ITTO980848A1 - Procedimento e dispositivo per rilevare la velocita' di rotazione diun motore elettrico a corrente continua pilotato con un segnale di - Google Patents
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Description
DESCRIZIONE dell'invenzione industriale dal titolo: "Procedimento e dispositivo per rilevare la velocità di rotazione di un motore elettrico a corrente continua pilotato con un segnale di comando PWM"
DESCRIZIONE
La presente invenzione riguarda un procedimento per rilevare la velocità di rotazione di un motore elettrico a corrente continua del tipo definito nell'introduzione della rivendicazione 1.
I motori elettrici a corrente continua, dei tipi con e senza spazzole, pilotati con un segnale di comando ad onda quadra a larghezza di impulso moduato (PWM) sono diffusamente utilizzati, ad esempio a bordo di autoveicoli per svariate applicazioni, quali l'azionamento di ventole, la movimentazione di cristalli, ecc..
In tali applicazioni è corrente l'impiego di segnali di pilotaggio PWM a frequenza assai elevata, ad esempio nell'ordine di 20KHz.
Nel caso di un motore a corrente continua provvisto di spazzole, è noto di rilevare la velocità di rotazione, ad esempio ai fini della sua regolazione, analizzando la corrente assorbita dal motore. Questo modo di rilevare la velocità di rotazione è peraltro piuttosto impreciso ed altamente influenzato dalle condizioni ambientali (temperatura, variazioni di tensione di alimentazione, tolleranze intrinseche del motore, ecc). Altre soluzioni note per la rilevazione della velocità di rotazione di un motore elettrico a corrente continua prevedono l'impiego di sensori di tipo magnetico (sensori di Hall o sensori magnetoresistivi) o di sensori di tipo ottico. In entrambi i casi l'adozione di sensori incide negativamente per le inevitabili complicazioni strutturali e le necessarie integrazioni della parte di rilevamento con l'elettronica di controllo del motore, nonché infine per i costi supplementari legati all'impiego di sensori.
Altre soluzioni note per rilevare la velocità di rotazione senza il ricorso a sensori prevedono, nei motori con spazzole, la cosiddetta lettura diretta delle spazzole, cioè il rilevamento e l'analisi del ripple della corrente assorbita durante la commutazione. Questa tecnica, nel caso di motori pilotati i con segnali PWM con frequenze dell'ordine delle decine di KHz, risulta di attua-zione problematica in quanto il segnale rappresentato dal ripple della corrente che presenta una dinamica di ampiezza ed una frequenza considerevolmente più modeste della dinamica di ampiezza e della frequenza dei segnali di pilotaggio PWM, per cui si rende necessario il ricorso a filtri molto sofisticati.
Un ulteriore modo noto prevede la lettura della forza elettromotrice (EMF) o controelettromotrice (CEMF). In questo caso peraltro la misura è fortemente influenzata dalle condizioni ambientali, e in particolare dalla temperatura.
Lo scopo della presente invenzione è di mettere a disposizione un procedimento migliorato di rilevamento della velocità di rotazione di un motore elettrico a corrente continua del tipo inizialmente definito.
Questo ed altri scopi vengono realizzati secondo l'invenzione con il procedimento le cui caratteristiche salienti sono definite nell'annessa rivendicazione 1. i
Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell'invenzione;appariranno dalla descrizione dettagliata che segue, effettuata a puro titolo d'esempio non limitativo con riferimento ai disegni allegati nei quali:
la figura 1 è uno schema elettrico, parzialmente a blocchi, che mostra un motore elettrico a corrente continua, del tipo con spazzole, ed un associato circuito di alimentazione, pilotaggio e regolazione di velocità attuante un procedimento secondo l'invenzione;
la figura 2 è una serie di grafici che mostra l'andamento qualitativo, in funzione del tempo t riportato in ascissa, di segnali nel circuito della figura 1;
la figura 3 mostra una variante di realizzazione del circuito secondo la figura 1; e
la figura 4 mostra un motore brushless ed un relativo circuito di alimentazione, pilotaggio e controllo secondo l'invenzione.
Nella figura 1 con 1 è complessivamente indicato un motore elettrico a corrente continua con un avvolgimento di rotore 2 suscettibile di essere accoppiato a due spazzole 3a, 3b stazionarie tramite un commutatore o collettore a segmenti di tipo per sé noto.
Il motore il è collegato o collegabile da una parte ad una sergente di tensione continua di alimentazione 4, quale una batteria di accumulatori, e dall'altra parte a un commutatore elettronico 5. Nella realizzazione illustrata il motore 1 è collegato al polo positivo della sorgente 4, il cui polo negativo è collegato alla massa GND, e il commutatore elettronico 5 è un transistore di tipo MOSFET, avente il source collegato alla massa GND.
In parallelo al motore 1 è connesso un diodo di ricircolo 6.
Il gate dei commutatore elettronico 5 è collegato all'uscita di un circuito driver 7, atto a fornire a tale commutatore un segnale di comando ad onda quadra a larghezza di impulso modulata (PWM), avente una frequenza di ad esempio 20kHz.
Il circuito driver 7 riceve a sua volta segnali di comando dall'unità di controllo a microprocessore 8 che riceve ad un ingresso 8a un segnale indicativo della desiderata velocità di rotazione nominale del motore 1.
Il drain del commutatore elettronico 5 è collegato all'ingresso di un filtro 9 la cui uscita è collegata all'ingresso di un circuito trigger 10. L'uscita di quest'ultimo è collegata ad un ulteriore ingresso 8b dell'unità di controllo 8. Fra l'uscita del circuito trigger 10 e la massa è disposto un diodo zener 11 fungente da limitatore di tensione. L'ingresso 8b dell'unità di controllo 8 funge da ingresso per l'acquisizione di un segnale da cui è desumibile la velocità di rotazione effettiva del motore elettrico 1 con il metodo secondo l'invenzione che verrà meglio descritto nel seguito.
L'unità di controllo 8 a microprocessore opera nel modo seguente.
Sulla base della velocità di rotazione nominale richiesta per ii motore 1, indicata dal segnale fornito all'ingresso 8a, l'unità 8 fornisce al circuito driver 7 segnali di comando atti a far si che il duty-cycle del segnale applicato al gate del commutatore elettronico 5 corrisponda a tale velocità desiderata.
La tensione V0 fra il drain del commutatore elettronico .5 e la massa presenta allora l'andamento qualitativamente illustrato nella parte di sinistra del grafico superiore della figura 2. La tensione V0 ha un andamento,ad onda quadra, fra un valor massimo sostanzialmente,corrispondente alla tensione VB erogata dalla sorgente 4, e un valore sostanzialmente nullo {se si trascura la caduta di tensione sul commutatore elettronico 5 quando esso è conduttivo).
L'unità elettronica 8 è predisposta per rilevare periodicamente la velocità di rotazione effettiva del motore 1 interrompendo periodicamente l'applicazione del segnale di pilotaggio PWM al gate del commutatore elettronico 5. Al verificarsi di una tale interruzione, come mostrato esemplificativamente all'istante t1 nella figura 2, la tensione V0 presenta inizialmente una variazione in transitorio, con un (modesto)<' >picco di sovratensione pari sostanzialmente alla tensione di conduzione diretta del diodo di ricircolo 6, seguito da una discesa ad un livello che è mediamente più basso della tensione VB (nella figura 2, per chiarezza, la scala dei tempi fra t1 e t2 è stata dilatata). Esaurito tale transitorio iniziale, mentre l'applicazione del segnale di pilotaggio all'ingresso del commutatore 5 permane interrotta (intervallo di tempo fra t2 e t3 nella figura 2) la tensione V0 presenta mediamente un valore pari alla differenza fra la tensione VB erogata dalla sorgente 4 e la forza elettromotrice EMF sviluppata sull'avvolgimento 2 del motore elettrico 1. In particolare, fra gli istanti t2 e t3 l'andamento della tensione V0 presenta un marcato ripple, corrispondente al ripple della forza elettromotrice EMF dovuto alla commutazione di contatto fra le spazzole e i segmenti del collettore del motore elettrico 1.
Tale ripple della tensione V0 presenta una frequenza nettamente inferiore a quella del segnale di pilotaggio PWM applicato al gate del commutatore elettronico 5 ed è ad esempio dell'ordine di qualche centinaio di Hz.
La frequenza del ripple del segnale V0 è, nell'intervallo di tempo t3-t2, proporzionale alla velocità di rotazione del motore elettrico 1. Pertanto il segnale V0, dopo il passaggio nel filtro 9, può essere squadrato mediante il circuito trigger 10 così da ottenere un segnale di frequenza corrispondente, indicato con Vi nel grafico inferiore della figura 2. Il segnale VA viene applicato all'ingresso 8b dell'unità di controllo a microprocessore 8. Quest'ultima è predisposta per determinare sulla base della frequenza del segnale la velocità di rotazione effettiva del motore elettrico 1.
L'unità di controllo 8 riprende quindi, all'istante indicato con t3 nella figura 2, a determinare l'applicazione del segnale di pilotaggio PWM all'ingresso di,comando o gate del commutatore elettronico 5.
Il periodo di tenqpo t3-t3 per il quale il segnale di pilotaggio applicato al commutatore elettronico 5 è stato interrotto deve essere evidentemente sufficientemente lungo da consentire sia l'esaurimento del transitorio iniziale legato al ricircolo della icorrente del motore nel diodo 6 (intervallo t2-t1 , sia la "lettura" di un certo numero di commutazioni della tensione V0, per un'affidabile acquisizione della velocità di rotazione. L'intervallo di interruzione del segnale di pilotaggio PWM deve essere peraltro non eccessivamente lungo, al >fine di evitare un rallentamento apprezzabile del motore, la generazione di rumore acustico e di un elevato ripple nella corrente che viene assorbita dalla sorgente di tensione alla riaccensione del commutatore 5. Tale ripple può influenzare altri dispositivi collegati alla stessa sorgente di tensione.
Con motori dei tipi usuali, il transitorio iniziale (intervallo t2-t1 è in genere esaurito in un tempo massimo inferiore a 1ms. Inoltre, da prove effettuate dalla Richiedente,, l'interruzione del segnale di pilotaggio PWM per un periodo di tempo (t3-t1 pari fino a;40ms è risultato assolutamente accettabile sia dal punto di vista della velocità di rotazione del motore, sia dal punto di vista acustico e del ripple,di corrente generato.
L'interruzione o "spegnimento" periodico del segnale di pilotaggio applicato al commutatore elettronico 5 consente dunque in modo agevole di rilevare in modo affidabile e preciso la velocità di rotazione effettiva del motore elettrico. Convenientemente, l'unità di controllo 8 è predisposta per attuare successivè interruzioni del segnale di pilotaggio PWM, con<: >una frequenza di ripetizione preferibilmente non costante,· bensì casuale, in modo da rendere gli effetti acustici di tali ripetute interruzioni assolutamente impercettibili.
La soluzione sopra descritta con riferimento alla figura 1 prevede che la velocità di rotazione effettiva del motore elettrico venga rilevata mediante il rilevamento della frequenza del ripple del segnale V0 ovvero il conteggio delle sue oscillazioni in un periodo di tempo predeterminato.
Nella figura 3 è mostrata una variante di rea-<~ >lizzazione che verrà ora descritta. In tale figura a parti ed elementi già descritti sono stati attribuiti nuovamente gli stessi riferimenti alfanumerici.
Anche nella variante secondo la figura 3 il rilevamento della velocità di rotazione effettiva del motore elettrico 1 viene effettuato nel corso di un'interruzione -del segnale di pilotaggio PWM applicato al gate del commutatore elettronico 5. Esso si basa peraltro su fatto che dopo il transitorio iniziale (intervallo t2-t1 della figura 2) il valor medio della tensione V0 nell'intervallo t3-t2 è univocamente correlato alla velocità di rotazione effettiva del motore. In effetti in tale intervallo il valor medio di V0 è pari alla differenza fra la tensione VB generata dalla sorgente 4 e la forza elettromotrice EMF media sviluppata sull'avvolgimento 2 del motore. Quest'ultima è sostanzialmente proporzionale (secondo una legge non lineare) alla velocità di rotazione effettiva del motore.
Nella soluzione secondo la figura 3, il drain del commutatore elettronico 5 è dunque collegato all'ingresso di una prima sezione di un convertitore analogico/digitale 12 attraverso un filtro 9. Il polo positivo della sorgente 4 è inoltre collegato ad una seconda .sezione del convertitore 12. Quest'ultimo fornisce ad una serie di ingressi 8b dell'unità di controllo a microprocessore 8 segnali digitali indicativi del valore istantaneo della tensione VB e del segnale V0. L'unità di controllo 8 è predisposta per ricavare, sulla base di tali segnali, il valor medio della forza elettromotrice EMF e per desumere da;questo la velocità di rotazione effettiva del motóre.
Per quanto riguarda la durata del periodo di interruzione ’del segnale di pilotaggio PWM, anche nel caso della soluzione secondo la .figura 3 valgono le stesse considerazioni già esposte in relazione alla soluzione secondo la figura 1.
La soluzione secondo la figura 1 assicura una buona precisionè del rilevamento della velocità in particolare quando tale velocità è elevata, mentre la soluzione secondo la figura 3 è atta a consentire una buona precisione di rilevamento in particolare alle basse velocità. .
In vista di quanto sopra, in una ulteriore realizzazione, non illustrata nei disegni, possono essere implementate sia la soluzione secondo la figura 1, sia quella secondo la figura 3 e l'unità di controllo a microprocessore 8 può essere convenientemente predisposta per determinare la velocità di rotazione del motóre secondo la prima soluzione quando la velocità di’rotazione nominale o richiesta del motore è superiore ad un valore predeterminato, e secondo la seconda soluzione quando tale velocità nominale o richiesta è inferiore a detto valore predeterminato. .
Nella figura 4 è mostrato uno schema circuitale per attuare una rilevazione di velocità e/o posizione in un motore a corrente continua di tipo brushless. Nella realizzazione illustrata in tale figura il motore brushless è un motore trifase a semionda con rotore (non illustrato) a magneti permanenti. Il motore brushless 101 della figura 4 comprende tre avvolgimenti o fasi di statore 102a, 102b# 102c collegati o collegabili fra il polo positivo di una sorgente di tensione continua di alimentazione 104 e rispettivi commutatori elettronici di comando 105a, I05b, 105c. Questi ultimi possono essere anche in questo caso transistori MOSFET.
L'ingresso di comando o gate dei commutatori elettronici associati alle fasi del motore 101 sono collegati a corrispondenti uscite di un circuito driver 107, atto a fornire loro rispettivi segnali di pilotaggio ad onda quadra a larghezza di impulso modulata (PWM).;Il circuito driver 107 è comandato da un'unità di .controllo a microprocessore 108 che riceve ad un ingresso 108a un segnale indicativo della velocità idi rotazione nominale richiesta per il motore.
I drain dei commutatori elettronici 105a, 105b, 105c sono collegati, attraverso rispettivi filtri 109a, 109b, ;109c, a corrispondenti ingressi dell'unità di controllo 108. Quest'ultima è predisposta per interrompere l'applicazione del segnale di comando al gate di ciascun commutatore 105a# 105b, 105c per un rispettivo periodo di tempo di durata prefissata, durante il quale viene acquisito un rispettivo segnale V0a, Vobl correlato con la tensione sul corrispondente avvolgimento o fase di statore del motore'101. I segnali V0a, V0b, V0c sono in particolare rappresentativi delle forze elettromotrici indotte nei corrispondenti avvolgimenti o fasi 102a, 102b, 102c del motore. L'unità di controllo 108 è predisposta per rilevare il segno di tali forze elettromotrici e per determinare, sulla base di tale segno, la velocità e/o la posizione del rotore del motore.
Il rilevamento della velocità di rotazione di un motore elettrico a corrente continua secondo l'invenzione presenta caratteristiche di precisione -tali da permettere, al sistema di controllo associato al motore, di evitare che quest'ultimo ruoti con determinati valori di velocità a cui possono insorgere fenomeni di risonanza meccanica.
Naturalmente, fermo restando il principio del trovato, le forme di attuazione e i particolari di realizzazione potranno essere ampiamente variati rispetto a quanto è stato descritto ed illustrato a puro titolo di esempio non limitativo, senza per questo uscire da.ll'ambito dell'invenzione come definito nelle annesse rivendicazioni.
Claims (10)
- RIVENDICAZIONI 1. Procedimento per rilevare la velocità di rota-zione di un motore elettrico a corrente continua (1; 101) comprendente almeno un avvolgimento (2; 102a, 102b, 102c) collegabile ad una sorgente di tensione continua di alimentazione (4; 104) tramite un commutatore elettronico (5; 105a, 105b, 105c) a cui è associato un circuito di pilotaggio (7, 8; 107, 108) atto a fornirgli un segnale di comando ad onda quadra a larghezza di impulso modulata (PWM); il procedimento comprendendo le operazioni di: interrompere l'applicazione di detto segnale di comando al commutatore elettronico (5; 105a, 105b, 105c,) per un periodo di tempo (t3-t1) di durata prefissata, acquisire durante detto periodo di tempo (t3-t1 un segnale (V0; V0a, VQb, V0c) correlato con la tensione su detto avvolgimento (2;^ 102a, 102b, I02c), e rilevare almeno una caratteristica predeterminata di detto segnale (V0; V0a, Vob, V0c) dipendente dalla velocità di rotazione del motore (1; 101).
- 2. Procedimento secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che l'applicazione di detto segnale di comando al commutatore (5; 105a, 105b, 105c) viene interrotta una pluralità di volte con una frequenza di ripetizione delle interruzioni che è sostanzialmente casuale.
- 3. Procedimento secondo la rivendicazione 1 o 2, caratterizzato dal fatto che detta caratteristica viene rilevata in un intervallo di tempo (t3-t2) che è compreso in detto periodo di interruzione (t3-t1 di detto segnale di controllo, e che inizia con un ritardo prefissato (t2-t1 rispetto all'interruzione (t1 di detto segnale di controllo.
- 4. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, particolarmente per rilevare la velocità di rotazione di un motore elettrico (1) il cui rotore è provvisto di un collettore a segmenti a cui sono associate spazzole (3a, 3b) collegate alla sorgente di tensione (4) e rispettivamente al commutatore elettronico (59); il procedimento essendo caratterizzato dal fatto che il suddetto segnale (V0) è correlato alla tensione fra dette spazzole (3a, 3b).
- 5. Procedimento secondo la rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che la caratteristica rilevata di detto segnale (V0) è sostanzialmente la frequenza del ripple di detta tensione (V0), dovuto alla commutazione di contatto fra le spazzole (3a, 3b) e i segmenti del collettore.
- 6. Procedimento secondo la rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che la caratteristica rilevata di detto segnale (V0) è sostanzialmente il valor medio di detta tensione (V0) .
- 7. Procedimento secondo la rivendicazione 4, per rilevare la velocità di rotazione effettiva di un motore (1) a cui è associato un sistema di regolazione della velocità (7, 8; 8a) atto a pilotare detto commutatore elettronico (5)con un segnale di controllo (PWM) la cui larghezza di impulso corrisponde ad una desiderata velocità di rotazione nominale del motore (1); caratterizzato dal fatto che quando detta velocità di rotazione nominale è superiore e rispettivamente inferiore,a un valore predeterminato, la caratteristica rilevata è la frequenza del ripple del suddetto segnale (V0) , dovuto alla commutazione di contatto fra le spazzole e i segmenti del collettore, e rispettivamente il valor medio di detta tensione (V0) .
- 8. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1 a 3, per rilevare la velocità e/o la posizione angolare del rotore di un motore elettrico brushless a magneti permanenti (101) comprendente una pluralità di avvolgimenti o fasi di statore (102a, 102b, 102c), ciascuno dei quali è selettiva-mente accoppiabile ad una sorgente di tensione continua di alimentazione (104) tramite un rispettivo commutatore elettronico (105a, 105b, 105c) pilotato con un segnale di comando ad onda quadra a larghezza di impulso modulata (PWM); caratterizzato dal fatto che l'applicazione del segnale di comando a ciascun commutatore (105a, 105b, 105c) viene interrotta per un rispettivo periodo di tempo di durata prefissata, durante il quale viene acquisito un segnale (V0a, Vob, V0c) correlato con la tensione sul corrispondente avvolgimento o fase {102, 102b, 102c) del motore (101) e viene rilevata almeno una caratteristica predeterminata di detto segnale (V0a, Vob, V0c) dipendente dalla velocità e/o dalla posizione angolare del rotore del motore (101).
- 9 . Procedimento secondo la rivendicazione 8, caratterizzato dal fatto che detto segnale (V0a, V0b, V0c) è rappresentativo della forza elettromotrice indotta nell'avvolgimento o fase di statore (102a, 102b, I02c), e viene rilevato il segno di detta forza elettromotrice.
- 10. Dispositivo per l'attuazione del procedimento secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che comprende: mezzi di controllo (8; 108) atti a determinare l'interruzione dell'applicazione di detto segnale di comando (PWM)ai: commutatore elettronico {5; 105a, 105b, 105c) per un periodo di tempo di durata prefissata {t3-t1 , mezzi di acquisizione (9-12; 109a, 109b, 109c) atti a consentire l'acquisizione, durante detto periodo di tempo (t3-t1 , di un segnale correlato con la tensione su detto avvolgimento (2; 102a, 102b, 102c), e mezzi di rilevazione (8; 108) atti a rilevare almeno una caratteristica predeterminata di detto segnale (V0; V0a, V0b, V0c) dipendente dalla velocità di rotazione del motore (1; 101). Il tutto sostanzialmente secondo quanto descritto e illustrato, e per gli scopi specificati.
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