ITVA20010002A1 - Sistema e metodo di pilotaggio in modo commutato di un carico induttivo. - Google Patents

Sistema e metodo di pilotaggio in modo commutato di un carico induttivo. Download PDF

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Description

“SISTEMA E METODO DI PILOTAGGIO IN MODO COMMUTATO DI UN CARICO INDUTTIVO”
CAMPO DELL’INVENZIONE
La presente invenzione concerne in generale le tecniche di pilotaggio in modo commutato di un carico induttivo ed in particolare un metodo di controllo della corrente circolante in un carico induttivo.
BACKGROUND DELL’INVENZIONE
La crescente diffusione di sistemi digitali anche per applicazioni quali Γ elaborazione di segnali tipicamente analogici, come ad esempio in amplificatori audio, oltre che per il pilotaggio di motori o attuatori elettromagnetici, anche per l’esigenza di minimizzare i consumi, favoriscono l’impiego di stadi finali di pilotaggio di carichi induttivi in modo commutato, tipicamente secondo una modulazione di tipo PWM e sue varianti.
Naturalmente tale modalità di pilotaggio implica la presenza, sia pure di entità limitata e comunque tollerabile, di un certo “ripple” sulle forme d’onda di uscita.
Naturalmente occorre controllare in modo preciso la corrente circolante attraverso il carico induttivo esterno e ciò è comunemente assicurato da un anello di controreazione che regola le fasi di magnetizzazione e (le fasi) di smagnetizzazione che si alternano una all’altra.
La capacità dei circuiti di pilotaggio PWM di seguire la dinamica di segnali di ingresso analogici durante repentine variazioni di livello e l’esigenza di minimizzare il ripple residuo sulla forma d’onda di uscita, impongono requisiti elettrici contrastanti al percorso di scarica dell’induttanza del carico durante le fasi di smagnetizzazione che si alternano alle fasi di magnetizzazione alla frequenza base (o media) di commutazione di pilotaggio.
Spesso, irrispettivamente dal tipo di applicazione, la frequenza base, fissa nel caso di modalità a “frequenza costante”, o l’intervallo di frequenze comprese tra la frequenza minima e la frequenza massima di commutazione, in modalità a “frequenza variabile”, è tipicamente stabilito al di sopra della banda udibile, che si estende fino a quasi 20 KHz. Per non generare disturbi percepibili e considerando che le perdite nello stadio finale di potenza a seguito delle commutazioni degli interruttori elettrici di potenza aumentano all’ aumentare della frequenza di commutazione, è vantaggioso mantenere tale frequenza base fìssa di commutazione o il suo valore medio in un campo comunemente compreso tra 20 e 30 KHz.
E noto attuare la fase di smagnetizzazione secondo una prima modalità comunemente denominata “a ricircolo veloce” oppure secondo una seconda modalità comunemente denominata “a ricircolo lento”. Tale prima modalità prevede che il carico induttivo si trovi sostanzialmente cortocircuitato in modo che la corrente decada in funzione della sola costante elettrica del carico.
Tale seconda modalità prevede che al carico venga applicata una tensione di segno opposto rispetto al segno della tensione applicata durante la fase di magnetizzazione così da accelerare (forzare) il processo di scarica dell’induttanza.
E pratica sempre più diffusa selezionare la prima o la seconda delle due modalità o una combinazione delle stesse per ridurre il “ripple” e contemporaneamente garantire un buona dinamica.
Tipicamente, il pilotaggio in modo corrente del carico è attuato monitorando mediante una resistenza di rilevazione della corrente, la corrente che attraversa il carico e utilizzando come segnale di controllo in controreazione, la caduta ai capi della resistenza di rilevazione della corrente. La logica di controllo dello stadio finale rileva eventuali scostamenti della corrente dal valore desiderato ed interviene a modificare il pilotaggio in modo da riportare il valore della corrente al livello desiderato.
Allo scopo di ottimizzare le prestazioni, numerose proposte sono state avanzate per operare una scelta tra una smagnetizzazione a ricircolo lento o a ricircolo veloce oppure un insieme delle due in funzione di certi parametri rilevati durante il funzionamento.
Il brevetto US-A-4,743,824 divulga un metodo di pilotaggio in cui alfinterno di ogni periodo di commutazione sono previste una fase di magnetizzazione ed una fase di smagnetizzazione; quest'ultima può essere a ricircolo lento o a ricircolo veloce. In particolare, la modalità a ricircolo lento viene selezionata se il valore di corrente di riferimento all'inizio del periodo di commutazione risulta superiore al valore che aveva all'inizio del periodo di commutazione precedente e, viceversa, la modalità a ricircolo veloce viene selezionata se il valore di corrente di riferimento all'inizio del periodo di commutazione risulta inferiore al valore che aveva all'inizio del periodo di commutazione precedente. Questo metodo presenta lo svantaggio di non tener conto dell'andamento effettivo della corrente nel carico e, nel caso in cui il segnale di riferimento sia periodico, può dare luogo a componenti spettrali spurie a bassa frequenza.
Il dispositivo commerciale 3955 della Allegro Microsystems Incorporated esegue, all'intemo di ogni periodo di commutazione, una fase di magnetizzazione ed una fase di smagnetizzazione; quest'ultima si compone di una prima parte in cui si effettua una smagnetizzazione a ricircolo veloce seguita da una seconda parte in cui si effettua una smagnetizzazione lenta. Il rapporto tra le durate delle due parti della fase di smagnetizzazione viene stabilito tramite un segnale analogico fornito in ingresso al dispositivo. Il metodo implementato dal dispositivo citato presenta lo svantaggio di non tener conto, a meno di complicazioni circuitali notevoli, dell'andamento effettivo della corrente nel carico e, poiché all'interno di ogni periodo di commutazione si effettua sempre sia una fase di smagnetizzazione a ricircolo lento che una fase di smagnetizzazione a ricircolo veloce oltre alla fase di magnetizzazione, le perdite per commutazione negli interruttori elettronici di potenza risultano elevate.
Il brevetto US-6,119,046 divulga un metodo in cui all'interno di ogni periodo di commutazione sono previste una fase di magnetizzazione ed una fase di smagnetizzazione; quest'ultima può essere interamente a ricircolo lento, interamente a ricircolo veloce, oppure può comprendere una prima parte a ricircolo veloce seguita da una seconda parte a ricircolo lento. La selezione della modalità con cui cominciare la fase di smagnetizzazione viene fatta all'inizio di ogni periodo di commutazione, in funzione della differenza tra il valore di riferimento ed il valore della corrente nel carico. Questo metodo presenta lo svantaggio di richiedere che questa differenza venga in qualche modo memorizzata fino al momento in cui comincia la fase di smagnetizzazione stessa.
Secondo il metodo descritto nel brevetto EP-613,235, ogni periodo di commutazione può comprendere solo una fase di magnetizzazione, solo una fase di smagnetizzazione, oppure una fase di magnetizzazione ed una fase di smagnetizzazione; la fase di smagnetizzazione può essere a ricircolo lento o a ricircolo veloce. La durata delle fasi di magnetizzazione e smagnetizzazione, cosi come la modalità con cui effettuare l'eventuale fase di smagnetizzazione, vengono stabilite all'inizio di ogni periodo di commutazione, in funzione del valore della corrente di riferimento o, in alternativa, del valore della corrente nel carico, e della differenza tra il valore di riferimento ed il valore della corrente nel carico. Questo metodo presenta lo svantaggio di richiedere che il tipo di modalità con cui effettuare la fase di smagnetizzazione, che come detto sopra viene selezionato all'inizio del periodo di commutazione, venga in qualche modo memorizzato fino al momento in cui comincia la fase di smagnetizzazione stessa.
Secondo il metodo descritto nel brevetto US-4,908,562, una fase di magnetizzazione può precedere o seguire soltanto una fase di smagnetizzazione a ricircolo lento ed una fase di smagnetizzazione a ricircolo veloce può precedere o seguire soltanto una fase di smagnetizzazione a ricircolo lento. Questo metodo consente di ridurre il “ripple” ma non presenta vantaggi per quanto riguarda la risposta dinamica del sistema.
SCOPO E SOMMARIO DELL’INVENZIONE
E’ stato trovato e costituisce Eoggetto della presente invenzione, un metodo di pilotaggio in modo commutato di un carico induttivo che supera le sopraccitate limitazioni e svantaggi delle tecniche note.
Essenzialmente il nuovo metodo dell’ invenzione attua una commutazione tra due fasi scelte tra la fase di magnetizzazione, fase di smagnetizzazione a ricircolo lento e fase di smagnetizzazione a ricircolo veloce, in funzione di condizioni istantanee di funzionamento rilevate in modalità continua o campionata.
In particolare, la selezione tra due fasi scelte tra smagnetizzazione a ricircolo lento, smagnetizzazione a ricircolo veloce e magnetizzazione è attuata in funzione dell’esito del confronto di un segnale rappresentativo del valore istantaneo della corrente nel carico con una coppia di soglie superiore e inferiore durante l’intero periodo di commutazione.
Secondo una prima forma preferita di realizzazione dell’invenzione, ciascun periodo di commutazione inizia con una fase di magnetizzazione alla quale si fa seguire una fase di smagnetizzazione a ricircolo veloce qualora il segnale rappresentativo della corrente del carico ecceda la soglia superiore di comparazione.
Se il segnale scende al di sotto della soglia inferiore di comparazione prima dell’inizio del periodo successivo di commutazione, si esegue una fase di smagnetizzazione a ricircolo lento.
La modulazione (e.g. di tipo PWM) del pilotaggio può essere effettuata con periodo di commutazione di durata prestabilita, condizioni di "frequenza costante ", o variabile, tipicamente mantenendo la durata della fase di smagnetizzazione costante all’interno del periodo di commutazione, condizioni di "frequenza variabile".
Secondo una seconda forma preferita di realizzazione dell’ invenzione, particolarmente adatta al caso in cui la modalità di modulazione sia del tipo a "frequenza costante ", il segnale rappresentativo della corrente nel carico viene confrontato all’inizio di ogni periodo di commutazione con entrambe le soglie e
se il segnale eccede la soglia superiore di comparazione si esegue una fase di smagnetizzazione a ricircolo veloce;
se il segnale eccede la soglia inferiore ma risulta inferiore alla soglia superiore, si esegue una fase di smagnetizzazione a ricircolo lento; se il segnale risulta inferiore alla soglia inferiore di comparazione, si esegue una fase di magnetizzazione.
La fase selezionata viene mantenuta fino all’inizio del periodo di commutazione successivo.
Secondo un’ulteriore forma preferita di realizzazione dell’invenzione adatta al caso in cui la modalità di modulazione sia del tipo a ‘‘ frequenza costante ”, il segnale rappresentativo della corrente nel carico viene confrontato all’ inizio di ogni periodo di commutazione con entrambe le soglie e
se il segnale eccede la soglia superiore di comparazione si esegue una fase di smagnetizzazione a ricircolo veloce e se durante tale fase il segnale scende al disotto della soglia inferiore di comparazione, si esegue una fase di smagnetizzazione a ricircolo lento la quale prosegue fino all’inizio del periodo di commutazione successivo;
se il segnale eccede la soglia inferiore ma risulta inferiore alla soglia superiore, si esegue una fase di smagnetizzazione a ricircolo lento e se durante tale fase il segnale eccede la soglia superiore di comparazione a causa di un repentino incremento della corrente, si esegue una fase di smagnetizzazione veloce la quale prosegue fino all’inizio del periodo di commutazione successivo;
se il segnale risulta inferiore alla soglia inferiore di comparazione, si esegue una fase di magnetizzazione.
Preferibilmente, anche se non necessariamente, la soglia superiore e la soglia inferiore di comparazione possono essere stabilite in modo da risultare sostanzialmente simmetriche rispetto al valore di riferimento rappresentante la desiderata corrente attraverso il carico.
L’invenzione è più chiaramente definita nelle annesse rivendicazioni.
BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI
I diversi aspetti e vantaggi dell’invenzione risulteranno ancor più evidenti da una descrizione dettagliata dell’invenzione facendo riferimento ai disegni allegati in cui:
la Figura 1 è un diagramma di flusso di una prima realizzazione del metodo dell’invenzione;
la Figura 2 è un diagramma di flusso di una seconda realizzazione del metodo dell’invenzione;
la Figura 3 è un possibile andamento temporale della corrente nel carico illustrante una terza realizzazione del metodo dell’invenzione;
la Figura 4 illustra un circuito implementante il metodo dell’invenzione; le Figure 5a e 5b illustrano due possibili forme di realizzazione del circuito logico di Fig. 4.
DESCRIZIONE DI ALCUNE FORME DI REALIZZAZIONE DELL’INVENZIONE Secondo una prima forma di realizzazione del metodo dell’invenzione rappresentata in Fig. 1, il metodo prevede che all’inizio di ogni periodo di commutazione venga eseguita una fase di magnetizzazione che dura fintantoché la corrente circolante nel carico si mantiene al di sotto della soglia superiore ΙREF+ε. Quando tale soglia viene superata, inizia una fase di smagnetizzazione a ricircolo veloce. Se prima che termini il periodo di commutazione la corrente scende al di sotto della soglia inferiore IREF-ε, a partire dall’istante in cui avviene tale attraversamento si esegue una fase di smagnetizzazione a ricircolo lento.
Questo metodo può essere applicato sia nel caso in cui si voglia pilotare il carico secondo una modalità a frequenza costante, sia secondo una modalità a tempo di spegnimento costante.
Il diagramma di flusso di Fig. 1 illustra la sequenza di fasi descritte sopra. All’inizio di ogni periodo di commutazione, il sistema si porta in uno stato iniziale, rappresentato dall’ovale in alto, e viene effettuata una fase di magnetizzazione. Si fa poi un confronto tra la corrente circolante nel carico e la soglia superiore, rappresentato in figura dalla losanga in alto. Se la corrente circolante nel carico risulta inferiore alla soglia superiore, il sistema si mantiene nello stesso stato ed il confronto viene ripetuto; altrimenti, viene effettuata una fase di smagnetizzazione a ricircolo veloce.
Si fa allora un confronto tra la corrente circolante nel carico e la soglia inferiore, rappresentato in figura dalla losanga in basso. Se la corrente circolante nel carico risulta superiore alla soglia inferiore, il sistema si mantiene nello stesso stato ed il confronto viene ripetuto; altrimenti, si effettua una fase di smagnetizzazione lenta.
La sequenza viene interrotta quando finisce il periodo di commutazione, in uno qualsiasi dei punti del diagramma di flusso. In particolare ciò accade, in condizioni di funzionamento a “frequenza costante”, dopo che è trascorso un intervallo di tempo corrispondente al periodo di commutazione e, in condizioni di funzionamento a “frequenza variabile” con fase di smagnetizzazione di durata costante, dopo che è trascorso il corrispondente intervallo di tempo di durata prefissata dal momento in cui la corrente circolante nel carico eccede la soglia superiore.
Secondo una seconda forma di realizzazione del metodo dell’invenzione rappresentata in Fig. 2, particolarmente adatta al caso in cui si voglia pilotare il carico secondo una modalità a frequenza costante, il metodo prevede che all’inizio di ogni periodo di commutazione la corrente circolante nel carico venga confrontata contemporaneamente con una soglia inferiore IREF-ε e con una soglia superiore ΙREF+ε. Questo confronto è rappresentato in figura dalle due losanghe. Se il segnale eccede la soglia superiore di comparazione si esegue una fase di smagnetizzazione a ricircolo veloce; se il segnale eccede la soglia inferiore ma risulta inferiore alla soglia superiore, si esegue una fase di smagnetizzazione a ricircolo lento; se il segnale risulta inferiore alla soglia inferiore di comparazione, si esegue una fase di magnetizzazione. Il sistema si mantiene poi nello stesso stato fino alla fine del periodo di commutazione. In quest’ultimo caso si può introdurre una variante particolarmente conveniente al metodo illustrato (terza realizzazione del metodo dell’invenzione), selezionando un percorso di scarica a ricircolo lento se durante una fase di smagnetizzazione rapida viene oltrepassata la soglia inferiore, oppure selezionando un percorso di scarica a ricircolo veloce se durante una fase di smagnetizzazione lenta viene ecceduta la soglia superiore, come schematicamente illustrato nel diagramma di Fig. 3.
Quest’ ultima situazione potrebbe verificarsi nel caso in cui vengano alimentati carichi di tipo elettromeccanico, come ad esempio dei motori elettrici, in cui sono presenti dei generatori di f.c.e.m. essendo in tal caso possibile un incremento del valore della corrente circolante in essi, durante una fase di smagnetizzazione a ricircolo lento.
Con i suddetti accorgimenti, si attenuano eventuali picchi di corrente durante una fase di smagnetizzazione e si evita che la corrente circolante nel carico diminuisca troppo al disotto di un certo valore desiderato, mantenendo però i vantaggi in termini di prontezza della risposta dinamica propri della smagnetizzazione a ricircolo rapido.
Le due soglie superiore ΙREF+ε e inferiore IREF-ε con cui viene confrontato il segnale IACT possono essere simmetriche rispetto ad un desiderato valore di corrente, come nel caso appena descritto, oppure essere scelte in maniera asimmetrica rispetto ad IREF, o ancora con un altro criterio. In particolare, si può pensare, ad esempio, di scegliere la soglia superiore pari a IREF e la soglia inferiore pari a ΙREF-ε, oppure di scegliere la soglia superiore pari a IREF+ε e la soglia inferiore pari a IREF.
Nel caso in cui le suddette soglie siano simmetriche rispetto al valore di riferimento, il valore di ε è scelto preferibilmente in maniera proporzionale al valore di riferimento IREF, restando comunque il metodo dell’ invenzione convenientemente applicabile anche se il valore di ε è fissato dall’utente in un modo diverso. Si può ad esempio pensare di fissare ε una volta per tutte ad un valore costante indipendentemente da IREF, oppure mediante un’apposita procedura che, rilevando periodicamente lo stato del circuito, determini un valore di ε ottimizzato secondo un qualsiasi criterio.
Il metodo dell’invenzione può essere implementato molto semplicemente anche in forma hardware, come apparirà chiaro ad un tecnico del settore, ad esempio con il circuito rappresentato in Fig. 4.
I due comparatori C1 e C2 confrontano il valore della corrente circolante nel carico induttivo, rilevato dalla resistenza Rs, con le soglie superiore e inferiore, producendo dei rispettivi segnali di comparazione A e B che vengono elaborati dal circuito logico che produce i segnali di pilotaggio UL, UR, DL, DR di uno stadio di potenza del tipo a ponte intero (detto anche ponte a “H”).
Esempi di circuiti logici della Fig. 4 implementanti le due forme preferite del metodo dell’ invenzione, sono illustrati nelle Figg. 5a e 5b in un modo chiaramente comprensibile ad un tecnico senza che sia necessaria una spiegazione del funzionamento dei circuiti logici usati.

Claims (7)

  1. RIVENDICAZIONI 1. Metodo di pilotaggio in modo commutato di un carico induttivo connesso ai terminali di uscita di uno stadio di potenza, alternando fasi di magnetizzazione, durante le quali la corrente è forzata attraverso il carico, a fasi di smagnetizzazione, durante le quali si scarica l’induttanza attraverso un percorso di ricircolo lento della corrente di scarica e/o un percorso di ricircolo veloce della corrente di scarica, selezionabili in termini di rispettiva durata in modo da ottimizzare le prestazioni di risposta dinamica e di ripple residuo, caratterizzato dal fatto che comprende confrontare un segnale rappresentativo del valore istantaneo della corrente nel carico con una coppia di soglie, superiore e inferiore, eseguendo una fase di magnetizzazione o una fase di smagnetizzazione secondo una modalità di scarica con ricircolo lento della corrente o secondo una modalità di scarica con ricircolo veloce della corrente, commutando da una all’altra in funzione dell’esito di detta comparazione durante ciascun periodo di commutazione.
  2. 2. Il metodo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detta soglia superiore e detta soglia inferiore sono stabilite in modo simmetrico rispetto al valore desiderato di corrente nel carico.
  3. 3. Il metodo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che Γ algoritmo è definito dalle seguenti condizioni: all’ inizio di un periodo di commutazione, è eseguita una fase di magnetizzazione fintantoché detto segnale rappresentativo è inferiore alla soglia superiore o fino a quando non termina detto periodo di commutazione; se durante detto periodo di commutazione il segnale rappresentativo del livello della corrente istantanea del carico eccede detta soglia superiore, è eseguita da una fase di smagnetizzazione con ricircolo veloce della corrente di scarica fintantoché detto segnale rappresentativo eccede detta soglia inferiore o fino a quando non termina il periodo di commutazione; se durante detta fase di smagnetizzazione con ricircolo veloce il segnale rappresentativo del livello della corrente istantanea del carico oltrepassa detta soglia inferiore, è eseguita una fase di smagnetizzazione con ricircolo lento della corrente di scarica fino a quando non termina il periodo di commutazione.
  4. 4. Il metodo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che la modalità di pilotaggio in modo commutato è di tipo a frequenza costante di commutazione e Γ algoritmo è definito dalle seguenti condizioni: allinizio del periodo di commutazione il segnale rappresentativo della corrente nel carico viene confrontato con entrambe le soglie ese il segnale rappresentativo del livello della corrente istantanea del carico eccede detta soglia superiore, è eseguita da una fase di smagnetizzazione con ricircolo veloce della corrente di scarica; se detto segnale eccede la soglia inferiore ma risulta inferiore alla soglia superiore, è eseguita una fase di smagnetizzazione con ricircolo lento della corrente di scarica; se il segnale rappresentativo del livello della corrente istantanea del carico è inferiore alla soglia inferiore, è eseguita una fase di magnetizzazione.
  5. 5. Il metodo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che la modalità di pilotaggio in modo commutato è di tipo a frequenza costante di commutazione e l’algoritmo è definito dalle seguenti condizioni: all’inizio del periodo di commutazione il segnale rappresentativo della corrente nel carico viene confrontato con entrambe le soglie ese detto segnale rappresentativo eccede la soglia superiore di comparazione si esegue una fase di smagnetizzazione a ricircolo veloce e se durante tale fase il segnale rappresentativo oltrepassa detta soglia inferiore di comparazione, si esegue una fase di smagnetizzazione a ricircolo lento che dura fino all’inizio del periodo di commutazione successivo; se detto segnale rappresentativo eccede la soglia inferiore ma risulta inferiore alla soglia superiore, si esegue una fase di smagnetizzazione a ricircolo lento e se durante tale fase il segnale rappresentativo eccede la soglia superiore di comparazione, si esegue una fase di smagnetizzazione veloce che dura fino all’inizio del periodo di commutazione successivo; se detto segnale rappresentativo risulta inferiore alla soglia inferiore di comparazione, si esegue una fase di magnetizzazione.
  6. 6. Sistema di pilotaggio in modo commutato di un carico induttivo comprendente uno stadio finale a ponte intero costituito da quattro interruttori di potenza controllati da altrettanti segnali di pilotaggio, stadi di pilotaggio generanti detti segnali, una circuiteria logica di controllo, sincronizzazione e modulazione dei segnali generati da detti stadi di pilotaggio, mezzi di rilevazione della corrente attraverso il carico generanti un segnale rappresentativo della corrente del carico, mezzi comparatori del segnale rappresentativo della corrente nel carico con un segnale di riferimento generante un segnale errore alimentato ad un ingresso di detta circuiteria logica, caratterizzato dal fatto che detti mezzi comparatori comprendono una coppia di comparatori primo e secondo confrontanti rispettivamente detto segnale rappresentativo della corrente nel carico con una prima soglia di valore superiore o uguale a detto valore di riferimento e con una seconda soglia, distinta da detta prima soglia, di valore inferiore o uguale a detto valore di riferimento.
  7. 7. Sistema secondo la rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto che detta prima e seconda soglia sono simmetriche rispetto a detto valore di riferimento.
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