ITVA20070068A1 - Metodo e relativo circuito di pilotaggio di un motore brushless sensorless - Google Patents

Description

"METODO E RELATIVO CIRCUITO DI PILOTAGGIO DI UN MOTORE BRUSHLESS SENSORLESS"

Questa invenzione concerne in generale i motori elettrici e più in particolare un metodo di rilevazione della controforza elettromotrice (BEMF) indotta in un avvolgimento di un motore brushless privo di sensori di posizione ("sensorless") comandato in modalità commutata.

Il motore “brushless” consiste di un rotore a magnete permanente e di uno statore composto da più avvolgimenti che possono essere connessi a stella oppure completamente indipendenti l'uno dall'altro.

Nel primo tipo di motore descritto sono disponibili all' esterno un numero di terminali pari al numero di fasi del motore (eventualmente 1 se viene reso accessibile anche il terminale di centro-stella); nel secondo caso si parla di motori a fasi indipendenti e sono disponibili all'esterno tutti i terminali degli avvolgimenti delle singole fasi.

Questi tipi di motori sono largamente usati in applicazioni per HARD DISK. DVD (digitai video disk), motori di trascinamento del nastro nei videoregistratori, CD Player ecc.

Nella maggior parte dei casi i motori brushless sono di tipo trifase, il circuito pilota è generalmente composto da circuiti integrati il cui stadio di uscita che alimenta le fasi degli avvolgimenti può comprendere o un circuito a semiponte trifase ad onda intera nel caso di motori connessi a stella, o un circuito a tre ponti interi nel caso di motori a fasi indipendenti.

Per semplicità, si considerano nel seguito solo motori brushless trifase, ma ciò che verrà detto può essere facilmente esteso mutatis mutandis al caso di motori aventi un numero di avvolgimenti qualsiasi.

Considerando per comodità il caso di motori trifase, il più tipico pilotaggio è quello commutato di tipo bipolare nel quale, in ogni istante, due fasi sono alimentate mentre la terza rimane libera (uscita del ponte o del semiponte in stato di alta impedenza).

Le fasi sotto alimentazione vengono commutate rispettando una sequenza ciclica che deve essere sincronizzata con la posizione istantanea del rotore, che tipicamente viene rilevata dall'analisi della forza controelettromotrice (BEMF) in un avvolgimento momentaneamente non alimentato o posto in alta impedenza. Nel caso di analisi della BEMF è di norma monitorato l'istante di attraversamento per lo zero di tale tensione BEMF che ha ovviamente un andamento sinusoidale o comunque periodico, chiamato anche istante di “zero-cross”.

Una tecnica comunemente utilizzata per stimare la posizione del rotore di un motore brushless polifase è divulgato nella domanda di brevetto europeo EP 892 488 e consiste nel generare una finestratura temporale durante la quale si pone in stato di alta impedenza Γ uscita di un semiponte (o di un ponte nel caso di pilotaggio di motori a fasi indipendenti) dello stadio pilota consentendo la lettura della BEMF nell’avvolgimento di fase ad esso connesso.

La finestratura può avere una durata temporale costante e indipendente da variabili di funzionamento del motore, o una durata temporale variabile in funzione della velocità del motore oppure una durata temporale variabile in funzione di altri eventi quali l'istante di rilevazione dello zero-cross della BEMF e il corretto posizionamento temporale del suddetto zero-cross rispetto all'istante previsto.

La definizione ottimale della finestra di osservazione dello ZC della BEMF, calcolata in gradi elettrici di anticipo rispetto allo ZC atteso, risulta da un compromesso tra precisione sulla rilevazione della posizione e efficienza di pilotaggio del motore.

In fase di accelerazione del motore, sull’evento di ZC ci sarà un’incertezza proporzionale all’accelerazione stessa, per cui in questa circostanza si richiede l’impostazione di una finestra di osservazione sufficientemente grande per una corretta rilevazione della posizione. D’altra parte, scegliere una finestra temporale più grande del necessario riduce l’efficienza di pilotaggio, poiché porre in tastate l'avvolgimento in osservazione causa una distorsione del profilo di corrente, per cui l'ampiezza della finestra temporale deve essere la minima indispensabile.

E noto un algoritmo di regolazione automatica dell'ampiezza della finestra di osservazione ad ogni giro elettrico che si basa su un flag EARLYZC, che informa sulla correttezza o meno della rilevazione della posizione del rotore al giro elettrico precedente e allarga (EARLYZC alto) o restringe (EARLYZC basso) la finestra di osservazione.

Il funzionamento di tale algoritmo è schematicamente illustrato in Figura 1. Si assegna un valore iniziale ad un puntatore POINTER ad una tabella di consultazione in cui sono memorizzate durate della finestra temporale e della parte mascherata di essa. Quando si verifica un evento di attraversamento per lo zero ("zero-cross", o più brevemente ZC), si verifica se esso è avvenuto durante la parte mascherata della finestra temporale (EarlyZC=l) oppure no. In caso positivo, si aumenta il puntatore Pointer (a meno che non abbia già raggiunto il valore massimo ammissibile MAX) in modo da aumentare l'ampiezza della finestra temporale, altrimenti si verifica se il puntatore è pari ad un valore minimo (MIN) oppure ad un valore di regime (TARGET). Se nessuna delle due condizioni precedenti è verificata si diminuisce il puntatore per ridurre l'ampiezza della finestra temporale, altrimenti lo si lascia inalterato e si resta in attesa del successivo zero-cross.

Uno svantaggio di questo algoritmo noto consiste nel fatto che, quando il motore accelera, per poter centrare l'attraversamento per lo zero della BEMF in un avvolgimento all'interno della parte non mascherata della finestra temporale in cui l'avvolgimento è in tristate, l'algoritmo dovrà essere capace di aumentare o diminuire da un giro all'altro in maniera rilevante la durata della mascheratura. Ciò però peggiora in maniera rilevante T efficienza del pilotaggio del motore.

Sarebbe desiderabile un metodo di pilotaggio di un motore brushless che permetta di correggere la durata della mascheratura in maniera più controllata in fase di restringimento, per evitare che tale durata venga riportata ("rimbalzi") verso valori più grandi dovuti al fatto che, a seguito di un restringimento, il motore porta l'evento di attraversamento per lo zero al di fuori della parte non mascherata della finestra temporale.

E stato trovato un metodo di pilotaggio, implementabile in un relativo circuito, di un qualsiasi motore brushless sensorless in modalità commutata che permette di ridurre le variazioni di ampiezza della finestra temporale e/o della parte non mascherata di essa da un giro al successivo, rendendo così il pilotaggio del motore più stabile, efficiente e preciso.

Secondo il metodo dell'invenzione, si definisce un intervallo di sicurezza all'interno della finestra temporale non mascherata e si verifica se l'evento di attraversamento per lo zero si verifica nella parte mascherata della finestra temporale, oppure se si verifica nell'intervallo di sicurezza o no. A seconda di quale condizione si verifica, si decide se lasciare inalterata o modificare l'ampiezza della finestra temporale e/o della parte non mascherata di essa.

Secondo una forma di realizzazione dell'invenzione, si riduce la durata della porzione non mascherata della finestra temporale se l'evento di zerocross si verifica all'interno di essa ma al di fuori dell'intervallo di sicurezza, e/o la si lascia inalterata se l'evento di zero-cross avviene durante l'intervallo di sicurezza.

L'invenzione è definita nelle annesse rivendicazioni.

La Figura 1 mostra un diagramma di flusso che illustra un metodo noto di pilotaggio di un motore brushless.

La Figura 2 mostra un diagramma a blocchi di un circuito di pilotaggio di un motore brushless dell'invenzione.

Le Figure da 3 a 5 rappresentano grafici temporali dei principali segnali del circuito di Figura 1 che illustrano il metodo dell'invenzione.

La Figura 6 mostra un diagramma di flusso che illustra una forma di realizzazione preferita del metodo dell'invenzione.

Un obiettivo del metodo dell'invenzione, implementato dal circuito di pilotaggio schematizzato in Figura 2, è di aumentare la stabilità dell’algoritmo di regolazione automatica rallentando la velocità di variazione dell’ampiezza della finestra temporale in cui rilevare l'evento di zero-cross.

Oltre al flag di EARLYZC, è stato introdotto un ulteriore flag HYSTZC che, oltre a informare se lo ZC è stato rilevato all'interno di un intervallo predefmito di sicurezza all'interno della parte non mascherata della finestra temporale, mette anche in guardia sul grado di rischio di erronea rilevazione dello zero-cross della controforza elettromotrice BEMF che una riduzione dell’ampiezza della finestra potrebbe avere sul giro elettrico successivo.

In sostanza, sono state aumentate le strade che l’algoritmo automatico può decidere di intraprendere a seconda se l'evento di zero-cross cade all'interno della parte non mascherata della finestra temporale e all'esterno dell'intervallo di sicurezza (Figura 3), oppure se l'evento di zero-cross cade all'interno della parte non mascherata della finestra temporale e all'interno dell'intervallo di sicurezza (Figura 4), oppure se l'evento di zero-cross cade all'esterno della parte non mascherata della finestra temporale (Figura 5).

Il segnale WINDOW è il comando di apertura della finestra temporale in cui un avvolgimento viene posto in tristate, MASK è un segnale di mascheratura di parte della finestra temporale, per evitare che tensioni transitorie falsino la rilevazione dell'evento di zero-cross, e HYST è un flag che identifica un intervallo di sicurezza all'interno della porzione non mascherata della finestra temporale.

Alla rilevazione di un evento di zero-cross, si genera un impulso di campionamento ZC dei flag MASK e HYST, ottenendo così i campioni logici EARLYZC e HYSTZC. Se entrambi i campioni sono pari a 0 (Figura 3), allora vuol dire che l'evento di zero-cross è stato rilevato durante la parte non mascherata della finestra temporale e al di fuori dell'intervallo di sicurezza.

Se entrambi i campioni sono pari a 1, allora vuol dire che l'evento di zero-cross è stato rilevato durante il periodo di mascheratura, per cui è opportuno intraprendere azioni correttive.

Se il campione EARLYZC=0 allora vuol dire che l'evento di zero-cross si è verificato, come desiderabile, durante la parte non mascherata della finestra temporale, o durante l'intervallo di sicurezza (HYSTZC=1) oppure all'esterno di esso (HYSTZC=0). A seconda del valore di HYSTZC, si decide se mantenere inalterati oppure variare i valori di ampiezza della finestra temporale e la della parte mascherata di essa.

Secondo una forma di realizzazione dell'invenzione, illustrata dal diagramma di flusso di Figura 6, se il campione EARLYZC=1 si aumenta il valore di ampiezza della finestra temporale e la della parte non mascherata di essa; se invece EARLYZC=0, allora si verifica se l'evento di zero-cross si è verificato al di fuori dall'intervallo di sicurezza e se contemporaneamente tali ampiezze non sono pari né ad un valore minimo prestabilito MIN e neppure ad un valore prestabilito di regime TARGET: solo se queste condizioni sono verificate, si riducono tali ampiezze.

In pratica, se HYSTZC=0, allora vuol dire che la parte non mascherata della finestra temporale è relativamente lunga e si verifica se si può o se conviene ridurla per rendere più efficiente il pilotaggio del motore.

Secondo la forma preferita di realizzazione dell'invenzione, si memorizzano in una tabella di consultazione ("look-up table") valori di ampiezza della durata della finestra temporale e della parte mascherata di essa, quindi si scelgono valori di esse mediante un puntatore POINTER alla lista.

La durata dell'intervallo di sicurezza può essere fissata a piacimento dall'utente. Preferibilmente, essa sarà stabilita in funzione dei valori di durata della finestra temporale e della parte mascherata di essa nel periodo elettrico presente e dei valori che si intende far loro assumere nel periodo elettrico successivo, in modo da evitare che si verifichi uno zero-cross durante la parte mascherata della finestra temporale. Test eseguiti dalla richiedente hanno mostrato che si ottengono buoni risultati stabilendo la durata dell'intervallo di sicurezza pari alla metà della parte non mascherata della finestra temporale, come illustrato nelle Figure da 3 a 5.

Il metodo è stato illustrato limitatamente al caso in cui ci sia un solo flag Hyst definente un intervallo di sicurezza, ma secondo una forma di realizzazione meno preferita è possibile aggiungere altri flag così da definire più sotto-intervalli della parte non mascherata della finestra temporale. Campionando tale pluralità di flag aggiunti con l'impulso di zero-cross ZC, si individua il sotto-intervallo nel quale l'evento di zero-cross è avvenuto e si sceglie in maniera ancora più raffinata i valori di durata della finestra temporale e della parte mascherata di essa. Tale forma di realizzazione non verrà illustrata in dettaglio perché un qualsiasi tecnico esperto capirà immediatamente come implementarla a partire dalla descrizione che precede,

Claims (5)

1. RIVENDICAZIONI 1. Metodo di pilotaggio di un motore brushless sensorless in modalità commutata, comprendente eseguire le seguenti operazioni ad ogni periodo di commutazione: collegare in tri state un avvolgimento del motore almeno durante una finestra temporale per rilevare un attraversamento per lo zero della controforza elettromotrice indotta in detto avvolgimento dalla rotazione del rotore del motore, monitorare la tensione su detto avvolgimento in tristate durante una porzione non mascherata di detta finestra temporale, rilevare durante detta finestra temporale un attraversamento per lo zero (ZC) di detta controforza elettromotrice indotta, verificare se detto attraversamento per lo zero (ZC) è avvenuto durante detta porzione non mascherata oppure no, modificare o lasciare inalterata per il periodo successivo l'ampiezza di detta finestra temporale e/o della parte non mascherata di essa in funzione della verifica al punto precedente, caratterizzato dal fatto che comprende l'operazione di definire un intervallo di sicurezza all'interno di detta finestra temporale non mascherata; e modificare o lasciare inalterata per il periodo successivo l'ampiezza di detta finestra temporale e/o della parte non mascherata di essa a seconda se detto attraversamento per lo zero (ZC) è stato rilevato all'interno di detto intervallo di sicurezza oppure all'esterno di esso e/o all'esterno di detta finestra temporale non mascherata.
2. 2. Il metodo della rivendicazione 1, comprendente le operazioni di: a) generare un flag di mascheratura (MASK) attivo per mascherare parte di detta finestra temporale; b) generare un flag di sicurezza (HYST) attivo per definire detto intervallo di sicurezza; c) campionare il valore logico di detto flag di mascheratura (MASK) e di detto flag di sicurezza (HYST) all'asserzione di detto attraversamento per lo zero; e d) aggiustare l'ampiezza di detta finestra temporale non mascherata per il periodo di commutazione successivo in funzione dei valori logici di detti flag campionati al punto c).
3. 3. Il metodo della rivendicazione 2, in cui detto intervallo di sicurezza è pari alla metà di detta porzione non mascherata della finestra temporale.
4. 4. Il metodo della rivendicazione 1, comprendente le operazioni di: definire una tabella di consultazione di valori predefiniti di ampiezze di detta finestra temporale e della porzione non mascherata di essa; scegliere un valore iniziale di dette ampiezze; se si rileva un evento di attraversamento per lo zero durante una porzione mascherata della finestra temporale, selezionare per il periodo successivo un valore aumentato di dette ampiezze, altrimenti diminuire o lasciare immutato per il periodo successivo dette ampiezze a seconda se si verificano contemporaneamente oppure no le condizioni seguenti: l'evento di attraversamento per lo zero si è verificato al di fuori di detto intervallo di sicurezza, dette ampiezze non sono pari a rispettivi valori minimi di detta tabella, dette ampiezze non sono pari a rispettivi valori obiettivo prestabiliti (target).
5. 5. Circuito di pilotaggio di un motore brushless sensorless in modalità commutata, comprendente: un comparatore collegato ad almeno un avvolgimento del motore, che genera un primo segnale logico rappresentativo del segno della controforza elettromotrice indotta (BEMF) in detto avvolgimento, un rilevatore di fronti di commutazione (EDGE DETECTOR), ricevente in ingresso detto primo segnale logico e un segnale di mascheratura (ZERO CROSS MASK) attivo per mascherare una parte di una finestra temporale di rilevazione di detta controforza elettromotrice indotta (BEMF), generante un impulso (DETECTED ZERO CROSS) sincrono con la rilevazione di un attraversamento dello zero della controforza elettromotrice indotta (BEMF), una logica di controllo (DRIVING PROFILE GENERATOR, WINDOW&MASK GENERATOR, HYSTERETIC SELF ADAPTIVE WINDOW, PWM OUTPUT CONVERTER) ricevente in ingresso almeno detto impulso sincrono (DETECTED ZERO CROSS) e generante detto segnale di mascheratura (ZERO CROSS MASK), segnali PWM di pilotaggio delle fasi del motore (OUTA, OUTB, OUTC) e segnali di definizione di detta finestra temporale almeno per detto avvolgimento, caratterizzato dal fatto che detta logica di controllo è adatta ad implementare il metodo secondo una delle rivendicazioni da 1 a 4.