ITTO20120311A1 - Dispositivo circuitale di controllo per un motore brushless trifase in corrente continua - Google Patents

Dispositivo circuitale di controllo per un motore brushless trifase in corrente continua Download PDF

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Description

DESCRIZIONE dell’invenzione industriale dal titolo: “Dispositivo circuitale di controllo per un motore brushless trifase in corrente continuaâ€
DESCRIZIONE
La presente invenzione riguarda un dispositivo circuitale di controllo per un motore brushless in corrente continua.
Più specificamente l’invenzione ha per oggetto un dispositivo circuitale di controllo per un motore brushless trifase comprendente
un circuito a ponte intero, includente tre rami circuitali collegati fra i due poli di una sorgente di tensione continua di alimentazione, ciascun ramo comprendendo un commutatore elettronico superiore ed un commutatore elettronico inferiore, interconnessi fra loro e connessi al polo positivo e rispettivamente al polo negativo di detta sorgente, gli avvolgimenti o fasi del motore essendo collegati ciascuno ad un punto intermedio fra i due commutatori di un corrispondente ramo del circuito a ponte; e
mezzi elettronici di controllo e pilotaggio, predisposti per pilotare a regime i commutatori superiori e i commutatori inferiori del circuito a ponte con rispettive terne di segnali di pilotaggio fra loro sfalsate di circa 180° elettrici, ciascuna terna comprendendo tre segnali di pilotaggio fra loro sfalsati di circa 120° elettrici e comprendenti ciascuno una porzione attiva o di conduzione, alternata ad una porzione inattiva o di interdizione;
i mezzi elettronici di controllo e pilotaggio essendo predisposti in modo tale per cui ciascuna porzione attiva di ciascun segnale di pilotaggio presenta un intervallo iniziale di attivazione ad impulsi, un intervallo intermedio di attivazione continua, ed un intervallo finale di attivazione ad impulsi, l’intervallo intermedio di attivazione continua avendo un’estensione in gradi elettrici maggiore di quella di ciascun intervallo di attivazione ad impulsi.
Un dispositivo circuitale di tale tipo à ̈ descritto in EP 1 845 609 A2.
Uno scopo della presente invenzione à ̈ di realizzare un siffatto dispositivo circuitale di controllo migliorato, atto a consentire una limitazione delle variazioni della coppia erogata dal motore, e realizzabile con dispositivi relativamente semplici e poco costosi.
Questo ed altri scopi vengono realizzati secondo l’invenzione con un dispositivo circuitale di controllo del tipo sopra specificato, caratterizzato dal fatto che i suddetti mezzi elettronici di controllo e pilotaggio sono predisposti per pilotare a regime i suddetti commutatori con segnali di pilotaggio la cui porzione attiva o di conduzione si estende per oltre 120° elettrici, in modo tale per cui ciascun intervallo iniziale di attivazione ad impulsi di un commutatore si sovrappone almeno in parte all’intervallo finale di attivazione ad impulsi del commutatore attivato precedente.
Convenientemente, la porzione attiva o di conduzione di detti segnali di pilotaggio ha un’estensione di circa 140° elettrici, o più, tale estensione potendo variare in funzione della velocità del motore e dell’intensità della corrente da esso assorbita.
I suddetti mezzi elettronici di controllo e pilotaggio sono inoltre vantaggiosamente predisposti per pilotare a regime i commutatori con segnali di pilotaggio che comprendano un intervallo iniziale di attivazione ad impulsi a larghezza (durata) modulata con valor medio crescente, e con un intervallo finale di attivazione ad impulsi a larghezza (durata) modulata con valor medio decrescente.
Il dispositivo di controllo secondo l’invenzione consente dunque, in modo relativamente semplice e poco costoso, di realizzare un sistema a correnti pseudo-sinusoidali.
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 illustra un’architettura generale di un dispositivo circuitale di controllo per un motore brushless trifase in corrente continua;
la figura 2 mostra andamenti esemplificativi di segnali di pilotaggio secondo la presente invenzione per i commutatori elettronici superiori ed inferiori di un circuito a ponte secondo la figura 1;
le figure da 3a a 3c sono diagrammi circuitali parziali esplicativi del funzionamento del dispositivo di controllo secondo la presente invenzione; e la figura 4 à ̈ un diagramma che mostra modalità di variazione delle correnti nelle fasi del motore realizzabili con un dispositivo di controllo secondo l’invenzione.
Nella figura 1 Ã ̈ illustrato un dispositivo circuitale di controllo secondo la presente invenzione per un motore brushless trifase in corrente continua.
Tale dispositivo di controllo comprende un circuito a ponte intero 1, che include tre rami circuitali indicati con B1, B2 e B3. Tali rami circuitali sono collegati fra i due poli di una sorgente 2 di tensione continua di alimentazione che nell’esempio di realizzazione illustrato ha il polo negativo collegato ad un conduttore di massa GND.
I rami B1, B2 e B3 del circuito a ponte 1 comprendono rispettivi commutatori elettronici superiori M1, M2 e M3, e rispettivi commutatori elettronici inferiori M4, M5 e M6, ordinatamente interconnessi fra loro, e collegati al polo positivo e, rispettivamente, al polo negativo della sorgente 2.
Tali commutatori elettronici sono preferibilmente transistori di tipo MOSFET.
Il circuito a ponte 1 Ã ̈ accoppiato ad un motore brushless M, provvisto di tre fasi o avvolgimenti W1, W2 e W3, che nella realizzazione illustrata sono fra loro interconnessi a stella ma che in alternativa possono essere interconnessi a triangolo. Gli avvolgimenti W1, W2 e W3 sono collegati ciascuno ad un punto intermedio fra i due commutatori elettronici di un corrispondente ramo del circuito a ponte 1.
In modo per sé noto, in parallelo a ciascun commutatore elettronico M1-M3, M4-M6 à ̈ collegato un rispettivo diodo di ricircolo D1-D3, D4-D6.
Inoltre, parimenti in modo per sé noto, in parallelo al circuito a ponte 1 à ̈ collegato un condensatore C1.
Fra i commutatori inferiori M4, M5 e M6 e la massa GND può essere interposto un resistore di shunt Rs, per il rilevamento dell’intensità della corrente fluente nel motore M.
Agli ingressi di controllo (gate) dei commutatori del circuito a ponte 1 sono collegate corrispondenti uscite di un’unità elettronica di controllo e pilotaggio, complessivamente indicata con ECU.
Tale unità può essere realizzata semplicemente con l’impiego di un microcontrollore a 8 bit, dunque non necessariamente con l’impiego di un DSP (Digital Signal Processor).
L’unità ECU à ̈ predisposta per pilotare i commutatori elettronici del circuito a ponte 1 secondo modalità prestabilite, in funzione di segnali applicatile dall’esterno, ed eventualmente di segnali generati al suo interno.
All’unità di controllo ECU possono essere collegati ad esempio tre sensori di posizione, quali sensori ad effetto di Hall, o altri, destinati a rilevare la posizione istantanea del rotore del motore M.
In alternativa, la posizione istantanea del rotore del motore M può essere desunta, in modo per sé noto, dall’analisi delle forze controelettromotrici sviluppate negli avvolgimenti o fasi W1, W2 e W3 del motore M. Nella figura 2 tali forze controelettromotrici sono indicate con A, B e C.
In particolare, l’unità di controllo e pilotaggio ECU à ̈ predisposta per pilotare, a regime, i commutatori superiori M1, M2 e M3 ed i commutatori M4, M5 e M6 del circuito a ponte 1 con rispettive terne di segnali di pilotaggio, fra loro sfalsate di circa 180° elettrici, ove ciascuna terna comprende tre segnali di pilotaggio fra loro sfalsati di circa 120° elettrici e comprendenti ciascuna una porzione attiva o di conduzione, alternata ad una porzione inattiva o di interdizione.
I segnali di pilotaggio applicati ai commutatori elettronici del circuito a ponte 1 possono essere ad esempio quelli i cui andamenti esemplificativi sono qualitativamente rappresentati nella parte intermedia ed inferiore della figura 2.
In tale figura il segnale di pilotaggio applicato al generico i-esimo (i = 1, 2, ..., 6) commutatore elettronico Mi del circuito a ponte à ̈ indicato con Gi.
L’unità ECU può in particolare essere predisposta per generare segnali di pilotaggio tali per cui ciascuna porzione attiva di ciascun segnale di pilotaggio G1-G3, G4-G6 (figura 2) presenta un intervallo iniziale PWMR di attivazione ad impulsi a larghezza (durata) modulata, con valor medio variabile secondo un profilo prestabilito, ad esempio crescente, un intervallo intermedio ON di attivazione continua ed un intervallo finale PWMF di attivazione ad impulsi a larghezza (durata) modulata a valor medio ad esempio decrescente.
Per ciascun segnale di pilotaggio Gi ciascuna porzione attiva inizia con un ritardo (in gradi elettrici) predeterminato, che può essere fisso o variabile, rispetto al passaggio per lo zero (zerocrossing) immediatamente precedente della forza controelettromotrice corrispondente (A o B o C). Nei diagrammi esemplificativi della figura 2 tale ritardo à ̈ di 20 gradi elettrici.
Nell’intervallo iniziale PWMR di ciascuna porzione attiva di ogni segnale di pilotaggio Gi il duty-cycle degli impulsi può essere variato secondo una legge o profilo predeterminato, che può essere di tipo fisso o variabile.
Sia il ritardo iniziale sopra menzionato, sia la legge o profili di variazione del duty-cycle sono determinabili in modo tale da conseguire una riduzione del ripple di coppia. Se si opta per un periodo di ritardo variabile, il profilo di variazione del duty-cycle può essere fisso, e viceversa.
Nel caso il ritardo iniziale o il profilo di variazione del duty-cycle sia non fisso esso à ̈ convenientemente variabile secondo una funzione predeterminata della velocità di rotazione, rilevata o desunta, del motore e/o dell’intensità della corrente assorbita dal motore.
Ciascun intervallo intermedio ON di attivazione continua presenta preferibilmente un’estensione in gradi elettrici maggiore di quella di ciascun intervallo di attivazione ad impulsi PWMR o PWMF.
Complessivamente, ciascuna porzione attiva di ciascun segnale di pilotaggio presenta un’estensione di oltre 120° elettrici, come bene si vede nei diagrammi della parte intermedia e della parte inferiore della figura 2. Di conseguenza, l’intervallo iniziale PWMR di attivazione ad impulsi di un commutatore si sovrappone almeno in parte all’intervallo finale PWMF di attivazione ad impulsi del commutatore di attivazione immediatamente precedente, in corrispondenza di ogni commutazione della fase.
Convenientemente l’estensione complessiva della porzione attiva o di conduzione (PWMR ON PWMF) di ciascun segnale di pilotaggio à ̈ pari a 140° elettrici, o più. In generale, l’estensione della parte attiva o di conduzione dei segnali di pilotaggio può essere resa variabile in funzione della velocità del motore e/o della corrente da esso assorbita, in particolare in modo tale da ridurre il ripple di coppia. La velocità del motore può essere rilevata a mezzo di un sensore, o desunta ad esempio dagli andamenti delle forze controelettromotrici A, B e C (figura 2).
Convenientemente, come risulta dai grafici della figura 2, in concomitanza con l’intervallo iniziale PWMR di attivazione ad impulsi e con l’intervallo finale PWMF della porzione attiva o di conduzione del segnale di pilotaggio applicato al gate di un commutatore del circuito a ponte 1, al gate del commutatore appartenente allo stesso ramo di tale circuito a ponte può essere applicato un segnale di attivazione ad impulsi PWMRC e, rispettivamente, PWFC, complementari ai segnali PWMR e PWMF, rispettivamente.
Nelle figure da 3a a 3c à ̈ illustrato il funzionamento del dispositivo circuitale di controllo della figura 1 negli intervalli indicati con a, b e c nella figura 2, cui corrispondono gli andamenti dei segnali di pilotaggio G1-G6 ricompresi nel rettangolo tratteggiato che in tale figura à ̈ indicato con K.
Nell’intervallo a il commutatore M2 viene pilotato con il segnale G2 a impulsi di larghezza (durata) modulata a valor medio (leggermente) decrescente, mentre il commutatore M4 viene pilotato con il segnale G4, in conduzione continua.
Corrispondentemente, come à ̈ illustrato nella figura 3a, negli avvolgimenti o fasi W1 e W2 del motore M fluiscono rispettive correnti indicate con I1 e I2 in tale figura. Gli andamenti di tali correnti I1 e I2 sono corrispondentemente riportati nella parte sinistra della figura 4, in funzione della posizione in gradi elettrici riportata in ascissa.
Nel successivo intervallo b i commutatori M2 e M3 sono pilotati ad impulsi di larghezza (durata) modulata, mediante i segnali G2 e G3. Il commutatore M2 Ã ̈ peraltro pilotato con impulsi a valor medio sensibilmente decrescente, mentre il commutatore M3 Ã ̈ pilotato con impulsi a valor medio sensibilmente crescente.
Al contempo, il commutatore M4 Ã ̈ pilotato con il segnale G4 in conduzione continua.
Pertanto, come à ̈ mostrato nella figura 3b, negli avvolgimenti o fasi W1, W2 e W3 del motore M fluiscono rispettive correnti I1, I2 e I3, con gli andamenti qualitativamente rappresentati nella porzione intermedia della figura 4.
Nel successivo intervallo c, il commutatore M3 à ̈ pilotato dal segnale G3 ad impulsi di larghezza (durata) che à ̈ lievemente crescente, mentre il commutatore M4 continua ad essere pilotato in conduzione continua mediante il segnale G4. Di conseguenza, come à ̈ mostrato nella figura 3c, negli avvolgimenti W1 e W3 del motore M fluiscono rispettive correnti I1 e I3, i cui andamenti sono qualitativamente rappresentati nella parte di destra della figura 4.
Come la descrizione che precede permette di apprezzare, il dispositivo circuitale di controllo secondo l’invenzione permette di realizzare un pilotaggio pseudo-sinusoidale, in modo relativamente semplice, riducendo sensibilmente il ripple di coppia e il rumore di commutazione.
Come si à ̈ già accennato in precedenza, l’unità elettronica di controllo ECU può essere implementata con un semplice microcontrollore a 8 bit, senza necessità di ricorrere ad un più costoso DSP.
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. Dispositivo circuitale di controllo per un motore brushless trifase in corrente continua (M), comprendente un circuito a ponte intero (1), includente tre rami circuitali (B1, B2, B3) collegati fra i due poli di una sorgente (2) di tensione continua di alimentazione, ciascun ramo (B1, B2, B3) comprendendo un commutatore elettronico superiore (M1, M2, M3) ed un commutatore elettronico inferiore (M4, M5, M6), interconnessi fra loro e connessi al polo positivo e rispettivamente al polo negativo di detta sorgente (2); gli avvolgimenti o fasi (W1, W2, W3) del motore (M) essendo collegati ciascuno ad un punto intermedio fra i due commutatori (M1, M4; M2, M5; M3; M6) di un corrispondente ramo (B1, B2, B3) del circuito a ponte (1); e mezzi elettronici di controllo e pilotaggio (ECU) predisposti per pilotare a regime i commutatori superiori (M1-M3) ed i commutatori inferiori (M4-M6) del circuito a ponte (1) con rispettive terne (G1-G3; G4-G6) di segnali di pilotaggio, fra loro sfalsate di circa 180° elettrici, ciascuna terna comprendendo tre segnali di pilotaggio (G1-G3; G4-G6) fra loro sfalsati di circa 120° elettri ci e comprendenti ciascuno una porzione attiva o di conduzione, alternata ad una porzione inattiva o di interdizione; i mezzi elettronici di controllo e pilotaggio (ECU) essendo predisposti in modo tale per cui ciascuna porzione attiva di ciascun segnale di pilotaggio (G1-G3; G4-G6) presenta un intervallo iniziale (PWMR) di attivazione ad impulsi, un intervallo intermedio (ON) di attivazione continua, ed un intervallo finale (PWMF) di attivazione ad impulsi; l’intervallo intermedio (ON) di attivazione continua avendo un’estensione in gradi elettrici maggiore di quella di ciascun intervallo (PWMR, PWMF) di attivazione ad impulsi; caratterizzato dal fatto che i mezzi elettronici di controllo e pilotaggio (ECU) sono predisposti per pilotare a regime i suddetti commutatori (M1-M3; M4-M6) con segnali di pilotaggio (G1-G3; G4-G6) la cui porzione attiva o di conduzione (PWMR ON PWMF) si estende per oltre 120° elettrici, in modo tale per cui ciascun intervallo iniziale di attivazione ad impulsi (PWMR) di un commutatore si sovrappone almeno in parte all’intervallo finale di attivazione ad impulsi (PWMF) del commutatore attivato precedente.
  2. 2. Dispositivo circuitale di controllo secondo la rivendicazione 1, in cui i mezzi elettronici di controllo e pilotaggio (ECU) sono predisposti per pilotare a regime i suddetti commutatori (M1-M3; M4-M6) con segnali di pilotaggio (G1-G3; G4-G6) la cui porzione attiva o di conduzione (PWMR ON PWMF) si estende per almeno circa 140° elettrici.
  3. 3. Dispositivo circuitale di controllo secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui i mezzi di controllo e pilotaggio (ECU) sono predisposti per pilotare a regime i commutatori (M1-M3; M4-M6) con segnali di pilotaggio (G1-G3; G4-G6) la cui porzione attiva o di conduzione (PWMR ON PWMF) à ̈ variabile in funzione della velocità del motore (M) e/o della corrente da esso assorbita, in modo tale da ridurre il ripple della coppia.
  4. 4. Dispositivo circuitale di controllo secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui i mezzi elettronici di controllo e pilotaggio (ECU) sono predisposti per pilotare a regime i suddetti commutatori (M1-M3; M4-M6) con segnali di pilotaggio (G1-G3; G4-G6) comprendenti un intervallo iniziale (PWMR) di attivazione ad impulsi a larghezza (durata) modulata a valor medio crescente, e con un intervallo finale (PWMF) di attivazione ad impulsi a larghezza (dura ta) modulata a valor medio decrescente.
  5. 5. Dispositivo circuitale di controllo secondo la rivendicazione 4, in cui la larghezza o durata degli impulsi dell’intervallo iniziale (PWMR) e dell’intervallo finale (PWMF) varia secondo un profilo temporale prestabilito, in modo da ridurre il ripple di coppia.
  6. 6. Dispositivo circuitale di controllo secondo la rivendicazione 5, in cui la larghezza o durata degli impulsi dell’intervallo iniziale (PWMR) e dell’intervallo finale (PWMF) varia secondo una funzione della velocità del motore (M) e/o della corrente assorbita dal motore (M).
  7. 7. Dispositivo circuitale di controllo secondo una delle rivendicazioni da 4 a 6, in cui ciascuna porzione attiva o di conduzione (PWMR ON PEMF) di ciascun segnale di pilotaggio (G1-G3; G4-G6) inizia con un ritardo predeterminato rispetto al passaggio per lo zero immediatamente precedente della forza controelettronica corrispondente (A, B, C).
  8. 8. Dispositivo circuitale di controllo secondo la rivendicazione 7, in cui detto ritardo à ̈ fisso, oppure variabile in funzione della velocità di rotazione del motore (M) e/o della corrente assorbita dal motore (M).
  9. 9. Dispositivo circuitale di controllo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto mezzi circuitali di controllo e pilotaggio (ECU) sono realizzati con un microcontrollore a 8 bit.
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