ITVA20070065A1 - Metodo e dispositivo di pilotaggio per motore brushless con profilo di tensione predisposto per una commutazione progressiva e automatica da un pilotaggio di tipo sinusoidale trifase ad un pliotaggio trifase ad onda quadra - Google Patents

Description

"METODO E DISPOSITIVO DI PILOTAGGIO PER MOTORE BRUSHLE SS CON PROFILO DI TENSIONE PREDISPOSTO PER UNA COMMUTAZIONE PROGRESSIVA E AUTOMATICA DA UN PILOTAGGIO DI TIPO SINUSOIDALE TRIFASE AD UN PLIOTAGGIO TRIFASE AD ONDA QUADRA"

CAMPO DI APPLICAZIONE

La presente invenzione concerne le tecniche di pilotaggio di un motore a corrente continua, commutato elettronicamente, comunemente noto con il nome di motore brushless.

ARTE NOTA

Tipicamente questo tipo di motore è pilotato eccitando in maniera opportuna le fasi del motore in maniera sincrona con la posizione istantanea del motore.

Secondo una tecnica innovativa di pilotaggio, descritta e illustrata nel brevetto US 6,137,253 della stessa richiedente, attraverso gli avvolgimenti di fase del motore sono forzate tensioni (o correnti) di eccitazione le quali, anziché avere sostanzialmente un certo livello prefissato costante durante ciascuna fase di commutazione, hanno un certo profilo (non un valore costante) preventivamente definito, digitalizzato e memorizzato in una memoria statica non volatile, ad esempio in una memoria EPROM o EEPROM.

Il sistema descritto attua un pilotaggio tale che ad ogni istante si forza ciclicamente un certo profilo di tensione su due avvolgimenti di fase con modulazione PWM, mantenendo il terzo avvolgimento di terza fase in condizione di saturazione (vedi Figura 1).

In questo modo durante il tempo in cui una fase è mantenuta in saturazione (equivalente a 120 gradi elettrici), è possibile ottenere tra questa fase ed il centro-stella (CT), una tensione equivalente a quelle forzate ai capi delle altre due (sempre tra fase e CT), come risultato di queste ultime grazie al fatto che la configurazione a stella dei tre avvolgimenti costituisce un sistema intrinsecamente bilanciato. Ovviamente tra le tre tensioni sussisterà sempre una relazione di fase di 120 gradi elettrici.

Il sistema presenta alcuni inconvenienti che sono qui di seguito descritti.

Il controllo della velocità del motore agisce attraverso una modulazione dell'ampiezza dei tre profili di tensione applicati alle tre fasi del motore. In Figura 2 è mostrato uno schema a blocchi del sistema. Le funzioni svolte da ciascun blocco sono chiarite nel brevetto US 6,137,253. La modulazione delle tre tensioni fornite al motore avviene attraverso il blocco MUL che moltiplica il valore dei tre profili che arrivano dal blocco di memoria MEMOR per il valore della variabile KVAL. Il blocco BEMF DET fornisce un segnale rappresentativo della controforza elettromotrice (BEMF) e il blocco BYTE TO PWM genera tre fasi di pilotaggio PWMA, PWMB e PWMC in funzione di un segnale digitale di controllo.

La massima dinamica si ha quando i tre profili di tensione applicati al motore hanno un valore di picco uguale alla tensione di alimentazione VCC che alimenta lo stadio di potenza in configurazione triplo semiponte.

Nelle Figure 3a e 3b sono rappresentati, a titolo di esempio, i casi in cui il KVAL amplifica di un fattore 1.5 e 0.75 (50% in più e 25% in meno) rispettivamente, i tre profili di tensione.

Nel caso di Figura 3a si ha che, amplificando per 1.5, i tre profili vengono ovviamente saturati al valore massimo di tensione di alimentazione VCC. L'effetto della saturazione produce una distorsione nella risultante tensione applicata tra fase e centro-stella. In particolare si può notare che la tensione tra fase e centro-stella risulta essere distorta in maniera non simmetrica rispetto allo zero. Inoltre, il periodo di tempo in cui la differenza tra tensione di fase meno la tensione di centro-stella è positiva, è più lungo del periodo di tempo in cui la stessa ha polarità negativa.

A causa di ciò il motore risulta essere pilotato in maniera sbilanciata ed essendo la corrente risultante non sempre in fase con la posizione angolare del motore, vengono a generarsi forze motrici che per alcuni periodi sono in opposizione alla rotazione del motore generando una perdita di efficienza del sistema, oltre al verificarsi di un aumento generale del ripple di coppia.

Nel caso della Figura 3b, si ha invece che, amplificando per 0.75, i tre profili vengono ovviamente scalati rispetto al valore massimo di tensione di alimentazione VCC. In questo caso non vi è nessun effetto di saturazione, ma sorge un altro inconveniente. Diminuendo il valore del profilo di tensione che viene applicato alle fasi del motore, equivale a diminuire il duty cycle del PWM che controlla lo stadio di uscita in configurazione di triplo half bridge. Il problema diventa significativo con i valori di duty cycle che si raggiungono quando il profilo di tensione entra o esce dalla fase di 120° di piena saturazione.

Per effetto dello slew rate controllato, che non è infinito, se il duty cycle risultante assume valori relativamente bassi ciò che avviene è che l'equivalente tensione che viene applicata alle fasi del motore si discosta dal valore teorico causando così una distorsione. Questa distorsione è direttamente proporzionale al duty cycle, alla frequenza del PWM ed inversamente proporzionale al valore di KVAL.

Ad esempio gli hard disk di moderni sistemi di supervisione e controllo di funzioni vengono utilizzati anche in settori diversi da quello dei computer come ad esempio nel settore dell'automobile nel quale le condizioni di temperatura operativa sono più severe, specialmente alle basse temperature operative.

I motori spindle attualmente più utilizzati sono quelli con cuscinetti fluido-dinamici, grazie alle migliori caratteristiche in termine di rumore acustico e vibrazioni. A basse temperature il fluido di questi motori diventa sempre più denso e viscoso ed in particolari condizioni, minima tensione di alimentazione, la partenza del motore e il raggiungimento della velocità desiderata risulta essere problematico. Talvolta il raggiungimento della corretta velocità di regime avviene dopo alcuni minuti di funzionamento, quando si riscalda il fluido del motore. Questo è difficilmente accettabile ed è necessario rispettare i tempi di “spin up” definiti dalle specifiche in qualsiasi condizione operativa.

Per fare ciò è indispensabile fornire al motore spindle tutta la tensione disponibile con un sistema che abbia la massima efficienza.

SOMMARIO DELL'INVENZIONE

Questa invenzione fornisce un metodo implementato in un relativo dispositivo di pilotaggio di un motore brushless che, agendo solo sul valore del KVAL, cioè attenuando o amplificando, è in grado di passare in maniera automatica e progressiva da un pilotaggio trifase sinusoidale ad un pilotaggio sempre trifase però ad onda quadra, massimizzando così la tensione applicabile ad ogni avvolgimento del motore.

A tal fine è stato trovato un nuovo profilo di tensione che risulta particolarmente efficace.

In pratica, il nuovo profilo di tensione assicura sempre una saturazione che dura 120° elettrici, ma i gradi angolari di saturazione non sono continuativi bensì suddivisi in due parti uguali di 60° elettrici tra lo stadio inferiore e lo stadio superiore. Il profilo sinusoidale tra fase e centro-stella è comunque assicurato.

L'invenzione è definita nelle annesse rivendicazioni.

BREVE DESCRIZIONE DELLE FIGURE

La Figura 1 rappresenta le forme d' onda delle tre tensioni applicate alle fasi del motore e le risultanti tensioni tra fase e centro-stella relative al sistema di arte nota.

La Figura 2 è un diagramma a blocchi del sistema di arte nota.

La Figura 3a mostra le forme d' onda relative al sistema di arte nota con un KVAL amplificato di 1.5 volte (+50%).

La Figura 3b mostra le forme d' onda relative al sistema di arte nota con un KVAL attenuato di 0.75 volte (-25%).

La Figura 4a mostra l'andamento delle forme d' onda delle tensioni di fase applicate al motore, con KVAL=1 (100%), secondo il metodo della presente invenzione.

La Figura 4b mostra l'andamento delle forme d' onda risultanti tra fase e centro-stella a seguito delle tensioni applicate al motore mostrate in Figura La Figura 5 mostra il risultante profilo di tensione da inserire in memoria.

La Figure 6 è un diagramma a blocchi di un sistema realizzato secondo l'invenzione.

La Figura 7a mostra l'andamento di varie tensioni nel sistema con KVAL = 100%.

La Figura 7b mostra l'andamento di varie tensioni nel sistema relativo alla presente invenzioni con KVAL = 75%.

La Figura 7c mostra l'andamento di varie tensioni nel sistema con KVAL = 200%.

DESCRIZIONE DELL'INVENZIONE

In Figura 4a sono rappresentati gli andamenti delle tre tensioni da applicare alle fasi del motore ed in Figura 4b sono rappresentate le tre tensioni risultanti applicate tra ogni fase e centro-stella, secondo il metodo dell'invenzione.

Questi nuovi profili risultano essere simmetrici, la parte positiva della tensione di fase rispetto al centro-stella ha lo stesso andamento della parte negativa di tensione, ma ovviamente di polarità opposta.

Se però per andare a modulare la tensione da applicare al motore si applicasse una tecnica nota, tramite la moltiplicazione del profilo in memoria per il valore del KVAL, si avrebbero gli stessi risultati relativamente ad una diversa distorsione non simmetrica della tensione tra fase e centro-stella e non si sarebbe in grado di fornire la massima tensione al motore.

Osservando i tre profili di tensione di Figura 4 si può notare che ad ogni 60 gradi del giro elettrico, si passa da una condizione di saturazione bassa della fase A ad una condizione sempre di saturazione alta della fase B per poi passare ad una condizione di saturazione bassa della fase C e così di seguito. Inoltre, ogni 60° si può notare una simmetria complementare tra i tre profili.

Se si complementano i tre profili di Figura 4 negli intervalli tra 60° e 120°, 180° e 240° e tra 300° e 360° si ottengono i tre profili rappresentati in Figura 5.

Questo nuovo tipo di profilo permette di mantenere la stessa strategia di modulazione della tensione da applicare al motore mediante la variabile KVAL.

Avendo però modificato il profilo di tensione da inserire in memoria, l'uscita del blocco MUL, che moltiplica il valore dei tre profili che arrivano dal blocco di memoria MEMOR per il valore della variabile KVAL, prima di essere mandato al blocco BYTE TO PWM, deve essere anch'esso condizionato in funzione della posizione angolare nel giro elettrico. Tra il blocco MUL e il blocco BYTE TO PWM viene inserito il blocco INV_60° comandato dal blocco SEL_60°.

Negli intervalli tra 0°-60°, 120°- 180° e tra 240°-300° l'uscita del blocco MUL viene mandata al blocco BYTE TO PWM così com'è, mentre negli intervalli tra 60°-120°, 180°-240° e tra 300°-360° l'uscita del blocco MUL deve essere negata prima di essere mandata al blocco BYTE TO PWM.

Lo schema a blocchi di Figura 6 mette in evidenza i blocchi che sono stati aggiunti, INV_60° e SEL_60°, in maniera tale da effettuare le nuove operazioni ora necessarie in funzione della modifica al profilo di tensione inserito in memoria secondo l'idea della presente invenzione.

In Figura 7 sono rappresentati gli andamenti delle tensioni applicate alle fasi del motore spindle e delle tensioni applicate tra fase e centro-stella relativamente al profilo di tensione all'uscita del blocco MUL, moltiplicazione tra il profilo memorizzato, secondo la presente invenzione, e il valore del KVAL.

Per chiarezza è stato rappresentato solo il profilo di tensione di una fase, restando chiaro che l'andamento delle altre due risulta essere uguale, ma sfasato di 120° e 240°.

La Figura 7a fa riferimento al caso in cui KVAL = 100% : la tensione applicata al motore copre tutta la dinamica della tensione di alimentazione VCC=12V; la risultante tensione tra fase e centro-stella è una sinusoide di 6.9V di picco. La tensione applicata al motore presenta sempre una fase di 60° di saturazione bassa e 60° di saturazione alta, per un totale di 120° nel giro elettrico.

La Figura 7b fa riferimento al caso in cui KVAL = 75%: la tensione applicata al motore copre una dinamica ovviamente inferiore rispetto la tensione di alimentazione VCC=12V; la risultante tensione tra fase e centrostella è una sinusoide di 5.19V di picco (75% del picco che si aveva nel caso di Figura 6a). Anche in questo caso la tensione applicata al motore presenta sempre una fase di 60° di saturazione bassa e 60° di saturazione alta, per un totale di 120° nel giro elettrico; quello che cambia rispetto al caso di Figura 6a è l'andamento del profilo di tensione tra i due livelli di saturazione alta e bassa.

La Figura 7c fa riferimento al caso in cui KVAL = 200%: con un fattore di amplificazione che è il doppio rispetto al caso in cui la dinamica della tensione applicata al motore copre tutta la dinamica della tensione di alimentazione si ha che la tensione applicata al motore è equivalente ad un onda quadra che per 180° elettrici è in saturazione alta (livello della tensione di alimentazione VCC), mentre per gli altri 180° è in saturazione bassa (0V); la risultante tensione tra fase e centro-stella è una tensione ovviamente non più sinusoidale, ma con un valore di picco di 8V.

Il caso di Figura 7c mostra chiaramente i benefici che si ottengono con il sistema che è alla base della presente invenzione: solamente variando il valore del KVAL è possibile passare progressivamente da una condizione di tensione sinusoidale, tra fase e centro- steli a, avente un picco massimo di 6.9V (con 12V di VCC), ad una condizione in cui la tensione tra fase e centro-stella subisce una distorsione, in proporzione all'aumento percentuale di amplificazione, in maniera tale da aumentare il proprio valore di picco.

Nel caso quindi di particolari condizioni applicative in cui il motore spindle ha i cuscinetti a fluido dinamico e si deve partire alla minima tensione di alimentazione ed a bassa temperatura ambiente, il sistema appena descritto è in grado di fornire alle tre fasi del motore la massima tensione disponibile, vale a dire tre onde quadre, sfasate di 120° l'una rispetto all'altra, con una dinamica che va da zero alla tensione di alimentazione VCC e con duty cycle del 50% (180° elettrici a VCC e 180° elettrici a zero). Dato un certo valore di tensione di alimentazione VCC, in termini di massima tensione applicabile ad un motore spindle questo è il massimo a cui si può tendere.

Nella descrizione che precede, il profilo di tensione, memorizzato nel blocco MEMOR, è stato discretizzato a 48 campioni. Questo è solo un esempio, restando chiaro che lo stesso sistema si può applicare per un numero diverso di campioni.

Sempre a titolo di esempio, i tre profili rappresentati in Figura 5 sono stati ottenuti complementando il profilo di Figura 4a negli intervalli tra 60° e 120°, 180° e 240° e tra 300° e 360°. Un'alternativa potrebbe essere quella di ottenere un nuovo profilo andando a complementare il profilo di Figura 4a negli intervalli tra 0° e 60°, 120° e 180° e tra 240° e 300°, tenendone ovviamente conto in seguito quando l'uscita del blocco MUL deve essere negata prima di essere mandata al blocco BYTE TO PWM.

Nella descrizione è stato specificato che a causa del nuovo profilo di tensione, studiato per ottenere una massima saturazione delle tensioni in uscita, è necessario implementare una negazione per 60° intervallata ogni 60° (ad esempio negli istanti tra 60° e 120°, 180° e 240° e tra 300° e 360°).

In Figura 6 il blocco INV_60°, che opera questa negazione, è stato inserito tra il blocco MUL e il blocco BYTE TO PWM.

Un' altro metodo per ottenere la negazione, o posizione in cui andare ad inserire il blocco INV_60<o>, è quella di andare a operare sulle uscite PWMA, PWMB e PWMC in uscita dal blocco BYTE TO PWM, senza per questo alterare il funzionamento dell'invenzione.

Il profilo di tensione da memorizzare è simmetrico rispetto ai 180° elettrici: questo significa che i campioni memorizzati possono essere la metà rispetto al caso di arte nota e per ricostruire l'intero periodo elettrico basta solo leggere la memoria due volte.

Claims (7)

1. RIVENDICAZIONI 1. Metodo di pilotaggio di un motore brushless trifase, comprendente applicare contemporaneamente a ciascuno dei tre avvolgimenti di fase del motore tra morsetti di fase e centro-stella una tensione ciclica o alternata predefinita secondo un certo profilo digitalizzato e memorizzato in una memoria statica non volatile simmetrico rispetto a 180° elettrici, i valori numerici del quale letti da detta memoria, sono moltiplicati da un parametro numerico di controllo del motore e coordinatamente complementari in tre intervalli di 60° elettrici durante ogni giro elettrico, per generare attraverso conversione da valore numerico a livello di segnale di modulazione di larghezza di impulso, dette tre tensioni cicliche o alternate applicate ai rispettivi morsetti di fase.
2. 2. Il metodo di pilotaggio secondo la rivendicazione 1, in cui detto parametro numerico di controllo ha un campo di variazione che si estende oltre il valore unitario corrispondente alla massima dinamica di segnale a modulazione di larghezza di impulso tale da mantenere una forma d'onda sinusoidale delle tensioni tra ciascuna fase ed il centro-stella del motore, determinando oltre tale valore unitario, forme d'onda quadra con valori di picco superiori a quelli conseguibili con quelli a forma d'onda sinusoidale.
3. 3. Il metodo di pilotaggio secondo la rivendicazione 2, in cui al salire del valore numerico di controllo oltre il valore unitario, le risultanti tensioni applicate contemporaneamente ai rispettivi morsetti di fase sono distorte in maniera simmetrica rispetto allo zero.
4. 4. Il metodo di pilotaggio secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che il numero di campioni memorizzati sono di un unico profilo e per la ricostruzione dell'intero giro elettrico è sufficiente leggere due volte detti campioni.
5. 5. Il metodo di pilotaggio secondo la rivendicazione 1, in cui detti morsetti di fase sono pilotati in modalità PWM attraverso tre semiponti di uscita, le tensioni cicliche o alternate di pilotaggio essendo tali da avere ad ogni istante del giro elettrico, un semiponte in condizioni satura bassa o alta, e gli altri due semiponti in una condizione di funzionamento a commutazione.
6. 6. Il metodo di pilotaggio secondo la rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che lo stato di saturazione di ciascun semiponte è mantenuto per 120° elettrici durante un intero giro elettrico ma non consecutivamente essendo mantenuto per 60° elettrici in saturazione bassa e per altri 60° elettrici in saturazione alta, i due stati di saturazione essendo intervallati da un periodo di 120° elettrici in cui il semiponte è pilotato in modalità a commutazione.
7. 7. Dispositivo di pilotaggio di un motore brushless multifase comprendente N avvolgimenti, il dispositivo comprendente: una pluralità di stadi a semi-ponte connessi agli N avvolgimenti, una memoria per memorizzare profili di segnali di pilotaggio, un moltiplicatore per moltiplicare i valori del profilo di segnale di pilotaggio da detta memoria per un fattore di scala, e un circuito di controllo per generare segnali di controllo PWM per detti stadi a semi-ponte in funzione di detto segnale di pilotaggio moltiplicato per detto fattore di scala, caratterizzato dal fatto che detto circuito di controllo e adatto ad implementare il metodo di una delle rivendicazioni da 1 a 6.