ITTO20130129A1 - Sistema e metodo per controllare un motore elettrico senza spazzole in corrente continua a pilotaggio sinusoidale per un attuatore di potenza automobilistico - Google Patents
Sistema e metodo per controllare un motore elettrico senza spazzole in corrente continua a pilotaggio sinusoidale per un attuatore di potenza automobilisticoInfo
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Description
DESCRIZIONE
“SISTEMA E METODO PER CONTROLLARE UN MOTORE ELETTRICO SENZA SPAZZOLE IN CORRENTE CONTINUA A PILOTAGGIO SINUSOIDALE PER UN ATTUATORE DI POTENZA AUTOMOBILISTICOâ€
La presente invenzione à ̈ relativa ad un sistema e ad un metodo per controllare un motore elettrico senza spazzole in corrente continua a pilotaggio sinusoidale per un attuatore di potenza automobilistico, in particolare a un dispositivo di chiusura di veicolo a motore quale un attuatore di serratura di tipo “cinch†, o un dispositivo alzacristalli (“window regulator†), a cui la seguente descrizione farà esplicito riferimento.
L'espressione "dispositivo di chiusura" sarà utilizzata nella seguente descrizione e nelle rivendicazioni allegate per indicare in generale qualsiasi elemento mobile tra una posizione aperta e una posizione chiusa, rispettivamente che apre e chiude un accesso ad uno scomparto interno di un veicolo a motore, comprendente pertanto bagagliaio, portelloni posteriori, cofano o altri scomparti chiusi, finestrini, tettucci, oltre alle portiere laterali di un veicolo a motore.
L'utilizzo di motori elettrici senza spazzole in corrente continua à ̈ già stato proposto in un veicolo a motore per azionare attuatori di potenza quali dispositivo alzacristalli.
Come rappresentato schematicamente in figura 1, un motore elettrico senza spazzole in c.c. (corrente continua) 1 comprende una serie di avvolgimenti statorici 2a, 2b, 2c (nell’esempio tre connessi in una configurazione a stella), e un rotore 3 avente due poli ("N" e "S") nell'esempio, che à ̈ operabile per ruotare rispetto agli avvolgimenti statorici 2a, 2b, 2c.
Il controllo del motore elettrico senza spazzole in c.c. 1 prevede la commutazione elettrica periodica delle correnti che scorrono negli avvolgimenti statorici 2a, 2b, 2c al fine di mantenere la rotazione del rotore 3 tramite la risultante interazione magnetica.
L'azione di controllo solitamente richiede la conoscenza della posizione del rotore 3 durante la sua rotazione; di conseguenza, sensori di Hall o altri tipi di sensori di posizione, mostrati schematicamente come 4a, 4b, 4c, sono disposti in modo circonferenziale rispetto agli avvolgimenti statorici 2a, 2b, 2c (ad esempio con una distanza angolare di 120°), al fine di rilevare la posizione del rotore 3.
Ad esempio, utilizzando tre sensori di posizione 4a, 4b, 4c di Hall di tipo ON/OFF, la posizione magnetica del rotore 3 può essere rilevata per sei diverse zone radiali come mostrato schematicamente in figura 2 (in cui i diversi codici corrispondenti alle uscite fornite dai sensori di posizione 4a, 4b, 4c, nonché l'orientamento del flusso statorico, in quadratura rispetto al flusso rotorico, sono mostrati per ogni zona).
Come mostrato in figura 3, il controllo del motore elettrico senza spazzole in c.c. 1 può essere implementato in una cosiddetta "modalità trapezoidale", per cui le tensioni di fase negli avvolgimenti statorici 2a, 2b, 2c hanno un andamento trapezoidale, essendo costanti per ogni zona del rotore.
Questo schema di controllo genera tuttavia un cambiamento discontinuo da una zona a quella successiva e questo comportamento induce una coppia non costante e un rumore meccanico nel sistema.
L'utilizzo di un pilotaggio sinusoidale per il motore elettrico senza spazzole in c.c. 1 può essere vantaggioso al fine di generare una potenza e una coppia costanti per ridurre l'ondulazione e il rumore meccanico.
Nella modalità di pilotaggio sinusoidale, il motore elettrico senza spazzole in c.c. 1 à ̈ alimentato da tre tensioni in PWM trifase modulate per ottenere correnti di fase di forma sinusoidale negli avvolgimenti statorici 2a, 2b, 2c come mostrato schematicamente in figura 4.
Per la generazione di onde sinusoidali, l'angolo del rotore deve essere noto con una risoluzione sufficientemente elevata; pertanto, solitamente, encoder, trasduttori di posizione angolare o altri sensori di posizione ad alta risoluzione vengono utilizzati al posto di sensori a bassa risoluzione come i sensori di Hall.
L'utilizzo di sensori ad alta risoluzione tuttavia comporta costi maggiori e anche una probabilità superiore che si verifichino errori durante il funzionamento.
Pertanto, nel settore si sente, tra l’altro, la necessità di una soluzione di controllo più semplice ma al contempo affidabile per un motore elettrico senza spazzole in c.c. a pilotaggio sinusoidale.
È pertanto uno scopo di alcuni aspetti della presente invenzione fornire una soluzione di controllo migliorata, progettata per soddisfare la suddetta necessità .
Questo scopo può essere ottenuto da un sistema e da un metodo di controllo come definiti nelle rivendicazioni allegate.
Una forma di realizzazione non limitativa di alcuni aspetti della presente invenzione sarà descritta a scopo esemplificativo con riferimento ai disegni allegati, nei quali:
- la figura 1 Ã ̈ una rappresentazione schematica di un motore elettrico senza spazzole in c.c. di tipo noto;
- la figura 2 Ã ̈ una rappresentazione schematica di zone operative del motore elettrico senza spazzole in c.c.;
- le figure 3 e 4 mostrano diagrammi di quantità elettriche associate a diverse modalità di pilotaggio del motore elettrico senza spazzole in c.c.;
- la figura 5 mostra schematicamente un attuatore di potenza automobilistico, in particolare un dispositivo alzacristalli di veicolo a motore;
- la figura 6 mostra un digramma a blocchi di un sistema di controllo di un motore elettrico senza spazzole in c.c. dell'attuatore di potenza di figura 5; e
- la figura 7 mostra un diagramma di flusso di operazioni di controllo effettuate nel sistema di controllo di figura 6.
Il numero 10 in figura 5 indica nel complesso un attuatore di potenza automobilistico di un veicolo a motore (non mostrato) in particolare un dispositivo alzacristalli, operabile per pilotare una lastra scorrevole o finestrino 11 tra le posizioni aperta e chiusa rispetto ad un telaio di supporto 12 fissato ad una portiera del veicolo 13.
L'attuatore di potenza 10 comprende un motore elettrico senza spazzole in c.c. indicato nuovamente con 1, ad esempio realizzato come mostrato in figura 1 (tanto che saranno nuovamente utilizzati gli stessi numeri per indicare le sue parti costituenti) e un circuito di controllo 14 accoppiato elettricamente al motore elettrico senza spazzole in c.c. 1 e comprendente (come verrà descritto nel seguito) hardware e/o software adatti a controllare il funzionamento dello stesso motore elettrico senza spazzole in c.c. 1.
L'attuatore di potenza 10 comprende inoltre un gruppo di accoppiamento meccanico 15 (mostrato schematicamente), comprendente ad esempio alberi condotti rotanti, treni di ingranaggi e/o treni di ingranaggi di riduzione, che accoppiano il motore elettrico senza spazzole in c.c. 1 al finestrino 11 così da indurne il movimento rispetto al telaio di supporto 12.
Un aspetto della presente soluzione, come mostrato in figura 6, prevede il controllo del motore elettrico senza spazzole in c.c. 1 in una modalità sinusoidale, che utilizza sensori di posizione a bassa risoluzione, quali sensori di posizione di Hall (di tipo ON/OFF), nuovamente indicati con 4a, 4b, 4c per rilevare la posizione angolare del rotore 3; al fine di migliorare la precisione del rilevamento di posizione, à ̈ fornita in modo concomitante una stima della posizione sulla base dell'integrazione temporale della velocità del motore, determinata in funzione dell'uscita di almeno uno degli stessi sensori di posizione 4a, 4b, 4c.
In dettaglio, il circuito di controllo 14 dell'attuatore di potenza 10 comprende un invertitore trifase 20 e un'unità PWM 22 (in modulazione di ampiezza di impulso) accoppiata agli avvolgimenti statorici di fase 2a, 2b, 2c.
In modo noto, qui non discusso in dettaglio, l'invertitore trifase 20 comprende una coppia di commutatori a transistori di potenza per ogni avvolgimento statorico 2a, 2b, 2c che sono controllati dall'unità in PWM 22 così da pilotare le rispettive tensioni di fase ad un valore alto (ON) o ad un valore basso (OFF) al fine di controllare il valore medio delle tensioni e/o delle correnti correlate.
Il circuito di controllo 14 comprende inoltre un'unità di generazione di forme d’onda 24 e un modulo di stima della posizione 25.
Il modulo di stima della posizione 25 Ã ̈ configurato per fornire una stima accurata della posizione angolare del rotore 3 del motore elettrico senza spazzole in c.c. 1, sulla base delle uscite dei sensori di posizione 4a, 4b, 4c accoppiati allo stesso motore elettrico senza spazzole in c.c. 1.
L'unità di generazione di forme d’onda 24 à ̈ accoppiata all'unità in PWM 22 e all'invertitore trifase 20 ed à ̈ configurata per generare forme d'onda di tensione e/o corrente adatte per pilotare gli avvolgimenti statorici 2a, 2b, 2c del motore elettrico senza spazzole in c.c. 1, anche sulla base della posizione angolare del rotore 3 fornita dal modulo di stima della posizione 25.
In un modo non descritto in dettaglio, uno schema di controllo di velocità ad anello chiuso può essere implementato attraverso un controllo in PWM delle tensioni sulle tre fasi del motore (che a sua volta consente di realizzare un controllo ad anello di corrente delle correnti trifase).
In un modo non descritto in dettaglio, nel caso le forme d'onda desiderate da generare non siano sinusoidali, l'unità di generazione di forme d’onda 24 può comprendere una tabella di ricerca (“look-up table†) per la generazione delle forme d'onda sulla base della posizione angolare del rotore rilevata.
In maggior dettaglio, il modulo di stima della posizione 25 comprende un'unità di rilevamento della posizione approssimativa o grossolana 30, che à ̈ accoppiata ai sensori di posizione 4a, 4b, 4c e riceve da essi i segnali di posizione rilevati al fine di ottenere una determinazione approssimativa della posizione del rotore 3 (ad esempio in termini del settore o della zona in cui lo stesso rotore 3 à ̈ situato durante la sua rotazione). Ad esempio, nel caso in cui si utilizzino tre sensori di posizione 4a, 4b, 4c, la posizione determinata dall'unità di rilevamento della posizione approssimativa 30 ha un errore di circa 60°.
Il modulo di stima della posizione 25 comprende inoltre un'unità di calcolo della velocità 32 che à ̈ accoppiata ad almeno uno degli stessi sensori di posizione 4a, 4b, 4c (ossia a uno, due o tutti e tre i sensori di posizione 4a, 4b, 4c), ed à ̈ configurata per determinare la velocità ω del rotore in rotazione 3, sulla base della temporizzazione di commutazione del(i) sensore(i).
In particolare, l'unità di calcolo della velocità 32 determina un periodo di commutazione TSdell'almeno un sensore di posizione 4a, 4b, 4c e calcola la velocità ω in funzione dell'inverso del periodo di commutazione TS:
Nel caso più semplice in cui il rotore 3 abbia una singola coppia di poli magnetici, il periodo di commutazione TSà ̈ la somma di due semiperiodi in cui l'uscita del sensore à ̈ rispettivamente a livello alto o basso (si vedano ad esempio i diagrammi esemplificativi in figura 3). Nel caso in cui il rotore 3 abbia un numero superiore di coppie di poli magnetici, l'unità di calcolo della velocità 32 può sommare tutti i rispettivi semiperiodi, al fine di calcolare il periodo di commutazione TSaffinché sia in ogni caso indicativo di un intero ciclo di rotazione meccanico per il rotore. Come alternativa, il periodo di commutazione calcolato può rappresentare un multiplo intero di un singolo ciclo di rotazione meccanico del rotore 3; un'altra alternativa può prevedere il calcolo del periodo su una coppia di poli, sommando un impulso di livello alto al successivo impulso di livello basso.
Il modulo di stima della posizione 25 comprende un'unità di integrazione temporale 34, accoppiata all'unità di calcolo della velocità 32 per ricevere da essa la velocità ω calcolata, e configurata per effettuare un'integrazione temporale della stessa velocità ω al fine di ottenere una posizione stimata della posizione angolare del rotore 3:
Il modulo di stima della posizione 25 comprende inoltre un'unità di combinazione 36 che à ̈ accoppiata ad entrambe l'unità di rilevazione della posizione 30 approssimativa e l'unità di integrazione temporale 34, ricevendo da esse sia la posizione rilevata sia la posizione stimata .
L'unità di combinazione 36 à ̈ configurata per implementare un opportuno algoritmo, come sarà descritto in dettaglio nel seguito, per combinare la posizione rilevata e la posizione stimata al fine di generare la stima precisa della posizione angolare del rotore 3 da utilizzare per l'azione di controllo del motore elettrico senza spazzole in c.c. 1.
La stima della posizione angolare à ̈ fornita da una combinazione ponderata della posizione rilevata e della posizione stimata secondo la presente espressione:
in cui α1e α2sono un primo e un secondo coefficiente di peso in cui α1à ̈ diverso da α2.
Il circuito di controllo 14 può inoltre comprendere un controllore di velocità 38 (ad esempio del tipo PI -proporzionale integrale - o del tipo PID - proporzionale integrale derivativo), che riceve la velocità ω calcolata dall'unità di calcolo della velocità 32 ed una velocità di riferimento ωrefche rappresenta un profilo di velocità predeterminato per il movimento del finestrino 11 rispetto al telaio di supporto 12.
Il controllore di velocità 38, in un modo qui non descritto in dettaglio, genera un errore di riferimento err per l'unità di generazione di forme d’onda 24 per implementare il controllo di velocità ad anello chiuso.
L'algoritmo implementato dall'unità di combinazione 36 à ̈ ora descritto in maggior dettaglio con riferimento anche alla figura 7.
In generale, questo algoritmo prevede la ponderazione in un modo diverso della posizione rilevata e della posizione stimata in funzione delle diverse velocità di funzionamento del motore elettrico senza spazzole in c.c.
1; di conseguenza, l'unità di combinazione 36 può ricevere la velocità calcolata ω, come indicazione della velocità operativa del motore elettrico senza spazzole in c.c. 1.
L'unità di combinazione 36 à ̈ configurata per valutare il valore della velocità calcolata ω nella fase 40.
Se la velocità calcolata ω à ̈ al di sotto di una prima soglia predeterminata Th1, come determinato nella fase 42, che à ̈ indicativa di uno stallo o di una condizione operativa a basa frequenza, sostanzialmente soltanto la posizione rilevata viene utilizzata per generare la stima della posizione angolare .
Di fatto, la stima basata sulla velocità del rotore ω non può essere utilizzata in modo affidabile all'avviamento del motore elettrico senza spazzole in c.c. 1 in quanto in questa prima fase operativa la velocità angolare del rotore 3 à ̈ altamente irregolare.
In altri termini, in questa condizione operativa, il primo coefficiente di peso α1à ̈ selezionato, nella fase 43, con un valore molto superiore rispetto al secondo coefficiente di peso α2nell’espressione di combinazione per determinare la stima della posizione angolare :
Se la velocità calcolata ω à ̈ superiore rispetto alla prima soglia predeterminata Th1, ma ancora al di sotto di una seconda soglia predeterminata Th2avente un valore superiore alla prima soglia predeterminata Th1, ossia ad una velocità di transizione media, come determinato nella fase 44, la posizione rilevata à ̈ impostata in modo da essere predominante nell'espressione di combinazione. In altri termini, il primo coefficiente di peso α1viene scelto, nella fase 45, con un valore superiore al secondo coefficiente di peso α2nell'espressione di combinazione per determinare la stima della posizione angolare :
Se invece la velocità calcolata ω à ̈ superiore alla seconda soglia predeterminata Th2, ossia a frequenze superiori, comprendenti velocità di funzionamento normale, come determinato nella fase 46, la posizione stimata diventa predominante nell'espressione di combinazione. In altri termini, il primo coefficiente di peso α1à ̈ selezionato, nella fase 47, con un valore inferiore rispetto al secondo coefficiente di peso α2nell'espressione di combinazione per determinare la stima della posizione angolare :
I vantaggi della soluzione descritta sono chiari dalla precedente descrizione.
In particolare, si sottolinea che una stima affidabile della posizione angolare del rotore 3 del motore elettrico senza spazzole in c.c. 1 Ã ̈ ottenuta senza utilizzare sensori complessi e costosi (quali sensori encoder) e con l'utilizzo di un numero limitato di sensori di posizione a bassa risoluzione, come i sensori di posizione di Hall.
Di conseguenza, il motore elettrico senza spazzole in c.c. 1 può essere controllato in modo affidabile con risparmi di costi e di risorse.
Chiaramente, à ̈ possibile apportare modifiche a quanto à ̈ descritto e illustrato nella presente senza tuttavia discostarsi dall’ambito di protezione definito nelle rivendicazioni allegate.
In particolare, si sottolinea che un numero diverso di sensori di posizione può essere utilizzato; in particolare, anche uno o due sensori di posizione (ad esempio sensori di posizione di Hall) potrebbero essere utilizzati nel sistema di controllo descritto, con la posizione rilevata corretta grazie all'operazione di integrazione della velocità descritta.
In generale, à ̈ tuttavia chiaro che maggiore à ̈ il numero dei sensori di posizione utilizzati, superiore à ̈ la risoluzione che può essere ottenuta per la stima iniziale della posizione del rotore.
Il numero di poli rotorici e/o avvolgimenti statorici del motore elettrico senza spazzole in c.c. 1 potrebbe essere diverso dalla forma di realizzazione esemplificativa precedentemente descritta.
Nella forma di realizzazione del dispositivo alzacristalli, gli stessi sensori di posizione 4a, 4b, 4c utilizzati per il controllo del motore elettrico senza spazzole in c.c. 1 possono anche essere utilizzati, in un modo noto non descritto in dettaglio, per implementare una funzione anti-schiacciamento (“anti-pinch†) rispetto al movimento del finestrino 11.
Inoltre, Ã ̈ chiaro che il sistema e il metodo di controllo descritti possono essere utilizzati vantaggiosamente con altri attuatori di potenza automobilistici nel veicolo a motore, diversi dal dispositivo alzacristalli descritto nella presente forma di realizzazione.
Claims (15)
- RIVENDICAZIONI 1. Sistema di controllo (14) per controllare un motore elettrico senza spazzole (1) per un attuatore di potenza automobilistico (10), comprendente un rotore (3) operabile per ruotare rispetto ad avvolgimenti statorici (2a, 2b, 2c), il sistema di controllo (14) comprendendo: un'unità di rilevamento di posizione (4a-4c, 30) accoppiata al rotore (3), configurata per rilevare la sua posizione angolare e fornire una posizione rilevata ( ); e un'unità di generazione (24), configurata per generare tensioni e/o correnti di pilotaggio per gli avvolgimenti statorici (2a, 2b, 2c) in funzione della posizione angolare del rotore (3), caratterizzato dal fatto di comprendere un modulo di stima di posizione (25), accoppiato all'unità di rilevamento di posizione (4a-4c, 30) e configurato per ricevere la posizione rilevata ( ) e correggere il valore della posizione rilevata ( ), fornendo così una posizione angolare corretta ( ) all'unità di generazione (24).
- 2. Sistema di controllo secondo la rivendicazione 1, in cui l'unità di rilevamento di posizione (4a-4c, 30) comprende sensori di posizione (4a-4c) che forniscono segnali di posizione; e il modulo di stima di posizione (25) comprende: un'unità di calcolo di velocità (32) configurata per determinare una velocità (ω) del rotore (3) sulla base di almeno uno dei segnali di posizione forniti dai sensori di posizione (4a-4c); e un'unità di integrazione temporale (34) accoppiata all'unità di calcolo di velocità (32) configurata per effettuare un'integrazione temporale della velocità determinata (ω) e generare una posizione stimata ( ) da utilizzare per la correzione del valore della posizione rilevata ( ).
- 3. Sistema di controllo secondo la rivendicazione 2, in cui i sensori di posizione (4a-4c) sono sensori magnetici a commutazione e l'unità di calcolo di velocità (32) à ̈ configurata per determinare la velocità (ω) in funzione di una temporizzazione di commutazione di almeno un segnale di posizione fornito dai sensori di posizione (4a-4c).
- 4. Sistema di controllo secondo la rivendicazione 3, in cui l'unità di calcolo di velocità (32) à ̈ configurata per determinare la velocità (ω) in funzione dell'inverso del periodo di commutazione (TS) dell'almeno un segnale di posizione.
- 5. Sistema di controllo secondo la rivendicazione 3 o 4, in cui i sensori di posizione (4a-4c) sono sensori magnetici di Hall, accoppiati al motore elettrico senza spazzole (1).
- 6. Sistema di controllo secondo la rivendicazione 5, in cui il numero di sensori magnetici di Hall (4a-4c) Ã ̈ non superiore a tre.
- 7. Sistema di controllo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 2 a 6, comprendente un'unità di combinazione (36) configurata per combinare, con un rispettivo coefficiente di peso (α1,α2), la posizione rilevata ( ) e la posizione stimata ( ) al fine di generare la posizione angolare ( ).
- 8. Sistema di controllo secondo la rivendicazione 7, in cui l'unità di combinazione (36) à ̈ configurata per implementare un algoritmo di ponderazione per determinare i rispettivi coefficienti di peso (α1,α2) in funzione della condizione operativa del motore elettrico senza spazzole (1).
- 9. Sistema di controllo secondo la rivendicazione 7 o 8, in cui l'unità di combinazione (36) à ̈ configurata per implementare un algoritmo di ponderazione per determinare i rispettivi coefficienti di peso (α1,α2) in funzione della velocità (ω) del rotore (3).
- 10. Sistema di controllo secondo la rivendicazione 9, in cui l'algoritmo di ponderazione prevede un primo coefficiente di peso (α1) per la posizione rilevata ( ), superiore a un secondo coefficiente di peso (α2) per la posizione stimata ( ), in presenza di una velocità (ω) inferiore ad una data soglia (Th2).
- 11. Sistema di controllo secondo la rivendicazione 9 o 10, in cui l'algoritmo di ponderazione prevede un primo coefficiente di peso (α1) per la posizione rilevata ( ), inferiore ad un secondo coefficiente di peso (α2) per la posizione stimata ( ), in presenza di una velocità (ω) superiore ad una data soglia (Th2).
- 12. Sistema di controllo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui l'attuatore di potenza automobilistico (10) Ã ̈ un dispositivo alzacristalli per un dispositivo di chiusura del veicolo (13).
- 13. Dispositivo alzacristalli (10) per un dispositivo di chiusura (13) di un veicolo a motore, comprendente un sistema di controllo (14) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti.
- 14. Metodo di controllo per controllare un motore elettrico senza spazzole (1) per un attuatore di potenza automobilistico (10) comprendente un rotore (3) operabile per ruotare rispetto ad avvolgimenti statorici (2a, 2b, 2c), il metodo di controllo comprendendo le fasi di: rilevare la posizione angolare del rotore (3), per fornire una posizione rilevata ( ); e generare tensioni e/o correnti di pilotaggio per gli avvolgimenti statorici (2a, 2b, 2c), sulla base della posizione angolare del rotore (3), caratterizzato dal fatto di comprendere la fase di correggere il valore della posizione rilevata ( ) per fornire una posizione angolare corretta ( ) per generare le tensioni e/o le correnti di pilotaggio per gli avvolgimenti statorici (2a, 2b, 2c).
- 15. Metodo di controllo secondo la rivendicazione 14, in cui la fase di rilevare la posizione angolare del rotore (3) comprende ricevere segnali di posizione da sensori di posizione (4a-4c) accoppiati al rotore (3); e la fase di correggere comprende: determinare una velocità (ω) del rotore (3) sulla base di almeno uno dei segnali di posizione ricevuti dai sensori di posizione (4a-4c); ed effettuare un'integrazione temporale della velocità determinata (ω) per generare una posizione stimata ( ) per la correzione del valore della posizione rilevata ( ).
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