ITVA970015A1 - Metodo di rilevazione di un evento di zero-crossing della corrente che attraversa un carico induttivo e ottimizzazione di un sistema di - Google Patents

Description

METODO DI RILEVAZIONE DI UN EVENTO DI ZERO-CROSSING DELLA CORRENTE CHE ATTRAVERSA UN CARICO INDUTTIVO E OTTIMIZZAZIONE DI UN SISTEMA DI PILOTAGGIO PWM IN TENSIONE CAMPO DELL’INVENZIONE

La presente invenzione concerne in generale un metodo di rilevazione di un evento di attraversamento del valore zero (zero-Crossing) della corrente in un carico induttivo pilotato in modo commutato, a modulazione della larghezza di impulso, senza monitorare la corrente e più in particolare un metodo e relativo circuito di ottimizzazione del pilotaggio in tensione di un motore brushless, privo di sensori della posizione del rotore.

SCENARIO TECNOLOGICO

Per pilotare motori commutati elettronicamente (motori “stepper") o generalmente motori brushless privi di sensori della posizione relativa del rotore, è importante assicurare un perfetto sincronismo tra gli impulsi di corrente di pilotaggio forzati attraverso gli avvolgimenti di fase del motore e la forza retroelettromotrice (BEMF) indotta sugli avvolgimenti dal rotore.

Questa esigenza è comunemente soddisfatta rilevando il segnale indotto di forza retroelettromotrice (BEMF) su ciascun avvolgimento di fase mediante un comparatore, provvedendo a mascherare i segnali relativi agli avvolgimenti attraversati da una corrente di pilotaggio, e rilevando l'evento di zero-crossing della BEMF indotta sull’avvolgimento che al momento non è attraversato da alcuna corrente di pilotaggio. Sistemi di questo tipo sono descritti nel brevetto italiano No. 1 ,253,685 e nella domanda di brevetto europeo No. 95830218.4.

Nei sistemi di pilotaggio con profili variabili (sinusoidali) predefiniti, l’assenza di una fase di commutazione in cui almeno uno degli avvolgimenti del motore non sia attraversato da una corrente di pilotaggio, complica il problema di rilevare gli eventi di zero-crossing in base ai quali sincronizzare il pilotaggio, ma anche tale difficoltà può essere superata implementando apposite procedure di ricostruzione del segnale di BEMF, come descritto nella domanda di brevetto europeo No. 96830440.2.

Molti sistemi di questo tipo implementano un controllo di modo corrente, esercitando il controllo della corrente attraverso ciascun avvolgimento in modo lineare attraverso rispettivi anelli di retroazione a transconduttanza che impiegano una resistenza di rilevazione delta corrente funzionalmente connessa in serie all’avvolgimento.

In questi sistemi di controllo di “modo corrente" è relativamente agevole assicurare il mantenimento di un corretto sincronismo del pilotaggio a modulazione di larghezza di impulso (PWM) in funzione della velocità di rotazione del motore.

Esistono peraltro sistemi di pilotaggio in cui il controllo è attuato in modo tensione in virtù di una ridotta complessità circuitale necessaria. Questa soluzione è spesso preferita nei sistemi che impiegano “profili” predefiniti di pilotaggio, permanentemente registrati in forma digitale in appositi registri ed in cui la velocità di scansione ciclica dei dati digitali registrati, costituenti valori campionati di segnali di riferimento, usualmente di forma sinusoidale, da convertire in impulsi PWM, è sincronizzata con la velocità di rotazione del rotore.

Nei sistemi di controllo di “modo tensione" esiste peraltro il problema dello sfasamento tra corrente e tensione dovuto al carattere reattivo del carico pilotato rappresentato da un avvolgimento induttivo. Pertanto eventuali sistemi di ricostruzione di un segnale BEMF non sono generalmente in grado di compensare in modo dinamico tale sfasamento attraverso l'intero campo di variazione della velocità di rotazione del motore. Correzioni eventualmente introdotte non assicurano il mantenimento di un sincronismo ottimale attraverso l’intero campo di escursione delia velocità e ciò causa inefficienza e perdita di coppia, accentuatamente alle alte velocità di rotazione. E' evidente come in applicazioni di questo tipo così come più in generale in un sistema di pilotaggio di un carico induttivo in modo commutato, ci sia il bisogno o l'utilità di un sistema di rilevazione di un evento di zero-crossing della corrente che attraversa il carico induttivo senza necessariamente ricorrere al monitoraggio della corrente impiegando una resistenza di rilevazione in serie al carico induttivo.

SCOPO E SOMMARIO DELL' INVENZIONE

A questa esigenza fornisce un efficace risposta la presente invenzione riguardante un metodo e relativo circuito in grado di rilevare la direzione di scorrimento e quindi il cambio di direzione della corrente attraverso un carico induttivo pilotato in modo tensione da un sistema di controllo a modulazione di larghezza di impulso (PWM).

Il metodo dell’invenzione consiste nel rilevare l’evoluzione della tensione del nodo di pilotaggio del carico induttivo, cioè del nodo di uscita di uno stadio di potenza a semiponte, confrontandola con una tensione di riferimento di valore costante, che può essere arbitrariamente fissato e compreso nel normale campo di escursione della tensione del nodo di uscita mediante un comparatore il cui stato è periodicamente campionato in un intervallo durante il quale entrambi i due interruttori di potenza dello stadio di uscita sono interdetti. L’uscita del campionatore è mascherata fino all'istante di lettura (campionamento). Tale istante può avere una periodicità uguale a quella del segnale PWM di pilotaggio ed essere individuato ad ogni ciclo PWM di pilotaggio, durante un tempo morto (ritardo) esistente tra lo spegnimento del dispositivo inferiore o “Low-Side” e l'istante di accensione del dispositivo superiore o “High-Side".

In virtù del carattere induttivo del carico, ad ogni commutazione, la corrente che attraversa il carico continua a scorrere nella stessa direzione di scorrimento della fase di pilotaggio appena conclusasi, ricircolando attraverso gli appositi diodi di ricircolo, che nel caso assai comune e preferibile in cui entrambi i dispositivi (transistori) di potenza del semiponte di uscita siano dispositivi DMOS integrati risultano intrinseci alla stessa struttura integrata del transistore.

Essendo i due transistori di potenza dello stadio di uscita entrambi interdetti, la direzione di scorrimento della corrente determina un'evoluzione della tensione del nodo di pilotaggio o verso il potenziale di alimentazione o ad un valore sottomassa, fino all’istante di accensione del rispettivo diodo di ricircolo funzionalmente connesso in parallelo al relativo transistore di potenza.

In questo modo, si ricava un’informazione periodica sulla direzione della corrente e il rilevamento di due direzioni opposte in due eventi di campionamento successivi, fornisce un’informazione sull’avvenuto evento di zero-crossing della corrente attraverso il carico induttivo. Naturalmente lo stesso risultato è ottenibile anche con una diversa frequenza di “campionamento", anche minore della frequenza del segnale di pilotaggio PWM, ad esempio provocando periodicamente l’interdizione di uno dei due dispositivi di potenza durante una fase di conduzione del dispositivo per un intervallo di tempo sufficiente a rilevare la direzione della corrente.

In pratica, considerando i normali valori della capacità che insistono sul nodo di uscita dello stadio e del ritardo del comparatore, questo intervallo di rilevamento della direzione della corrente nel carico può essere compreso tra circa 1 e 2 μs, considerando la necessità di permettere la carica della capacità che può completarsi in circa 500ns e 1.5ps.

L’informazione così ottenuta di un evento di zero-crossing può essere facilmente sfruttata per correggere il segnale di sincronizzazione utilizzato in un sistema di controllo PWM del pilotaggio di un motore così da mantenere costantemente un sincronismo corretto al variare delle condizioni di carico e di velocità di rotazione del motore.

BREVE DESCRIZIONE DELLE FIGURE

I diversi aspetti e vantaggi dell'invenzione risulteranno ancor più evidenti attraverso la seguente descrizione di alcune forme di realizzazione e facendo riferimento ai disegni allegati, nei quali:

la figura 1 è uno schema di pilotaggio PWM di un carico induttivo; le figure 2a e 2b mostrano in modo schematico il principio di funzionamento del circuito di funzionamento dell'invenzione;

la figura 3 è uno schema a blocchi di un circuito di controllo del pilotaggio di un motore brushless incorporante un circuito di ottimizzazione della sincronizzazione secondo la presente invenzione.

DESCRIZIONE DI ALCUNE FORME DI REALIZZAZIONE

In figura 1 è esemplificato lo schema di uno stadio finale di potenza di pilotaggio di un carico induttivo che può essere uno degli avvolgimenti di un motore multifase.

II carico è rappresentato sostanzialmente dalla induttanza Ls e dalla resistenza Rs e da un generatore di forza retroelettromotrice BEMF generante una tensione sinusoidale la cui ampiezza è proporzionale alla velocità angolare del rotore e sincrona con questa.

Lo schema della figura 1 è relativo a un pilotaggio a “ponte intero”, che presuppone l'accesso a entrambi i capi di ciascun avvolgimento del motore. Naturalmente l'applicabilità dell'invenzione non è limitata a questi casi bensì essa è ugualmente e perfettamente applicabile anche a schemi di pilotaggio a semiponte, come risulterà evidente dalla descrizione che segue.

I blocchi PWM-mod indicati nello schema della figura 1 convertono una tensione di pilotaggio predefinita, ad esempio sinusoidale, in un segnale PWM che pilota gli interruttori rappresentati dai dispositivi MOS di potenza Ls1 , Ls2, Hs1 , Hs2.

in virtù dell’azione di filtro passa-basso esercitata dal l'avvolgi mento induttivo (Ls-Rs) del motore, l’effetto del pilotaggio PWM può essere equiparato ad un pilotaggio sinusoidale di classe A.

L’effetto di questo tipo di pilotaggio è quello di forzare attraverso l'avvolgimento del motore un profilo di corrente, nell’esempio sinusoidale, sincrono con la posizione del rotore ovvero sincrono con la tensione sinusoidale BEMF indotta sul’avvolgimento.

In un sistema di controllo di modo tensione, la tensione sinusoidale di pilotaggio applicata all’ingresso dei blocchi modulatori PWM ha la stessa frequenza e fase della tensione sinusoidale BEMF appositamente rilevata o ricostruita.

In pratica, la corrente sinusoidale che attraversa l'avvolgimento avrà in questo caso la stessa frequenza ma, a causa dell’effetto LR avrà uno sfasamento rispetto alla tensione sinusoidale di pilotaggio dato da:

in cui ωe è la velocità angolare in radianti/secondi del motore moltiplicata per il numero di coppie polari.

Al’aumentare della velocità di rivoluzione del motore lo sfasamento

può raggiungere valori talmente grandi da causare una marcata riduzione del rendimento.

D’altro canto una possibile compensazione di tale aumento dello sfasamento in funzione della velocità di rotazione del motore è possibile solo ricavando un’informazione istantanea dello sfasamento, cosa possibile ad esempio monitorando la corrente nell’avvolgimento. Questa soluzione implicherebbe peraltro l’introduzione di una resistenza di rilevazione in serie al’avvolgimento così come nei sistemi a controllo di modo corrente, riproponendo quindi un notevole appesantimento dei circuiti necessari.

Al contrario, secondo un aspetto fondamentale della presente invenzione, anche nel caso di uno schema di pilotaggio a controllo di modo tensione e privo di resistenze di rilevazione della corrente, è possibile rilevare un evento di zero-cross della corrente attraverso il carico induttivo, per compensare dinamicamente la variazione dello sfasamento in funzione della velocità di rotazione così da assicurare la conservazione di un perfetto sincronismo attraverso l’intero campo di variabilità della velocità di rotazione del motore.

Il metodo dell’invenzione consiste nel rilevare intermittentemente e con una certa frequenza di campionamento, la direzione di scorrimento della corrente attraverso il carico induttivo così da produrre, nel caso di una rilevazione di cambio di direzione della corrente tra due successivi eventi di rilevazione, un’informazione rappresentativa di un avvenuto attraversamento dell’asse zero (zero-Crossing) da parte della corrente. La rilevazione è effettuata periodicamente, o deliberatamente spegnendo per un brevissimo intervallo di tempo il dispositivo di potenza “Low side” o’“High side” durante una sua fase di conduzione o “campionando” l'esito della rilevazione in concomitanza di un tempo morto (di ritardo) tra l'istante di spegnimento di uno dei due dispositivi di potenza del semiponte di pilotaggio e l'istante di accensione dell’altro dispositivo di potenza dello stesso semiponte di pilotaggio.

In pratica il sistema di rilevazione dell'invenzione consiste nel comparare la tensione presente sul nodo di uscita del semiponte del pilotaggio con una tensione di riferimento costante di valore prefissato e compreso nel campo di escursione della tensione dello stesso nodo di uscita, carpionandone il -risultato in un intervallo di tempo in cui entrambi i dispositivi di potenza dello stadio a semiponte di uscita sono entrambi in uno stato di interdizione.

Il carattere induttivo del carico rappresentato dal’avvolgimento continua a forzare la corrente nella stessa direzione di scorrimento precedente allo spegnimento del dispositivo di potenza attraverso i diodi di ricircolo associati ai due dispositivi superiori di potenza di HS1 e HS2 e in dispositivi inferiori, LS1 e LS2, verso o assorbendola dal nodo di uscita del semiponte al quale il carico induttivo è collegato. Dopo un certo periodo di ritardo dall'istante di interdizione dello stadio di uscita, sufficiente a caricare la capacità del nodo di uscita, il potenziale del nodo di uscita evolverà verso la tensione del nodo di alimentazione o verso massa e tale evoluzione viene rilevata dal comparatore che produce un segnale indicativo della direzione di scorrimento della corrente.

Ogni inversione di valore di due campioni successivi di tale comparazione indica un intervenuto evento di zero-cross da parte della corrente nel'avvolgimento.

Lo schema di funzionamento del rivelatore di direzione della corrente dell’invenzione è mostrato nelle figure 2a e 2b in cui è esemplificato il caso in cui il campionamento avviene con la stessa periodicità del segnale PWM ad ogni spegnimento del dispositivo L-side e prima che il dispositivo H-side si accenda.

Nell’esempio illustrato, sia il dispositivo Hside che il dispositivo Lside sono entrambi transistori MOS.

Nei due schemi sono evidenziati i diodi di ricircolo funzionalmente connessi in parallelo ai rispettivi transistori (interruttori) di potenza. Nel caso che gli interruttori di potenza siano transistori DMOS integrati, il relativo diodo di ricircolo è intrinseco alla stessa struttura integrata del transistore. Negli altri casi, appositi diodi di ricircolo sono convenzionalmente collegati in parallelo ai dispositivi di potenza di ciascun semiponte di pilotaggio di un carico induttivo.

Nell’esempio illustrato, all’istante di spegnimento del dispositivo Lside, la corrente attraverso il carico induttivo Ls continua a scorrere nella stessa direzione ed il potenziale del nodo A è conseguentemente forzato verso l’alimentazione o verso il potenziale di massa, dipendentemente dalla direzione della corrente, fino all’istante di accensione del rispettivo diodo di ricircolazione.

Campionando il segnale presente sul nodo di uscita del comparatore dopo un ritardo di tempo dall’istante di spegnimento del dispositivo Lside dell’ordine di circa 500ns-1.5ps tale da consentire la carica della capacità parassita insistente sul nodo A e il ritardo del comparatore, si ottiene un’informazione della direzione della corrente. II cambio di stato tra due campioni successivi prodotti dal comparatore Cmp, fornisce l’informazione di avvenuto zero-cross della corrente attraverso il carico, senza ricorrere al monitoraggio della corrente stessa.

Un tipico sistema di pilotaggio di un motore brushless privo di sensori di posizione del rotore, incorporante un sistema di correzione automatica del sincronismo secondo la presente invenzione è mostrato nel diagramma a blocchi della Fig. 3.

Sostanzialmente lo schema a blocchi della Fig. 3 riproduce un tipico anello di controllo del pilotaggio di un motore brushless “B.l. Motor” motor ad eccezione del blocco “Current Z.C. Det." evidenziato dal perimetro a linea a tratti che individua l’oggetto della presente invenzione.

Secondo una comune architettura di questi sistemi di pilotaggio, il blocco “BEMF Detector" rileva gli eventi di zero-crossing delle forze retroelettromotrici BEMF indotte sugli avvolgimenti del motore. Il blocco “SIN Gen" produce un segnale sinusoidale di riferimento Sin sulla base di un segnale di sincronizzazione con gli eventi di zerocrossing del BEMF denominato “Syncro” così da assicurare al segnale Sin la stessa frequenza e fase delle tensioni BEMF. Il segnale di forma predefinita di pilotaggio Sin, così sincronizzato, viene modulato in ampiezza in funzione dell’erróre tra la velocità rilevata dal blocco “BEMF detector” e rappresentata dal segnale Speed e ia velocità di regolazione "Target Speed", e il segnale sinusoidale di pilotaggio così modulato in ampiezza è inviato al blocco modulatore “PWM Mode” che converte il segnale (o più segnali sfasati tra loro) in una pluralità di segnali impulsivi PWM, sfasati tra loro, da applicare ai rispettivi avvolgimenti del motore attraverso un relativo semiponte di uscita o uno stadio a ponte intero costituito da due semiponti pilotati in controfase, rappresentati dal blocco “Power Actuators”.

Il blocco aggiuntivo “Current Z. C. Det.” rileva, secondo il metodo dell'invenzione, gii eventi di zero-cross della corrente negli avvolgimenti e tale informazione è inviata al blocco “SIN Gen”, il quale provvede a modificare il segnale di sincronizzazione “Syncro” in base allo sfasamento tra corrente e tensione, così da assicurare l'effettivo sincronismo del segnale sinusoidale Sin con lo zerocrossing della corrente negli avvolgimenti, in tutte le condizioni di marcia del motore.

Claims (8)

1. RIVENDICAZIONI 1. Metodo di rilevazione di un evento di zero-crossing della corrente che attraversa un carico induttivo (Ls) pilotato in tensione attraverso uno stadio di uscita a semiponte, composto da un interruttore di pilotaggio superiore (Hside) e da un interruttore di pilotaggio inferiore (Lside), comandati in controfase da un segnale impulsivo modulato a larghezza di impulso, caratterizzato dal fatto che comprende: confrontare la tensione sul nodo di uscita (A) di detto stadio a semiponte con una tensione di riferimento di valore costante (Vref); determinare la direzione della corrente in detto carico induttivo (Ls) dal valore risultante da detta comparazione, campionato dopo un ritardo prestabilito da un istante di commutazione da una condizione di conduzione a una condizione di interdizione di uno o l’altro di detti interruttori di potenza, mentre l’altro interruttore di potenza permane in una condizione di interdizione; rilevare un evento di zero-crossing dall’inversione del valore di detta comparazione tra due campionamenti successivi.
2. 2. Il metodo della rivendicazione 1 , caratterizzato dal fatto che dette determinazioni della direzione della corrente sono effettuate durante un intervallo di ritardo tra l'istante di interdizione di uno di detti due interruttori di potenza e l’accensione dell’altro interruttore di potenza dello stadio a semiponte.
3. 3. Il metodo secondo la rivendicazione 1, in cui dette determinazioni sono effettuate interrompendo per una frazione di tempo una fase di conduzione di uno di detti due interruttori di potenza.
4. 4. Metodo di sincronizzazione del pilotaggio in tensione, a modulazione di larghezza di impulso (PWM), di un carico induttivo (Ls) attraverso uno stadio di uscita a semiponte (Hside, Lside) consistente nella rilevazione di un evento di zero-crossing della corrente che attraversa detto carico induttivo (Ls), senza monitorare la corrente, caratterizzato dal rilevare l'occorrere di un evento di zerocrossing della corrente mediante il metodo di una delle rivendicazioni da 1 a 3.
5. 5. Metodo di pilotaggio in tensione degli avvolgimenti di fase di un motore brushless e privo di sensori di posizione del rotore, in una modalità a modulazione di larghezza d'impulso (PWM), in sincronismo con eventi di zero-crossing della corrente negli avvolgimenti, rilevando detti eventi mediante il metodo di una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 3.
6. 6. Metodo di pilotaggio secondo la rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che il pilotaggio PWM è effettuato in funzione di profili sinusoidali della tensione di pilotaggio degli avvolgimenti predefiniti e memorizzati in forma digitale in appositi buffer di memoria a sola lettura.
7. 7. Sistema di pilotaggio di un motore brushless (B. L. Motor) privo di sensori di posizione del rotore, comprendente mezzi di rilevazione o ricostruzione (BEMF Detector) di segnali uniformemente sfasati tra loro, di forza retroelettromotrice, indotta negli avvolgimenti del motore atti a generare almeno un segnale di sincronizzazione (Syncro) per un circuito generatore (SIN Gen) di uno o più segnali periodici di pilotaggio predefiniti (Sin) sincroni con la frequenza di detti segnali di forza retroelettromotrice indotti, mezzi (Ampi. Mod) atti a modulare l’ampiezza di detti segnali periodici (Sin) di pilotaggio predefiniti e sincronizzati in funzione di un segnale errore della velocità corrente del motore (Speed) rispetto ad una velocità programmata (Target Speed), mezzi modulatori (PWM Mod) atti a convertire detti segnali periodici modulati di pilotaggio in segnali PWM di pilotaggio di altrettanti stadi di potenza di uscita (Power Actuators) pilotanti gli avvolgimenti di fase del motore, caratterizzato dal fatto che comprende inoltre mezzi (Current Z.C.Det.) atti a rilevare eventi di zero-crossing della corrente in detti avvolgimenti atti a generare almeno un segnale rappresentativo dello sfasamento tra corrente e tensione negli avvolgimenti di modifica di detto segnale di sincronizzazione (Syncro).
8. 8. Sistema secondo la rivendicazione 7, in cui detti mezzi consistono in almeno un comparatore (Cmp) avente un primo ingresso (+) collegato al nodo di uscita di un semiponte di pilotaggio (Hside, Lside) di uno di detti avvolgimenti (Ls) e l’altro ingresso (-) collegato ad una tensione di riferimento costante (Vref), un circuito di temporizzazione del campionamento dello stato del comparatore (Cmp) dopo un ritardo prestabilito successivo ad un istante di commutazione da uno stato di conduzione ad uno stato di interdizione di uno dei due interruttori di potenza (Hside, Lside) che costituiscono il semiponte mentre l'altro interruttore di potenza permane in una condizione di interdizione, atto a produrre un segnale rappresentativo di una inversione del valore campionato occorrente tra due campionamenti successivi