ITVA20080070A1 - Rilevazione della posizione angolare del rotore di un motore a spazzole senza uso di sensori - Google Patents

Description

CAMPO TECNICO

Il presente trovato concerne in generale le tecniche di controllo di un motore a spazzole a corrente continua ed in particolare ad un metodo e relativi circuiti implementativi per rilevare la posizione angolare del rotore rispetto allo statore e quindi la velocità di rotazione del motore senza richiedere l'uso di sensori.

BACKGROUND

I sistemi di controllo della marcia di motori elettrici a corrente continua a spazzole richiedono ovviamente l'informazione essenziale della velocità di rotazione corrente del motore.

I metodi di rilevazione della velocità di rotazione usati comunemente si basano sull'impiego di sensori ad effetto Hall che contano il numero di passaggi di un magnete calettato sull’albero, oppure un encoder calettato sull’albero che stabilisce la posizione angolare dell’albero stesso. Questi sistemi richiedono 3 fili di collegamento per ciascun sensore montato sul motore e quindi un cablaggio aggiuntivo oltre quello necessario all’alimentazione del motore.

Più recentemente sono stati sviluppati metodi alternativi per rilevare la posizione angolare del rotore senza impiegare sensori, basati sull'analisi della corrente di armatura per rivelare l'ondulazione attribuibile al "ripple" indotto dalle commutazioni delle spazzole. La FIG. 1 illustra il principio di rilevazione. L'origine del "ripple" di commutazione sulla corrente di armatura di un motore DC à ̈ nota ad un tecnico e non si ritiene necessaria riproporne l'analisi.

Il problema consiste nel realizzare un conteggio dei picchi di corrente di armatura la cui forma d’onda presenta numerose e diverse irregolarità oltre all'ondulazione determinata dalle commutazioni, causate dall’invecchiamento del motore, da fenomeni fisici legati al funzionamento del motore e da disturbi iniettati sul cavo di alimentazione. In pratica, rumore tipicamente presente ha frequenze ed ampiezze simili al segnale utile. Inoltre la forte variabilità dei parametri che causano effetti spuri sul segnale di corrente di armatura à ̈ tale da dar luogo ad ondulazioni (picchi) anche in assenza momentanea del segnale utile, ciò aumenta notevolmente la criticità.

Alcune tra le cause principali di disturbo che un adatto filtro deve essere in grado di discriminare sono:

1. Il campo magnetico rotorico crea una BEMF sfasata rispetto alla BEMF dovuta alla variazione di campo magnetico di statore, come illustrato in FIG. 2. Questo fenomeno crea una doppia ondulazione durante la commutazione delle spazzole, come illustrato nei diagrammi A) e B) della FIG. 3, relativi a due condizioni di funzionamento di un motore DC alza cristalli di un'automobile. L’analisi di Fourier illustrata in FIG. 4, mostra che la componente fondamentale della frequenza del ripple può risultare totalmente assente. Da ciò si può intuire l'inadeguatezza di un filtro basato sull’analisi in frequenza.

2. Il segnale di corrente può risultare assente per un significativo intervallo di tempo. Tipicamente questo fenomeno si verifica durante la commutazione dei relé di pilotaggio, come illustrato il FIG. 5, che può superare una durata di 10 ms. Durante questo tempo si possono perdere fino a 5 picchi che corrispondono a più di mezzo giro del rotore.

3. L’attivazione del motore può generare un doppio picco dovuto alla corrente di avviamento come illustrato in FIG.6.

4. Picchi di corrente non dovuti alle commutazioni delle spazzole possono essere generati da rumore iniettato sul cavo di alimentazione. Se la frequenza del rumore à ̈ paragonabile alla frequenza di commutazione delle spazzole, i picchi generati dal rumore potrebbero essere rilevati e generare un falso conteggio.

5. Motori a spazzole per l'industria automobilistica hanno generalmente un numero di spazzole molto ridotto e quindi il conteggio deve risultare estremamente preciso per poter raggiungere gli standard richiesti dai sistemi automotive. Risulta quindi importante poter ridurre l’errore dovuto al numero discreto di commutazioni, con un sistema di valutazione delle posizioni intermedie del rotore tra due commutazioni. Inoltre la non conoscenza della posizione intermedia, può generare degli errori di conteggio perché se la posizione intermedia tra due commutazioni à ̈ ignota, risulta difficile sincronizzare il segnale filtro con il segnale da analizzare sin dal primo impulso.

ARTE NOTA

Tra i documenti rappresentativi dello stato dell’arte di elaborazione del segnale di corrente di armatura al fine di minimizzare l’errore di stima della posizione angolare e velocità di rotazione del rotore, si citano:

EP-A-0 890 841-B1 (TEMIC). Utilizza le equazioni di stato del motore per stimare la frequenza del "ripple" e compara la frequenza del "ripple" di corrente misurato con la frequenza stimata.

EP-A-0689054-B1 (BOSCH). Circuito totalmente analogico con amplificatore di un segnale di corrente, filtro analogico che effettua uno spostamento di fase, filtro e comparatore che squadra il "ripple" eliminando il rumore.

US Pat. No.6,859,030 (KOSTAL). Rilevamento del "ripple" durante una fase di frenata per stimare lo spostamento in frenata.

US Pat. No. 6,768, 282 (KOSTAL). Compara il tempo che scorre tra due picchi con un tempo stimato e quindi elimina un picco se la differenza supera una certa soglia.

US Pat. No. 7,079,964 (KOSTAL). Analisi spettrale del segnale di corrente e del segnale di tensione applicata. Il confronto delle due analisi spettrali permette di discriminare le frequenze introdotte dal "ripple" di corrente del motore dalle frequenze dovute al rumore sulla linea di alimentazione.

US Pat. No. US 6,839,653 (KOSTAL). Analisi di Fourier del segale di corrente per discriminare le frequenze dovute al "ripple" di corrente dal rumore.

EP-A-1 453 172-A1 (LEAR). Analisi della corrente del motore ed uso del "ripple" di corrente per rilevare la rotazione dell’asse del motore. I filtri contemplati sono relativamente complessi e di non facile realizzazione.

SOMMARIO DELL'INVENZIONE

Il metodo del richiedente si basa su una azione di filtraggio in dominio tempo che si autosincronizza al segnale da analizzare, cioà ̈ al segnale di ripple di commutazione, rivelandone in tempo reale l'ondulazione senza richiedere l'introduzione di ritardi. In pratica, il filtro usato à ̈ intrinsecamente in grado di trasformare la funzione discreta che esprime la posizione angolare del rotore (spazzole) in una funzione continua.

Fondamentalmente, un rivelatore di picchi genera un segnale impulsivo ad onda quadra con fronti di salita coincidenti con ciascun picco di ripple di commutazione e degli altri disturbi presenti sul segnale di corrente di armatura del motore ed il segnale impulsivo viene filtrato in dominio tempo per discriminare i picchi di ripple dai picchi corrispondenti a disturbi non correlati alla frequenza di commutazione. L'algoritmo comprende: generare rampe di integrazione del valore stimato corrente della frequenza di ripple verso il valore dell'unità, per un intervallo di tempo che teoricamente corrisponde al periodo di frequenza reale; stabilire un campo di abilitazione al reset della rampa di integrazione di un certo valore soglia in difetto ed in eccesso del valore unitario di integrazione e quindi una corrispondente finestra temporale centrata sull'istante terminale del periodo del valore stimato corrente della frequenza di ripple; validare come afferente al ripple, in quanto cadente all'interno di detta finestra temporale, un fronte di salita del segnale impulsivo ad onda quadra e conseguentemente resettare la rampa di integrazione e aggiornare il valore della frequenza di ripple al periodo stabilito all'istante di reset.

In caso di mancata validazione di un fronte di salita cadente in detta finestra temporale, l'integrazione viene fatta proseguire fino a raggiungere la soglia in eccesso del valore unitario, e quindi la rampa di integrazione viene resettata ed il valore stimato della frequenza ridotto al periodo determinato da tale istante di reset.

Il metodo e numerosi possibili affinamenti del metodo, così come i relativi schemi circuitali di implementazione, saranno più chiaramente compresi dalla lettura di descrizioni dettagliate di numerosi esempi di realizzazione e pratica dell'invenzione, con riferimento ai disegni allegati, essendo inteso che tali descrizioni ed illustrazioni di forme preferite di attuazione sono date a puro scopo illustrativo e non limitativo dell'ambito di tutela rivendicato nelle annesse rivendicazioni.

BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI

FIG. 1 illustra il principio di rilevazione dell'angolo di rotazione dal ripple di commutazione.

FIG. 2 illustra come il campo magnetico rotorico crei una BEMF sfasata rispetto alla BEMF dovuta alla variazione di campo magnetico di statore. FIG. 3 illustra il possibile crearsi di una doppia ondulazione durante la commutazione delle spazzole a diverse condizioni di funzionamento.

FIG. 4 mostra come da una analisi di Fourier, la componente fondamentale della frequenza del ripple può risultare totalmente assente.

FIG. 5 mostra come, durante la commutazione dei relé di pilotaggio, il segnale di corrente può risultare assente per un significativo intervallo di tempo.

FIG. 6 mostra che l’attivazione del motore può generare un doppio picco dovuto alla corrente di avviamento.

FIG. 7 Ã ̈ uno schema di principio a blocchi di una prima forma di realizzazione dell'invenzione.

FIG. 8 Ã ̈ una descrizione matematica del blocco<TIME DOMAIN FILTER>con relativo schema circuitale e diagramma, relativi ad un esempio pratico di funzionamento.

FIG. 9 Ã ̈ una descrizione grafica del funzionamento del blocco<TIME DOMAIN>FILTER nel discriminare e valicare impulsi del segnale impulsivo ad onda quadra prodotto dal blocco<PEAK DETECTOR>della FIG.7.

FIG. 10 Ã ̈ una descrizione grafica del funzionamento del blocco<TIME>DOMAIN FILTER quando si verifica una condizione di time-out (mancata validazione di un impulso) e come viene ricostruita la mancata cattura.

FIG. 11 mostra i dettagli circuitali dei blocchi significativi dello schema della FIG.7.

FIG. 12 illustra graficamente come il metodo possa prevedere il mantenimento del sincronismo in caso di arresto e riavvio del motore.

FIG. 13 mostra una semplice integrazione allo schema circuitale implementativi della FIG. 11 per mantenere il sincronismo in caso di arresto e riavvio del motore.

FIG. 14 à ̈ un'illustrazione grafica della capacità del filtro in dominio tempo di eliminare doppi picchi.

FIG. 15 Ã ̈ un'illustrazione grafica del modo in cui il filtro in dominio tempo recupera possibili picchi mancanti nel segnale di corrente di armatura.

FIG. 16 mostra una simulazione matlab dell'abilità del filtro di ripristinare picchi mancanti durante la fase di commutazione dei relé durante una decelerazione del motore.

FIG. 17 e FIG. 18 sono simulazioni matlab in fase di controllo del valore della posizione intermedia a motore arrestato e di controllo del valore iniziale di integrazione al riavvio del motore.

FIG. 19 à ̈ una simulazione matlab che mostra come il sistema sia in grado di aggiustare i parametri di stima della frequenza di ripple in modo da ottenere una sintonizzazione più affinata del filtro.

FIG. 20 Ã ̈ una simulazione matlab che mostra il comportamento di autoaggiustamento del filtro durante un transitorio.

FIG. 21 à ̈ una spiegazione grafica del modo di selezione del fronte di salita migliore quando il primo fronte di salita più valido avviene con valore di integrazione inferiore all'unità.

FIG. 22 à ̈ una spiegazione grafica del modo in cui il sistema sceglie il fronte di salita migliore tra più impulsi cadenti all'interno della finestra temporale.

FIG. 23 illustra graficamente il comportamento del filtro quando non venga rivelato alcun impulso nell'intervallo di tempo in cui il valore dell'integrale à ̈ all'interno del range di tolleranza.

FIG. 24 mostra l'aumento della stima di errore.

FIG. 25 à ̈ un diagramma di flusso della struttura digitale di controllo di una funzione di filtraggio in dominio tempo, secondo una forma di realizzazione in grado di effettuare la scelta dell'impulso "migliore" tra più impulsi catturati nella finestra temporale.

FIG. 26 mostra una possibile architettura implementativa con una suddivisione che comprende un dispositivo analogico e un dispositivo digitale a microprocessore, richiedente il minimo numero di componenti analogici.

FIG. 27 mostra un'alternativa architettura di partizione tra dispositivo analogico e dispositivo digitale in cui il microprocessore deve solo rilevare la presenza dei picchi.

FIG. 28 à ̈ un'altra possibile architettura della partizione tra il dispositivo analogico ed il dispositivo digitale, in cui il ripple à ̈ separato dalla DC e amplificato ad un ampiezza compatibile con la conversione AD.

DESCRIZIONE DI FORME DI ATTUAZIONE DELL'INVENZIONE La descrizione che segue si limita a illustrare le caratteristiche del metodo e di efficaci strutture circuitali in grado di implementarlo, senza descrivere dettagli di altri componenti funzionali oltre a quelli strettamente necessari a descrivere le connessioni, dell'intero sistema di controllo del motore che si avvale dell'informazione di posizione angolare del rotore ricavata con il metodo dell'invenzione. Componenti che si assumono essere di un qualsiasi tipo tra i molti comunemente utilizzati.

La FIG. 7 Ã ̈ uno schema di principio a blocchi di una prima forma di realizzazione dell'invenzione, in cui i blocchi funzionali che implementano il metodo dell'invenzione: PEAK DETECTOR, TIME DOMAIN FILTER,

<TIME>»<FREQUENCY>,<PID>,<FREQUENCY PRE>-<CONDITIONING>, sono evidenziati da un fondo grigio.

La FIG. 8 Ã ̈ una descrizione matematica del blocco<TIME DOMAIN FILTER>con relativo schema circuitale e diagramma, relativi ad un esempio pratico di funzionamento.

La FIG. 9 Ã ̈ una descrizione grafica del funzionamento del blocco<TIME>

<DOMAIN FILTER>nel discriminare e valicare impulsi del segnale impulsivo ad onda quadra prodotto dal blocco<PEAK DETECTOR>della FIG.7.

La FIG. 10 Ã ̈ una descrizione grafica del funzionamento del blocco<TIME>

<DOMAIN FILTER>quando si verifica una condizione di time-out (mancata validazione di un impulso) e come, in questo caso, viene ricostruita la mancata cattura, in pratica riducendo il valore stimato corrente di frequenza di ripple (velocità di rotazione) di una quantità tale da corrispondere al periodo incrementato della semi-finestra temporale di cattura (validazione) degli impulsi.

FIG. 11 mostra i dettagli circuitali dei blocchi significativi dello schema della FIG.7, secondo una prima forma di realizzazione.

Il rivelatore di picchi PEAK_DETECTOR genera un segnale impulsivo ad onda quadra con fronti di salita coincidenti con ciascun picco di ripple di commutazione e di altri disturbi sul segnale di corrente di armatura

<MOTOR>_<CURRENT>del motore ed il segnale impulsivo viene filtrato in dominio tempo dal blocco<TIME>_<DOMAIN>_<FILTER>per discriminare i picchi di ripple dai disturbi considerati non correlati al valore FE_P elaborato dal blocco

<FREQUENCY>_<PRE>-<CONDITIONING>, in base alla frequenza di commutazione stimata corrente<FE>. Il valore stimato della frequenza di commutazione<FE>viene costantemente aggiornato in base all'istante di cattura di un impulso all'interno della finestra temporale di validazione centrata sull'istante terminale del periodo T della frequenza stimata corrente<FE>.

Il blocco di auto sintonizzazione AUTO_TUNING, in base alla frequenza dell’ondulazione di ripple filtrata aggiorna i parametri di stima della frequenza e quindi il sistema permette di annullare anche gli effetti dovuti alle variazioni di temperatura del motore e/o all’invecchiamento del motore. L'algoritmo del metodo dell'invenzione comprende generare rampe di integrazione (verso il valore unitario) del valore stimato corrente della frequenza di ripple per un intervallo di tempo corrispondente al periodo di frequenza. Canonicamente ciò potrebbe essere eseguito secondo l'equazione:

ti+ Ti ti Ti

<dF>

ò<(>t -ti<)>dt<+>

ti dt òF<(>t<)>dt<= 1>

ti

ad esempio nel modo illustrato in FIG.8, dove F à ̈ la frequenza stimata degli impulsi di ripple, per cui se la stima corrisponde al vero l'integrale dall'istante di inizio all'istante terminale di un ciclo o periodo della frequenza F, raggiunge il valore dell'unità.

Stabilendo un certo campo di tolleranza accettabile nella stima della frequenza, si può definire una finestra temporale centrata sull'istante terminale del periodo stimato di abilitazione al reset della rampa di integrazione, fissando un certo valore soglia (Δ) in difetto o negativa (1-Δ) ed in eccesso o positiva (1+Δ) di ampiezza della rampa di integrazione, entro i limiti dei quali à ̈ abilitato il reset della rampa di integrazione da parte di un fronte di salita, che viene così validato come afferente al ripple. L'istante di reset à ̈ l'informazione usata per aggiornare il valore stimato della frequenza di ripple al periodo stabilito all'istante di reset.

Rispetto al calcolo esatto dell'integrale, Ã ̈ possibile semplificare notevolmente il processo, eseguendo invece la seguente operazione di pre-condizionamento del valore stimato corrente della frequenza di ripple<FE>:

FE_P = FE ( d FE/ dt )/(2 X FE)

Dove: FE = FE (if FE > FE min) FE=FEmin (if FE<Femin) e dove FEmin à ̈ il minimo valore atteso della frequenza di ripple; producendo così un valore pre-condizionato<FE>_<P>della frequenza di ripple stimata da integrare durante il successivo periodo (di ripple).

Il metodo sopra descritto à ̈ illustrato graficamente nella FIG. 9 dove il valore soglia Δ=Th.

La FIG. 10 illustra graficamente un caso di mancata validazione di un fronte di salita nella finestra temporale. Quando questo accade, l'integrazione può essere fatta proseguire fino a che l'ampiezza raggiunge la soglia in eccesso 1+Th, e quindi la rampa di integrazione viene resettata ed il valore stimato corrente della frequenza ridotto al periodo determinato dall'istante di reset, ovvero dal fronte di salita di un impulso P<ULSE>_<CAPTURED>che viene (ri)costruito ad hoc a rappresentare nell'occasione, l'impulso catturato di reset.

Secondo una forma di realizzazione, il metodo sopra descritto ed illustrato può essere implementato con i diversi blocchi funzionali evidenziati in FIG.

11, che illustra, in modo perfettamente leggibile ad un tecnico, i dettagli circuitali dei diversi blocchi, utilizzando simboli e legende che rendono chiara la natura dei componenti e dei parametri.

Sincronizzazione del filtro già al primo impulso

Secondo un semplice affinamento del metodo dell'invenzione à ̈ possibile assicurare un perfetto sincronismo del filtro quando il motore viene riavviato dopo un arresto, già al primo impulso catturato.

Il metodo dell'invenzione à ̈ infatti intrinsecamente atto a trasformare il sistema di rilevazione da sistema a numero finito di posizioni per ogni giro, in un sistema continuo. In pratica, il valore dell'integrale, cioà ̈ l'ampiezza della rampa indica la posizione del rotore tra due commutazioni. Questa caratteristica consente di far ripartire l'integrazione (la rampa) dal valore corrispondente alla posizione angolare assunta dal rotore al momento del suo arresto, così il filtro mantiene il sincronismo.

La FIG. 12 illustra graficamente quanto descritto sopra e come il metodo possa prevedere il mantenimento del sincronismo in caso di arresto e riavvio del motore.

Allo stop, il rotore si fermerà in una posizione generalmente intermedia tra due punti di riferimento identificati dai picchi del ripple di commutazione. Mentre la frequenza si annulla, il valore dell'integrazione calcola in modo continuo tale posizione intermedia. Il valore dell'integrale al momento dell'arresto permette di stimare la distanza dal primo ciclo dell'ondulazione del ripple di commutazione al riavvio consentendo di fare partire l'integrazione da un valore che corrisponde al punto intermedio tra i due riferimenti in cui si trovava il rotore durante la sosta.

La FIG. 13 mostra la semplice integrazione allo schema circuitale implementativo della FIG. 11 che à ̈ necessario attuare per assicurare il mantenimento del sincronismo in caso di arresto e riavvio. In pratica à ̈ sufficiente disporre di un blocco di memorizzazione<OLD>del valore raggiunto dall'integrazione al momento dell'arresto del rotore ed di una semplice logica atta a fornire come valore iniziale dell'integrazione al momento del riavvio, anziché lo zero, un valore che corrisponda alla posizione angolare data dal valore memorizzato all'arresto.

FIG. 14 à ̈ un'illustrazione grafica della capacità del filtro in dominio tempo di eliminare doppi picchi che possono verificarsi sul segnale di corrente di armatura come già discusso in precedenza.

FIG. 15 à ̈ un'illustrazione grafica del modo in cui il filtro in dominio tempo opera il recupero di possibili picchi mancanti nel segnale di corrente di armatura, anche questo fenomeno essendo già stato discusso in precedenza.

FIG. 16 mostra una simulazione matlab che mostra l'abilità del filtro di ripristinare picchi mancanti durante la fase di commutazione dei relé durante una decelerazione del motore.

FIG. 17.e FIG. 18 sono simulazioni matlab in fase di controllo del valore della posizione intermedia a motore arrestato e di controllo del valore iniziale di integrazione al riavvio del motore.

FIG. 19 à ̈ una simulazione matlab che mostra come il sistema à ̈ atto ad aggiustare i parametri di stima della frequenza di ripple in modo da ottenere una più fine sintonizzazione del filtro. La simulazione à ̈ stata effettuata in fase di ri-accelerazione in direzione opposta del motore dopo un arresto, che può considerarsi la peggiore condizione di prova.

FIG. 20 Ã ̈ una simulazione matlab che mostra il comportamento di autoaggiustamento del filtro durante un transtorio.

Affinamento del metodo dell'invenzione

Nelle forme di realizzazione sin qui descritte, il filtro in dominio tempo non considera il caso in cui più impulsi avvengano nell'intervallo di tempo in cui il valore raggiunto dall'integratore (ampiezza della rampa) si trovi all'interno del campo di tolleranza e quindi all'interno della finestra temporale di convalidazione. Secondo le forme di realizzazione sin qui illustrate, à ̈ il primo impulso catturato all'interno della finestra ad essere considerato valido, nonostante che impulsi successivi potrebbero sopraggiungere non solo all'interno della finestra temporale di discriminazione, ma anche per valori dell'integrale più prossimi all'unità (che corrisponde al tempo stimato corrente, eventualmente pre-condizionato, del periodo di ripple).

Secondo una forma alternativa di realizzazione del metodo dell'invenzione, il sistema memorizza il valore dell'integrale al fronte di salita di ciascun impulso che cada all'interno della finestra temporale di validazione e sceglie il fronte di salita dell'impulso a cui corrisponde il valore di integrazione più prossimo all'unità.

Naturalmente, la circuiteria digitale di memorizzazione ed elaborazione dovrà essere adattata alle funzioni migliorative di una tale forma alternativa di realizzazione del metodo dell'invenzione. L'esecuzione dell'algoritmo sopra descritto di scelta del "migliore" impulso richiede l'impiego di memoria ed a tal fine à ̈ quindi usabile un comune sistema a microprocessore.

FIG. 21 fornisce una spiegazione grafica del modo di selezione del fronte di salita migliore quando il primo fronte di salita più valido avviene con valore di integrazione inferiore all'unità.

FIG. 22 à ̈ una spiegazione grafica del modo in cui il sistema sceglie il fronte di salita migliore tra più impulsi cadenti all'interno della finestra temporale nel caso in cui il valore di integrazione al fronte di salita del primo impulso catturato sia minore dell'unità, mentre quello migliore avvenga quando l’integrazione à ̈ maggiore dell’unità.

FIG. 23 illustra graficamente il comportamento del filtro quando non venga rivelato alcun impulso nell'intervallo di tempo in cui il valore dell'integrale à ̈ all'interno del range di tolleranza. In questo caso il sistema raggiunge un impulso e riporta il valore iniziale dell'integrale al valore della differenza tra il valore attuale raggiunto dall'integrale meno 1. Dopo di che, incrementa un contatore di errore e se il contatore supera il valore massimo prestabilito segnala un problema di sincronizzazione del filtro.

Infatti, come mostrato in FIG. 24, gli eventi di time out come quello mostrato nella FIG. 23, aumentano la stima di errore. La stima di errore diminuisce a zero se un impulso viene catturato all'interno della finestra temporale di validazione. Il valore di stima di errore deve essere utilizzato sulla base dell'esperienza in quanto à ̈ evidente che molti time-out in successione manifestano un chiaro segno che il contatore dei picchi di ripple à ̈ fuori controllo.

Un diagramma di flusso della struttura digitale di controllo di una funzione di filtraggio in dominio tempo, in grado di effettuare la scelta dell'impulso "migliore" (cioà ̈ dell'impulso che meglio approssima l'istante terminale del periodo di ripple stimato) nel caso che più fronti di salita si verifichino all'interno della finestra temporale di validazione e di segnalare il superamento di un certo valore massimo di numero di errori à ̈ mostrato in FIG. 25.

FIG. 26 mostra una possibile architettura implementativa con una suddivisione che comprende un dispositivo analogico<COMPANION>e un dispositivo digitale a microprocessore STM8 contenente le strutture periferiche digitali di esecuzione del metodo di rilevazione della posizione angolare e/o velocità del rotore e di controllo. Con questa soluzione i componenti analogici esterni sono ridotti all’essenziale. Vi e’ solo un sense di corrente ed un amplificatore per rendere il segnale compatibile con la conversione AD. Questa configurazione richiede un AD a 10bit con una frequenza di campionamento di almeno 10KHz.

FIG. 27 mostra un'alternativa architettura di partizione tra dispositivo analogico e dispositivo digitale. L’onda quadra con i fronti di salita coincidenti con i picchi del ripple à ̈ ottenuta tramite un circuito analogico. Il microprocessore deve solo rilevare la presenza dei picchi. In questo modo à ̈ possibile utilizzare una sola conversione AD a 8 bit per la DC, con notevole riduzione del carico sul micro. E’ quindi possibile utilizzare un microprocessore meno potente ma la soluzione risulta meno apprezzabile a causa del numero elevato di componenti passivi e in analogico esterni.

FIG. 28 à ̈ un'altra possibile architettura della partizione tra il dispositivo analogico COMPANION ed il dispositivo digitale STM8. Il ripple à ̈ separato dalla DC e amplificato ad un ampiezza compatibile con la conversione AD. In questo modo e’ possibile utilizzare convertitori a 8bit senza perdere la risoluzione sul segnale AC che à ̈ di due ordini di grandezza più piccolo della componente DC. Di contro e’ necessario implementare due conversioni AD. Una per la DC, con frequenza di campionamento relativamente bassa, e l’altra per il ripple, ma a frequenza di campionamento (ad esempio 10kHz) compatibile con la frequenza del ripple.

Claims (7)

1. RIVENDICAZIONI 1. Metodo di rilevazione della posizione angolare del rotore di un motore a spazzole senza uso di sensori comprendente: rivelare picchi di ripple di commutazione e di disturbi sul segnale di corrente di armatura del motore mediante un rivelatore di picchi atto a generare un segnale impulsivo ad onda quadra con fronti di salita coincidenti con ciascun picco rilevato; filtrare in dominio tempo l'onda quadra prodotta dal rivelatore di picchi eseguendo le operazioni di - generare rampe di integrazione, verso il valore unitario, del valore stimato corrente della frequenza di ripple per un intervallo di tempo corrispondente al periodo della frequenza; - stabilire un campo di abilitazione al reset della rampa di integrazione fissando un certo valore soglia in difetto ed in eccesso del valore unitario di integrazione ed una corrispondente finestra temporale centrata sull'istante terminale di ciascun periodo della frequenza stimata di ripple; - validare come afferente al ripple, in quanto cadente all'interno di detta finestra temporale un fronte di salita di detto segnale impulsivo ad onda quadra e conseguentemente resettare la rampa di integrazione e aggiornare il valore della frequenza di ripple al periodo stabilito dall'istante di reset; - in caso di mancata validazione di un fronte di salita in detta finestra temporale, proseguire l'integrazione fino a raggiungere detta soglia in eccesso del valore unitario, resettare la rampa di integrazione e ridurre il valore stimato corrente della frequenza al periodo determinato dall'istante di reset.
2. 2. Metodo secondo la rivendicazione 1, in cui ad ogni arresto del motore, la posizione angolare del rotore tra riferimenti angolari corrispondenti a picchi di ripple della corrente di armatura al termine della marcia, Ã ̈ stabilito dall'ampiezza finale della rampa di integrazione rispetto all'ampiezza al termine del periodo corrispondente all'ultimo valore stimato della frequenza di ripple.
3. 3. Metodo secondo la rivendicazione 2, in cui ad ogni riavviamento del motore l'integrazione à ̈ fatta partire dall'ampiezza finale della rampa di integrazione stabilita all'arresto.
4. 4. Metodo secondo la rivendicazione 1, in cui quando un primo fronte di salita cade in un primo semi-intervallo di detta finestra temporale di validazione, viene proseguita l'integrazione per rilevare qualsiasi eventuale successivo fronte di salita più vicino, in difetto o in eccesso, all'istante terminale del periodo di frequenza stimata corrente del primo fronte di salita validato, resettando la rampa di integrazione e aggiornando il valore stimato di frequenza di ripple sul fronte di salita più vicino a detto istante terminale.
5. 5. Sistema a microprocessore per il controllo di un motore a spazzole impiegante informazione sulla posizione angolare del rotore rispetto allo statore ottenuta senza uso di sensori, secondo il metodo di una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 4, caratterizzato dal fatto che comprende un elemento di sense attraversato dalla corrente di armatura del motore; ed un amplificatore del segnale di sense presente ai capi dell'elemento di sense; quali unici componenti analogici di detto sistema di controllo impiegante un microprocessore avente almeno un convertitore analogico/digitale ad almeno 10bit, funzionante ad una frequenza di campionamento del segnale analogico amplificato di sense di almeno 10 KHz.
6. 6. Sistema a microprocessore per il controllo di un motore a spazzole secondo la rivendicazione 5, comprendente inoltre un rilevatore di picchi analogico atto a generare un segnale impulsivo ad onda quadra con fronti di salita coincidenti con ciascun picco rilevato sul segnale di corrente di armatura, alimentato ad un ingresso dati di detto microprocessore, il microprocessore utilizzante un solo convertitore analogico/digitale ad almeno 8bit della sola componente continua del segnale analogico amplificato di sense.
7. 7. Sistema a microprocessore per il controllo di un motore a spazzole secondo la rivendicazione 5, comprendente inoltre un filtro analogico di separazione del ripple di commutazione da una componente continua del segnale di corrente di armatura; un amplificatore analogico del ripple di commutazione separato dalla componente continua ad un livello compatibile con un primo convertitore analogico/digitale del microprocessore; almeno un primo ed un secondo convertitore analogico/digitale in detto microprocessore, atti ad effettuare separatamente la conversione del segnale analogico amplificato di ripple ad una frequenza di campionamento di almeno 10KHz e della componente continua ad una frequenza di campionamento più bassa.