettagliata che segue, effettuata a puro titolo di esempio non limitativo, con riferimento ai disegni allegati, nei quali:

la figura 1 Ã ̈ uno schema circuitale, parzialmente a blocchi di un dispositivo per l'attuazione del procedimento di controllo secondo l la presente invenzione; e

le figure 2 e 3 sono schemi circuitali, parzialmente a blocchi, relativi a due varianti di attuazione.

Nella figura 1 con BM à ̈ complessivamente indicato un motore brushless in c.c. a due fasi. Tale motore à ̈ privo di sensore di posizione e, in modo per sé noto, comprende un rotore R a magneti permanenti, e due avvolgimenti di fase W1 e W2, collegati ciascuno in serie ad un rispettivo commutatore elettronico M1, M2 fra i due poli di una sorgente di tensione di alimentazione Vccin corrente continua.

I commutatori M1 e M2 sono ad esempio transistori di tipo MOSFET.

Nella realizzazione esemplificativamente illustrata un resistore di shunt SR à ̈ collegato fra i commutatori M1, M2 e la massa GND. Nel funzionamento, il resistore SR rende disponibile una tensione proporzionale all'intensità della corrente I fluente nel motore BM.

L'utilizzo di un resistore di shunt come sensore di corrente à ̈ puramente esemplificativo. Altre soluzioni per sé note possono essere adottate in sua vece.

Il segnale I(t) reso operativamente disponibile dal resistore SR viene applicato ad un primo ingresso di un comparatore COMP, che provvede a confrontarlo con una soglia Ithr.

Quando il segnale I(t) supera la soglia Ithr, ovvero quando la corrente fluente nel motore BM supera una corrispondente soglia, il comparatore COMP applica un segnale logico, ad esempio a livello "1", ad un ingresso T (ingresso di Toggle) di un circuito logico di pilotaggio LDC che presenta due uscite G1 e G2 accoppiate agli ingressi di comando (gate) dei commutatori M1 e M2.

Il circuito logico di pilotaggio LDC presenta un ulteriore ingresso E (ingresso di Enable). Tale circuito logico LDC provoca la commutazione di stato dei commutatori M1 e M2 quando ai suoi ingressi T ed E si ha contemporaneamente un segnale a livello "1".

Con SO à ̈ indicato un blocco "osservatore" della velocità di rotazione del motore BM. Tale blocco riceve dal circuito logico di pilotaggio LDC un segnale indicativo delle commutazioni di stato impresse ai commutatori M1 e M2, e da tale segnale calcola la velocità angolare istantanea ωmdel motore BM. Per una stima ottimale della velocità ωm, il blocco SO può essere predisposto per implementare un filtraggio con un algoritmo IIR del primo ordine.

L'informazione relativa alla velocità angolare ωmdel motore BM viene fornita ad un blocco TC che provvede al calcolo della soglia Ithr, e ad un blocco di abilitazione a finestra di tempo TWE, di cui si dirà nel seguito.

Il blocco TC à ̈ inoltre collegato alla sorgente di tensione di alimentazione Vcc, ed à ̈ predisposto per calcolare la soglia Ithrsecondo una funzione predeterminata di tale tensione Vcce della velocità angolare stimata ωmdel rotore.

Convenientemente, la soglia à ̈ calcolata ad esempio secondo una funzione lineare del tipo seguente:

Ithr= α Vcc– β ωm

ove α e β sono valori predeterminati, caratteristici dello specifico motore BM utilizzato; α e β possono essere parametri i cui valori possono essere eventualmente modificabili secondo modalità prestabilite al variare delle condizioni di funzionamento.

Il blocco di abilitazione a finestra di tempo TWE à ̈ predisposto per fornire un segnale di abilitazione all'ingresso E del circuito logico di pilotaggio LDC soltanto dopo che à ̈ trascorso un tempo prefissato dalla commutazione di stato immediatamente precedente dei commutatori M1 e M2.

Tale tempo prefissato può essere convenientemente stabilito come una percentuale prefissata, in particolare compresa fra il 50 ed il 90%, e preferibilmente pari a circa l'80%, del periodo corrispondente alla velocità (frequenza di rotazione) o pulsazione del rotore R.

A tale scopo, come à ̈ mostrato nella figura 1, al blocco TWE pervengono l'informazione relativa alla velocità angolare ωme il segnale di commutazione fornito dal circuito logico LDC ed indicativo delle commutazioni di stato dei commutatori elettronici M1 e M2.

Sebbene nella figura 1 le varie funzioni per il controllo del motore BM siano state rappresentate sottoforma di blocchi, Ã ̈ evidente che tali funzioni possano essere complessivamente implementate via software con un microcontrollore, o con un circuito integrato di tipo custom o simile.

La modalità di controllo del motore sopra de scritta à ̈ attuata, come si à ̈ già detto, quando tale motore opera in condizioni di regime, ovvero quando esso ruota ad una velocità superiore ad un valore minimo, dopo la fase di avviamento e posizionamento iniziale.

La fase di avviamento e posizionamento iniziale può essere attuata secondo una qualsiasi delle tecniche per sé note, ad esempio con una serie di commutazioni di stato dei commutatori M1 e M2 a velocità variabile, con accelerazione tale da portare il motore a corrente piena prima dell'avvio del procedimento di controllo sopra descritto.

Nella figura 2 Ã ̈ rappresentata una prima variante di attuazione dell'invenzione.

In tale figura a parti ed elementi già descritti sono stati attribuiti nuovamente gli stessi simboli di riferimento utilizzati in precedenza.

La variante secondo la figura 2 à ̈ basata essenzialmente sul monitoraggio dell'andamento della corrente fluente nel motore. quando in un avvolgimento del motore BM fluisce una corrente, la variazione di posizione angolare del rotore R provoca una variazione dell'induttanza di tale avvolgimento. Tale variazione si traduce in una variazione della "pendenza" della corrente che passa nell'avvolgimento, per cui monitorando l'andamento di tale corrente à ̈ possibile ottenere un'informazione sulla posizione angolare del rotore R.

Lo schema della figura 2 illustra il principio di funzionamento di questa variante.

Anche in questo caso viene rilevata la corrente fluente nel motore BM, ad esempio per mezzo di un resistore di shunt RS. Il segnale indicativo della corrente nel motore viene amplificato e filtrato in un blocco di condizionamento SC. Il segnale I(t) all'uscita di tale blocco viene fornito da una parte ad un ingresso di un comparatore COMP e ad un blocco di memorizzazione M, e d'altra parte viene fornito all'ingresso di un blocco di differenziazione DB. Quest'ultimo calcola la prima derivata temporale del segnale I(t), ovvero della corrente fluente nel motore.

Il blocco DB Ã ̈ collegato all'ingresso di un blocco MD di rilevazione del minimo, predisposto per individuare il valore minimo della prima derivata temporale della corrente. Tale valore minimo costituisce un'indicazione di una posizione del rotore R.

quando la prima derivata della corrente nel motore raggiunge il valore minimo, viene fornito un segnale all'ingresso STORE del blocco di memoria M. Tale blocco provvede allora ad immagazzinare il valore Imdella corrente nel motore nel momento in cui la derivata di tale corrente à ̈ minima.

Il valore immagazzinato Imviene fornito all'ingresso di un blocco TC di calcolo della soglia Ithr. Tale blocco à ̈ convenientemente predisposto per calcolare la soglia Ithrsecondo la funzione, in particolare una funzione lineare, del valore minimo Im.

Con riferimento alla figura 2, nell'esempio illustrato il valore minimo Imviene semplicemente moltiplicato per un coefficiente costante k predeterminato.

Il comparatore COMP provvede quindi al confronto fra il segnale I(t) rappresentativo della corrente nel motore con la soglia Ithr.

Quando I(t) supera la soglia Ithr, il comparatore COMP fornisce ad un ingresso CF del circuito logico di pilotaggio LDC un segnale tale da provocare la commutazione di stato dei commutatori elettronici M1 e M2.

Al momento della commutazione di stato, la memoria M viene resettata, e l'intero ciclo di funzionamento ricomincia come sopra descritto.

Nella figura 3 à ̈ illustrata un'ulteriore variante di attuazione del procedimento o metodo secondo l'invenzione. Anche in tale figura a parti ed elementi già descritti sono stati attribuiti gli stessi riferimenti alfanumerici utilizzati in precedenza.

Con riferimento allo schema della figura 3, i blocchi SC, DB e MD operano allo stesso modo sopra descritto con riferimento alla figura 2.

Nello schema della figura 3 Ã ̈ presente un timer TB, implementato ad esempio come contatore resettabile, sostanzialmente equivalente ad un'implementazione analogica come generatore di rampa.

L'uscita del timer TB Ã ̈ collegata ad un ingresso t del blocco di memoria M, e ad un primo ingresso di un comparatore COMP.

Quando il blocco di rilevazione del minimo MD rileva che la derivata temporale della corrente fluente nel motore ha raggiunto un valore minimo, il blocco di memoria M memorizza il segnale proveniente dal timer TB a quell'istante.

Poiché il timer TB viene resettato ad ogni commutazione di stato dei commutatori M1 e M2, il valore tmmemorizzato nella memoria M rappresenta il tempo trascorso fra la precedente commutazione di stato e l'istante in cui la derivata della corrente fluente nel motore ha assunto il valore di minimo.

Nello schema secondo la figura 3, il blocco di calcolo della soglia TC à ̈ collegato alla memoria M, ed à ̈ predisposto per generare una soglia tthrcalcolata secondo una funzione predeterminata, in particolare una funzione lineare, del tempo tm. Nell'esempio specificamente illustrato, il blocco TC calcola la soglia tthrmoltiplicando il tempo tmper una costante c predeterminata.

Nella variante secondo la figura 3, la grandezza di controllo à ̈ dunque il tempo t trascorso dalla commutazione di stato precedente dei commutatori elettronici M1 e M2, che viene confrontato con la soglia tthrnel comparatore COMP.

Ad ogni commutazione di stato anche la memoria M (oltre al timer TB) viene resettata, e il ciclo riprende da principio come sopra descritto.

Anche nelle varianti secondo le figure 2 e 3 il metodo di controllo secondo l'invenzione può essere implementato con un microprocessore o microcontrollore, o con un circuito integrato di tipo custom o simile.

Naturalmente, fermo restando il principio del trovato, le forme di attuazione e i particolari di realizzazione potranno essere ampiamente variati rispetto a quanto à ̈ stato descritto ed illustrato a puro titolo di esempio non limitativo, senza per questo uscire dall'ambito dell'invenzione come definito nelle annesse rivendicazioni.

Claims (9)

1. RIVENDICAZIONI 1. Procedimento per il controllo a regime, senza sensore di posizione, di un motore brushless in c.c. a due fasi (BM) comprendente un rotore a magneti permanenti (R) e due avvolgimenti di fase (W1, W2) collegati in serie a rispettivi commutatori elettronici (M1, M2) fra i due poli di una sorgente di tensione di alimentazione in c.c. (Vcc); detti commutatori (M1, M2) essendo pilotati in modo tale per cui essi sono resi conduttivi alternatamente fra loro; il procedimento essendo caratterizzato dal fatto che comprende le operazioni di: rilevare l'intensità della corrente fluente nel motore (BM); confrontare il valore istantaneo di una grandezza di controllo prefissata (I(t); t) con una soglia (Ithr; tthr) calcolata secondo una funzione predeterminata dell'intensità rilevata della corrente fluente nel motore (BM); e provocare una commutazione di stato dei suddetti commutatori elettronici (M1, M2) quando il valore della grandezza di controllo (I(t); t) supera la soglia (Ithr; tthr).
2. 2. Procedimento secondo la rivendicazione 1, in cui la grandezza di controllo à ̈ l'intensità rilevata (I(t)) della corrente fluente nel motore (BM).
3. 3. Procedimento secondo la rivendicazione 2, in cui viene stimata la velocità angolare (ωm) del rotore (R), e la soglia (Ithr) à ̈ calcolata secondo una funzione predeterminata della tensione di alimentazione (Vcc) erogata da detta sorgente e della velocità angolare stimata (ωm) del rotore (R).
4. 4. Procedimento secondo la rivendicazione 3, in cui la soglia (Ithr) à ̈ calcolata secondo una funzione lineare del tipo: Ithr= α Vcc– β ωm ove Ithrà ̈ la soglia, Vccà ̈ la tensione di alimentazione erogata dalla sorgente, ωmà ̈ la velocità angolare stimata del rotore (R), ed α e β sono valori predeterminati, caratteristici del motore (BM).
5. 5. Procedimento secondo la rivendicazione 3 o 4, in cui la commutazione di stato dei suddetti commutatori elettronici (M1, M2) viene abilitata soltanto dopo che à ̈ trascorso un tempo misurato a partire dalla commutazione di stato immediatamente precedente.
6. 6. Procedimento secondo la rivendicazione 5, in cui detto tempo prefissato à ̈ una percentuale prefissata, in particolare compresa fra il 50 ed il 90%, e preferibilmente pari a circa l'80%, del periodo corrispondente alla velocità angolare o pulsazione (ωm) del rotore (R).
7. 7. Procedimento secondo la rivendicazione 2, in cui la soglia (Ithr) Ã ̈ calcolata secondo una funzione, ed in particolare una funzione lineare, del valore minimo (Im) della prima derivata temporale della corrente rilevata (I(t)) del motore (BM).
8. 8. Procedimento secondo la rivendicazione 1, in cui la grandezza di controllo à ̈ il tempo (t) trascorso dalla commutazione di stato precedente dei suddetti commutatori elettronici (M1, M2).
9. 9. Procedimento secondo la rivendicazione 8, in cui la soglia (tthr) Ã ̈ calcolata secondo una funzione, e in particolare una funzione lineare, del tempo (tm) trascorso fra la commutazione di stato precedente e l'istante in cui la prima derivata temporale della corrente rilevata nel motore (I(t)) assume un valore di minimo (Im).