MX2011001003A - Servomotor con suministro de potencia a traves de linea de comunicacion y metodo para utilizar el mismo en la construccion del sistema de automatizacion. - Google Patents

Abstract

Un servomotor incluye al menos un arreglo impulsor configurado para generar potencia mecánica de salida a partir de potencia eléctrica de entrada; el servomotor también incluye un puerto de entrada de línea de comunicación y una unidad de control; el puerto de entrada de línea de comunicación está configurado para conectarse a una línea de comunicación, y está configurado para obtener potencia eléctrica a partir de la línea de comunicación; la unidad de control está configurada para obtener primera información de la línea de comunicación a través del puerto de entrada de línea de comunicación, y además está configurada para ajustar la operación de al menos un arreglo impulsor con base en la primera información y con base en información que identifica la potencia eléctrica disponible para uso como potencia eléctrica de entrada.

Description

SERVOMOTOR CON SUMINISTRO DE POTENCIA A TRAVES DE LINEA DE COMUNICACION Y METODO PARA UTILIZAR EL MISMO EN LA CONSTRUCCION DEL SISTEMA DE AUTOMATIZACION CAMPO DE LA INVENCION La presente invención se refiere a servomotores, y de manera más especifica, a servomotores para uso en la construcción de sistemas de control.

ANTECEDENTES DE LA INVENCION Los servomotores son dispositivos integrales en la construcción de sistemas de automatización, · incluyendo sistemas de calentamiento, ventilación y aire acondicionado (HVAC) . Los servomotores pueden ser utilizados para rotar válvulas de vapor o agua fría, y para abrir y cerrar amortiguadores .de ventilación. Los amortiguadores pueden ser utilizados para control de la comodidad general asi como para ventilación de seguridad de laboratorio.

En particular, con respecto a los amortiguadores, los amortiguadores de ventilación de los sistemas HVAC controlan el flujo de aire hacia una habitación, espacio, unidad de manejo de aire o ducto o chimenea de ventilación. Los amortiguadores pueden estar completamente abiertos, cerrados, o a diversos grados de abertura parcial .. Además , la abertura de un amortiguador tiene el efecto de incrementar el, flujo de aire a través del amortiguador, mientras que el cierre adicional de un amortiguador tiene el efecto de disminuir el flujo de aire a través del amortiguador. Cuando el flujo de aire consta de aire frió, o aire caliente, entonces la abertura y cierre de los amortiguadores se puede utilizar para regular la temperatura en un espacio.

Algunos amortiguadores de ventilación son accionados manualmente. No obstante, la construcción de sistemas ' de automatización típicamente incluye amortiguadores de ventilación automáticamente operados, y típicamente grandes números de dichos amortiguadores. La posición del amortiguador, (es decir, su grado de "abertura") en dicho sistema por lo general está bajo el control de un controlador automatizado. El controlador ajusta la posición del amortiguador con base en el hecho de si se desea una mayor o menor cantidad de flujo de aire para la habitación.

Un servomotor de amortiguador es el dispositivo electromecánico (u otro) que convierte las señales de control que vienen del controlador en la fuerza motriz que ajusta físicamente la posición del amortiguador. El servomotor puede incluir un juego de motor y engranaje. En algunos casos, un servomotor es en la forma de un solenoide, o motor en combinación con un resorte de desviación mecánica. Diversas formas de servomotores están disponibles y son convenientes para uso.

Además de los amortiguadores de ventilación, los servomotores también se utilizan para controlar las operaciones de válvulas en sistemas HVAC . Un servomotor de válvula es similar a un servomotor de amortiguador ya que convierte las señales de control en una fuerza motriz que ajusta físicamente la posición de la válvula, admitiendo asi un flujo controlado de agua fría, vapor u otro líquido a través de un orificio.

Un problema que surge a partir del uso de amortiguadores y válvulas es el costo y tiempo que se requiere para su instalación. Debido a que los amortiguadores y válvulas típicamente están fuera de un espacio ocupado, tal como en el recinto (es decir, arriba del techo) de cuartos y pasillos, la instalación es con mucha seguridad inconveniente. Además, debido a que los servomotores deben estar en posibilidades de recibir señales · de control y emplean potencia eléctrica, cada servomotor requiere cableado y acoplamiento a circuitos de potencia y/o comunicación nuevos o existentes.

Existe la necesidad de reducir los costos asociados con la instalación de servomotores en un sistema HVAC .

SUMARIO DE LA INVENCION Al menos algunas modalidades de la presente invención corrigen los problemas ' antes descritos al proporcionar un servomotor energizado con linea de comunicación. En particular, la potencia eléctrica para operar el servomotor es proporcionada al ensamble de servomotor a través de lineas de comunicación. La potencia en algunos casos puede ser almacenada en uno o¦ más dispositivos de almacenamiento de energía y puede ser utilizada cuando es necesario el movimiento del servomotor. Alternativamente, el servomotor puede ser diseñado para acomodar los niveles de potencia disponibles proporcionados a través de las . líneas · de comunicación.

Una primera modalidad de la invención es un servomotor que incluye al- menos un arreglo impulsor configurado para generar , potencia mecánica de salida a partir de la potencia eléctrica de entrada. El servomotor ·. también incluye un puerto de entrada de línea de comunicación y una unidad de control. El puerto de entrada de línea de comunicación está configurado para conectarse a una línea de comunicación, y está configurado para obtener potencia eléctrica de la linea de comunicación; La unidad de control está configurada para obtener primera información a partir de la linea de comunicación a través del puerto de entrada de linea de comunicación, y además está configurada para ajusfar la operación de al menos un arreglo impulsor con base en la primera información y con base en la información que identifica la potencia eléctrica disponible para uso como potencia eléctrica de entrada.

Otras modalidades involucran comunicaciones para permitir que múltiples dispositivos conectados a la misma fuente de potencia de comunicación compartan la potencia disponible .

Estas modalidades permiten el cableado conveniente de servomotores en una manera que no requiere un cable de potencia separado.

Las características y ventajas antes descritas, así como otras, serán más fácilmente aparentes para aquellos expertos en la técnica por referencia a la siguiente descripción detallada y las figuras acompañantes.

BREVE DESCRIPCION DE LAS FIGURAS La figura 1 muestra un ensamble de amortiguador ejemplar de acuerdo con una modalidad de la invención; La figura 2 muestra un diagrama esquemático del servomotor del amortiguador de la figura 1; La figura 3 muestra a detalle adicional¦ un diagrama esquemático de un servomotor ejemplar de acuerdo con al menos algunas modalidades de la invención; La figura 4 muestra un diagrama en . bloques esquemático de un arreglo para comunicarse con una pluralidad de · servomotores y proporcionar potencia -a los mismos de acuerdo, con una modalidad de la invención; La figura 5 muestra un diagrama de flujo de un conjunto de operaciones que pueden ser ejecutadas por un circuito de procesamiento en un servomotor' de la figura 4.

DESCRIPCION DETALLADA DE LA INVENCION Las' figuras 1 y 2. muestran una modalidad ejemplar de la presente invención implementada en un amortiguador de ventilación. La figura 1 muestra un arreglo de amortiguador de ventilación 10 que incluye un alojamiento o armazón 12, una pluralidad de amortiguadores móviles 14, un empalme 16, y un módulo de servomotor 18. Estos elementos pueden asumir cualquier configuración conveniente, excepto que el módulo de servomotor 18 incluye un arreglo configurado para obtener potencia eléctrica de una linea de comunicación 20 para energizar el servomotor.

La figura 2 muestra una modalidad ejemplar del módulo de servomotor 18. Se apreciará que los elementos del módulo de servomotor 18, tal como aquí se describen, no necesariamente tienen que ser parte de un "módulo" físico,. sino que más bien pueden, ser componentes alojados por separado que estén montados sobre (directa o indirectamente) el armazón 12 del arreglo de amortiguador 10.

El módulo de servomotor 18 incluye un circuito de' comunicación 22, un procesador 24, un servomotor 26 y una unidad de manejo de energía 28. El circuito de comunicación 22 puede ser cualquier circuito conveniente que pueda recibir señales de comando desde un dispositivo de controlador ubicado separadamente a través de la línea de comunicación 20. En la modalidad aquí descrita, el circuito de comunicación 22 recibe señales digitales a través de la línea de comunicación 20. El circuito de comunicación 22 ' obtiene las señales digitales y proporciona una señal digital al circuito de procesamiento 24 representativo de un comando referente al cambio de la posición (grado de abertura) de los amortiguadores 14 del arreglo de amortiguador de ventilación 10.

El circuito de procesamiento 24 es un dispositivo que recibe comandos digitales desde el circuito de comunicación 22, y genera señales de servomotor a partir del mismo. Las señales de servomotor son empleadas por el servomotor 26 para mover de manera controlable el empalme 16 en una dirección u otra. Diversos servomotores convenientes, asi como circuitos de procesamiento y comunicación correspondientes, son muy conocidos en la técnica.

La linea de comunicación 20 puede ser de manera conveniente cualquiera de IP/Ethernet/RS-485/RS-222/RS-232/Fibra Óptica/Linea de Potencia. De acuerdo con la presente invención, el servomotor 26 recibe potencia operativa desde la unidad de manejo de energía 28. Para este fin, la unidad de manejo de energía 28 de preferencia incluye uno o más dispositivos de almacenamiento de energía tales como baterías, capacitores grandes y/o componentes similares, y de preferencia también incluye un convertidor de potencia o suministro de potencia. La unidad de manejo de energía 28 además está acoplada a la línea de comunicación 20 para obtener energía de la misma.

La unidad de manejo de energía 28 almacena energía obtenida a partir de la línea de comunicación 20 en el dispositivo de almacenamiento de energía. Se observa que en algunos casos, la potencia instantánea recibida desde la línea de comunicación 20 típicamente puede ser insuficiente para energizar el servomotor 26. No obstante, debido a que el servomotor 26 solo es movido periódicamente (es decir, de forma no continua), la unidad de manejo de energía 28 puede acumular energía¦ de la línea de comunicación 20 en los dispositivos de almacenamiento de energía. Los dispositivos de almacenamiento de energía entonces, sobre una base periódica, pueden proporcionar potencia al servomotor 26 en exceso de lo que está disponible de la línea de comunicación 20. No obstante, se apreciará que al menos parte de la potencia proporcionada al servomotor puede ser derivada de la línea de comunicación 20.

En una alternativa, el circuito de procesador 24 está configurado para cambiar la operación del servomotor con base en la potencia disponible en la línea de comunicación 20. En particular, debido a la carga de otros dispositivos conectados a la línea de comunicación 20,· que no se muestra en la figura 1, la potencia disponible proporcionada a través de la comunicación puede variar. En algunas modalidades, el procesador 24 está configurado para ajustar la velocidad del servomotor, o alguna otra operación, de manera que los requerimientos de potencia del servomotor 26 pueden ser cumplidos por la potencia disponible en la línea de comunicación 20.

La figura 3 muestra a detalle adicional un arreglo de servomotor '300 de acuerdo con una modalidad de la invención. El arreglo de servomotor 300 incluye un alojamiento 302 en el cual está colocado un divisor 304, un circuito de suministro de potencia 306, un circuito de manejo de energía 308, un circuito de comunicación 310, un circuito de procesamiento 312, una potencia de etapa 314, un motor 316, un tren de engranajes 318, una salida mecánica 320 y un circuito de acondicionamiento de señal 322.

El. alojamiento 302, en esta modalidad, incluye un puerto/enchufe de 8 picos Ethernet 324, en ocasiones referido como conector 8P8C o RJ45. Tal como se analizará a continuación, algunas configuraciones pueden emplear un segundo puerto de diseño idéntico conectado al puerto 324 para permitir la conexión paralela de otro dispositivo en-la manera ilustrada en la figura 4.

El enchufe o puerto 324 está configurado para conectarse a una línea de comunicación 326. La línea de comunicación 326 de manera conveniente puede ser un cable Ethernet que soporte la funcionalidad de Potencia Sobre Ethernet (POE). Una configuración de cabe Ethernet común incluye ocho conductores. En una configuración, se utilizan cuatro de los conductores para señales de comunicación, y se utilizan cuatro de los conductores para llevar potencia.

La cantidad de potencia proporcionada en las lineas de comunicación 326 puede ubicarse en el rango de 13 , o incluso tan alto como 52W, dependiendo de la fuente de la potencia conectada a las lineas de comunicación.

A manera de ejemplo, la norma IEEE 802.3af define la linea de potencia PoE a 13W, mientras que la norma IEEE.802.3at limita el nivel de potencia PoE a 30 . La linea de comunicación 326 de manera conveniente se puede conectar a una fuente de dicha potencia. Además, un dispositivo de suspensión de 60 modelo POE60U-56OG puede suministrar 52W de potencia de bajo voltaje, y está disponible de Phihong USA, Fremont California.' La linea de comunicación 326 se puede conectar a dicho dispositivo. Detalles adicionales referentes a la conexión de servomotores a una línea de comunicación con la capacidad para proporcionar PoE se establecen a continuación en conexión con la figura 4.

Haciendo referencia otra vez de manera general al servomotor 300, el alojamiento 30'2 es cualquier encerramiento conveniente o encerramiento parcial que soporte los elementos antes enlistados. El divisor 304 está operativamente conectado al enchufe 324 y está configurado para dividir las señales de comunicación de las señales de potencia eléctrica recibidas sobre la línea de comunicación 326. El divisor 304 tiene una primera salida 304a operativamente conectada para proporcionar la señal de potencia al suministro de potencia, 306, y una segunda salida 304b operativamente conectada para proporcionar la señal de comunicación al circuito de comunicación 312. En este ¦ caso, el divisor 304 simplemente conecta de forma física las puntas de potencia y datos correspondientes del enchufe/puerto 324 a las salidas apropiadas 304a, 304b.

El circuito de suministro de potencia 306 es uno o más grupos de elementos de circuito que están configurados para convertir las señales de potencia recibidas desde la línea de comunicación ,326 a través del enchufe 324 y el divisor 304, y convertir las señales de potencia en una o más salidas de voltaje de polarización. En muchas modalidades, el circuito de suministro de potencia . 306 genera una salida de voltaje de polarización separado para digital y/o electrónica (por ejemplo, circuito procesamiento 312, bloque de comunicación 310), salida de voltaje de polarización separada para la potencia de etapa 314, la cual energiza el motor 316. En algunos casos, otra circuitería análoga (o digital), tal como el circuito de acondicionamiento de señal 322 o circuito de manejo de energía 308, puede requerir todavía otro nivel de voltaje de polarización separado. No obstante, el general se apreciará que el volumen de la potencia de salida generada por el circuito de suministro de potencia 306 se utiliza para energizar el motor 316 a través de la potencia de etapa 314.

Para proporcionar múltiples voltajes de salida, el circuito de suministro de potencia 306 de manera conveniente puede ser un suministro de potencia de modo conmutado que tiene un transformador con . múltiples bobinas secundarias, o al menos una bobina secundaria con múltiples derivaciones. De manera alternativa, el circuito de suministro de potencia 306 de manera conveniente puede incluir uno o más suministros de potencia lineales, o una combinación de uno o más suministros de potencia lineales y uno o más suministros de potencia de modo conmutado.

El circuito de manejo de energía 308 es un circuito que incluye al menos un primer capacitor 328 configurado para almacenar energía recibido desde el suministro de potencia 306. En particular, si el motor 316 no está operando, entonces el suministro de potencia 306 probablemente tendrá la capacidad para generar más potencia de salida (a partir de la potencia recibida en la línea de comunicación 326) de la que es utilizada por la circuitería del servomotor 300. En dicho caso, el circuito de manejo de energía 308 está configurado para almacenar la energía en exceso en el capacitor 328.

Al menos en algunas modalidades, el circuito de manejo de energía 308 además está configurado para entregar energía a la potencia de etapa 314 y otros circuitos 310, 312, 322 del servomotor 300 en caso que las necesidades de potencia eléctrica del servomotor 300 excedan la potencia que puede ser generada con base únicamente en la potencia recibida a través de la línea de comunicación 326, al menos sobre una base temporal. Por ejemplo, si la . potencia recibida a través de la línea de comunicación 326 es trece vatios, y el motor 316 requiere veinte vatios de potencia para operar, entonces el circuito de suministro de potencia 306 solo no puede proporcionar suficiente potencia 'para hacer funcionar el motor 316. En dicha situación, el circuito de manejo de energía 308 está configurado para proporcionar los requerimientos de potencia adicionales del capacitor 328.

En otra modalidad todavía, el circuito de manejo de energía 308 tiene la capacidad para proporcionar energía almacenada del capacitor' 328 de regreso a la línea de comunicación 326 a través del divisor 304 y el puerto 324. De esta manera, múltiples servomotores acoplados a la misma fuente de potencia PoE pueden compartir . la energía almacenada. Dicha operación se describe con mayor detalle a continuación en relación con la figura 4.

El circuito de comunicación 310 es un circuito configurado para comunicar datos sobre la linea de comunicación 326. En esta modalidad, el circuito de comunicación 310 está configurado para comunicarse sobre una red Ethernet que incluye la linea de comunicación 326.-El circuito de comunicación 310 además tiene la capacidad para comunicarse internamente con el circuito de procesamiento 312. En particular, el circuito de comunicación 310 está configurado para recibir datos desde el circuito de procesamiento 312, proporcionar cualquier formateo, procesamiento, filtración, amplificación y/o modulación adicionales que se requieran para transmisión, y transmitir señales de comunicación incluyendo los datos recibidos sobre la linea de comunicación anexa 326 a través del divisor 304 y el puerto 324. Por el contrario, el circuito de comunicación 310 también está configurado para recibir señales externamente generadas del divisor 304, procesar las señales para extraer datos del mismo, y proporcionar los datos al circuito de procesamiento 312.

El circuito de procesamiento 312 es un circuito que tiene la capacidad para ejecutar las funciones de control del servomotor 300. Dichas funciones de control incluyen, a un nivel., fundamental, proporcionar señales convenientes para mover la salida del servomotor 320 en una manera controlada. . Para este fin, el circuito de procesamiento 312 puede proporcionar señales de control a la potencia de etapa 314, el cual impulsa el motor 316, en respuesta a un valor de posición deseado (o punto d referencia) . El circuito de procesamiento 312 de manera conveniente puede obtener el valor de posición deseado o punto de referencia a partir de una señal externa recibida a través del circuito de comunicación 310. En algunos casos, la señal recibida en realidad no contiene un punto de referencia de posición. En .dichos casos, el circuito de procesamiento 312 puede derivar un valor de posición deseado con base en información recibida desde la señal externa; El circuito de procesamiento 312 de preferencia también controla la operación de la potencia de etapa '314/motor 316 con base en señales de retroalimentación originadas en el motor 316, tren de engranajes 318, salida 320 y/o potencia de etapa 314. Las señales de retroalimentación pueden indicar la posición, velocidad, secuencia u otra información utilizada por el circuito de procesamiento 312 para modificar la operación.

Para este fin, el circuito de procesador 312 de manera conveniente puede incluir un microprocesador, microcontrolador o similar. El limite de cómputo sobre el circuito de procesamiento 312 es relativamente limitado, y por lo regular será significativamente menor que aquel de una computadora de propósito general. Dado el limite computacional limitado, y dada la potencia . eléctrica disponible limitada, puede resultar conveniente seleccionar un procesador para el circuito de procesamiento 312 que sacrifique cierta velocidad computacional para uso de potencia eléctrica reducida. Procesadores especializados convenientes serian muy conocidos por aquellos expertos en la técnica.

Un detalle adicional referente a la operación del circuito de procesamiento 312 se proporciona a continuación. En general, muchas de las operaciones del circuito de procesamiento 312 aquí descritas se pueden llevar a cabo a través de programación de software o microprogramación cableada convenientes.

Tal como se analizó¦ anteriormente, el circuito de procesamiento 312 está configurado para proporcionar señales de control a la potencia de etapa 314. Para este fin, el circuito de procesamiento 312 incluye una salida que está operativamente conectada a una entrada de control de la potencia de etapa 314. La potencia de potencia 314 es un circuito de potencia que está configurado para proporcionar potencia operativa al motor 314 en réspuesta a señales de control recibidas desde el circuito de procesamiento 312. En una primera modalidad, la potencia de etapa 314 simplemente enciende o apaga el motor con base en la señal de control recibida. En otra modalidad, la potencia de potencia 314 además controla un voltaje, corriente o nivel de frecuencia para ajustar la velocidad del motor 316. Este tipo de control es conocido como control de modulación continuo. En general, la potencia de potencia 314 es seleccionada para que se ajuste al tipo del motor 316, asi como el tipo de control que se espera del servomotor 300. Potencia de etapa convenientes 314 serán conocidas por aquellos expertos en la técnica. La potencia de etapa 314 está operativamente acoplada para obtener potencia para suministro al motor desde el circuito de suministro de potencia 306.

El motor 316 es un dispositivo electromotriz que rota una salida 316a en respuesta a señales de potencia recibidas desde la potencia de etapa 314. El motor 316 puede ser de manera conveniente un motor con cepillo o sin cepillo DC, un motor, de velocidad gradual, un motor de inducción, un motor sincrónico o un motor de reluctancia. En algunas modalidades tal como se analizó anteriormente, se selecciona el motor 316 (junto con la potencia de etapa 314) para permitir el control de velocidad.

El tren de engranajes' 318 de preferencia es un conjunto de engranajes de reducción que traslada' o transforma la salida rotacional del motor 316 en una velocidad más lenta con torsión incrementada para impulsar la salida mecánica 320. Como resultado, un motor 316 que tiene una torsión limitada, con salida de alta velocidad } puede, ser utilizado para impulsar o mover la salida mecánica 320 que está conectada a un amortiguador de ventilación relativamente pesado. Por ejemplo, un motor 316 que tiene 300 rpm puede ser reducido por 1/300 para mover un amortiguador 90 grados en quince segundos. Dicha translación puede permitir que un motor tenga una salida de torsión que es aproximadamente 1/300 de aquella requerida para mover el amortiguador 320. Pares de tren de engranajes y motor convenientes son conocidos en la técnica para uso para servomotores ' HVAC, amortiguadores, válvulas y similares.

El circuito de acondicionador de señal 322 es un circuito que está configurado para recibir señales de retroalimentación desde una o más de la potencia de etapa 314, el motor 316, el tren de engranajes 318 o la salida mecánica 320. El acondicionador de señal 322 de manera conveniente puede incluir filtros, convertidores A/D u otros dispositivos que generen a partir de la señal de retroalimentacion una señal de retroalimentacion digital que sea utilizable por el circuito de procesamiento 312.

Las señales de retroalimentacion pueden ser generadas por sensores, que no se muestran, pero serían' conocidos por aquellos expertos en la técnica. Por ejemplo, la potencia de etapa 314 puede ' incluir sensores que generan señales de retroalimentacion de voltaje y/o corriente, representativas de la secuencia en el motor 316. El motor 316 puede tener sensores para señales de retroalimentacion de velocidad rotacional.' El tren de engranajes 318 y la salida 320 también pueden incluir sensores que proporcionan retroalimentacion para acelerar la rotación y/o posición. En la técnica se conocen diversos métodos para controlar el movimiento de un servomotor con base en una o más de las señales de retroalimentacion anteriores.

En operación general, el servomotor 300 está operativamente conectado a la línea de comunicación 326 en el puerto 325. La línea de comunicación 326 incluye señales de potencia eléctrica que variarán de menos de 1 vatio hasta 50 vatios o más, dependiendo de la fuente PoE conectada a la línea de. comunicación 326,· cuántos dispositivos estén conectados a la misma línea de comunicación 326, y si otros dispositivos conectados a la linea de comunicación 326 tienen la capacidad para proporcionar potencia de arranque temporal.

El servomotor 300 recibe las señales de potencia (juntó con señales de comunicación, en caso de haberlas) desde el puerto y las divide fuera del divisor 304. El divisor 304 proporciona las señales de potencia a la salida 304a. Las señales de potencia en la salida 304a se propagan al circuito de suministro de potencia 306. El circuito de suministro de potencia 306 convierte la potencia de entrada en los niveles de voltaje apropiados para proporcionar voltajes de polarización al circuito de comunicación 310, el circuito de procesamiento 312, el acondicionador de señal 322 y la potencia de etapa 314. Cuando el motor es activado, la potencia de etapa 314 típicamente es el consumidor más grande de potencia del circuito de suministro de potencia 306.

El servomotor 300 también recibe señales de comunicación ocasionalmente, por ejemplo, proporcionando un comando para cambiar la posición rotacional de la salida mecánica {"posición de salida") . Por ejemplo, dicho comando se puede referir al cierre de un amortiguador de ventilación, o abertura de una válvula de agua fría. Otros comandos se pueden relacionar con el cambio de la velocidad del ventilador. Los comandos que reciben las señales de comunicación en realidad pueden contener un punto de referencia para la posición de salida (o velocidad) . En otros casos, el comando incluye información a partir de la cual el circuito de procesamiento 312 puede derivar el punto de referencia.

El divisor 304 recibe las señales de comunicación y proporciona las señales de comunicación a la salida 304b. Las señales de comunicación se propagan desde . la salida 304b al circuito de comunicación 310. El. circuito de comunicación 310' extrae datos digitales representativos del comando transmitido (u otra comunicación) y los proporcionan al circuito de procesamiento 312. Se apreciará que cualquier número de las funciones del divisor 304, el circuito de comunicación 310 y circuito de procesamiento 312 pueden ser ejecutadas por componentes compartidos, y/o diferentes circuitos en el mismo chip o módulo. La distinción funcional mostrada en la figura 3 es proporcionada para claridad de la exposición solamente.

El circuito de procesa 312 entonces ejecuta el procesamiento de datos para determinar si los datos recibidos indican que se requiere un cambio en el estado de la salida mecánica. En caso de ser asi, el circuito de procesamiento 312 proporciona una señal de control a la potencia de etapa 314 que ocasiona que la potencia de etapa 314 energice el motor 316 en una manera controlada. El motor 316 entonces rota, rotando el tren 'de engranajes 318, el cual a su vez rota la salida mecánica 320. El circuito de procesamiento 312 además recibe información de retroalimentación desde uno o más de la potencia de etapa 314, motor 316, tren de engranajes 318 y/o salida mecánica 320 que utiliza para asegurar que la salida mecánica 320 ha sido manipulada para lograr la salida deseada conforme a lo indicado por la señal de datos recibidos.

A manera de ejemplo, si el circuito de procesamiento 312 recibe un comando para abrir un amortiguador de ventilación conectado a la salida mecánica 320 (correspondiente a una posición de salida de 90°), y la posición de salida actual es 45°, entonces el circuito de procesamiento 312 puede proporcionar una señal de control a la potencia de' etapa 314 para rotar el motor 320 de manera que la posición de salida aumenta de 45° a 90°. Además, el acondicionador se señal 322 recibe la información de retroalimentación de posición desde la salida mecánica 320. El acondicionador de señal 322 proporciona la retroalimentación de posición al circuito de procesamiento 312, el cual utiliza la información para determinar cuándo proporcionar una señal de control a la potencia de etapa 314 para detener el motor 316 para que ya no rote.

El circuito de 'procesamiento 312 en otras modalidades del servomotor 300 actúa en una manera análoga. Se conoce el control de la operación de un servomotor para cambiar la posición de salida del servomotor. En algunas modalidades, el circuito de procesamiento 312 en lugar de, o además, controla la velocidad de rotación de la salida 320. Por ejemplo, el servomotor 300 puede ser un control de ventilador, en donde la potencia de etapa 314 se utiliza para controlar la velocidad del ventilador. Dicha modalidad incluso puede carecer de un tren de engranajes 318 en algunos casos .

Tal como se analizó anteriormente, el servomotor 300 está configurado para operar principalmente o únicamente a partir de la potencia suministrada, por la línea de comunicación 326. Aunque sistemas de 13 vatios y 30 vatios han sido definidos por la norma, se ha desarrollado al menos una solución conocida de 56 vatios.

Una ventaja de la modalidad antes descrita es que no se necesita un cableado de potencia separado para energi.zar el servomotor 300.. La potencia es suministrada al servomotor utilizando el mismo cable que ya es requerido para las comunicaciones. La reducción en el costo de instalación utilizando este método puede ser significativa. Una característica de al menos algunas modalidades de la presente invención se refiere al manejo del uso de potencia de manera . que los servomotores pueden operar con la potencia limitada disponible en las líneas de comunicación. A continuación se describen diversos métodos para manejar la potencia que puede ser empleada para permitir el uso extendido del servomotor de potencia con línea de comunicación 300 para aplicaciones HVAC.

Configuración de Sistema para Servomotor Energizado con Línea de Comunicación Básica En una primera implementación, un solo servomotor 300 puede ser diseñado para funcionar específicamente utilizando potencia disponible en el marco de trabajo PoE. En general, dicha solución involucra asegurar que la potencia utilizada por el servomotor 300 no excede la potencia disponible en la línea de potencia. Para este fin, se puede' determinar aquella cantidad de fuerza que se necesita para operar la salida' mecánica con una carga (por ejemplo, un amortiguador) unida al mismo. Por ejemplo, la medición de potencia de rotación de la salida mecánica 320 es proporcionada por la ecuación: en donde p es la potencia mecánica, t es torsión, y 9S es la velocidad angular.

En este caso, la potencia mecánica p está limitada a estar por debajo de aquella de la potencia eléctrica disponible. Por lo tanto, si están disponibles 13 vatios, entonces la potencia mecánica p está limitada a la potencia definida por 13 vatios, menos las pérdidas por conversión y los requerimientos de potencia de la otra circuiteria. Por lo tanto, la potencia mecánica p del servomotor 300 típicamente necesita. ser menor que aproximadamente 60% a 80% de la potencia disponible en la línea de comunicación 326.

En la mayoría de los casos, el componente de torsión r es definido por el amortiguador al cual está conectado el servomotor, y por lo tanto no se puede ajusfar para acomodar la potencia disponible limitada. Por consiguiente, la. configuración del servomotor 300 puede involucrar el ajuste de la velocidad de rotación, ya sea cambiando las relaciones de engranaje, u operando el motor de manera diferente, de manera que la velocidad angular 9S sea lo suficientemente baja para' permitir que la potencia mecánica p quede dentro de los límites definidos por la potencia eléctrica disponible de la línea de comunicación 326, los requerimientos de los otros circuitos en el servomotor 300, y las pérdidas de conversión.

Debido a que esta implementación particular está diseñada para trabajar dentro de los confines de la potencia instantánea disponible a través de las lineas de comunicación, este diseño se adecúa bien para servomotores conectados a amortiguadores y válvulas que están sujetos a manipulación frecuente. Estos pueden incluir amortiguadores, y válvulas que controlan la velocidad de flujo de aire, asi como la temperatura, al "punto de uso", tal como f habitaciones o espacios dentro del edificio ocupado por personas.

Potencia de Linea de Comunicación con Ayuda de Almacenamiento No obstante, en muchos casos un servomotor 300 típicamente no se espera que opere sobre una base constante, sino, más bien periódicamente. Por ejemplo, un amortiguador utilizado en una unidad de manejo de aire de un sistema HVAC en algunos ejemplos se puede esperar, que opere dos veces · cada veinticuatro horas. Para dichas implementaciones , puede ser posible operar un servomotor con requerimientos de ¦ potencia que exceden significativamente la potencia instantánea disponible en la línea de comunicación.

Para este fin, en casos de operación periódica conocida, el servomotor 300 puede emplear almacenamiento de energía para proporcionar una "ráfaga", de potencia para la operación del servomotor 300. En particular, durante momentos en que el servomotor 300 no está en uso, la potencia recibida de la línea de comunicación 326 puede ser utilizada para cargar el capacitor 328. Cuando el servomotor 300 opera, la potencia puede ser derivada del capacitor 328.

¦ Para llevar a cabo dicha operación, el circuito de suministro de potencia 306 almacena el exceso de potencia recibida en el capacitor 328 del circuito de manejo de energía 308 siempre que el exceso de potencia esté disponible de la línea de comunicación 326. Por ejemplo, si el consumo de potencia de los elementos del servomotor 300 no exceden la potencia que está disponible (o asignada) al servomotor 300, entonces el exceso de potencia es almacenado en el. capacitor 328. Cuando el servomotor 300 va a operar, el circuito de manejo de energía 308 asegura que el capacitor 328 pueda descargar a la entrada de potencia de la potencia de etapa 314. En el ejemplo mostrado en la figura 3, el capacitor 328 proporciona potencia a través del circuito de suministro de potencia 306 a la potencia de etapa 314. En otras modalidades, el capacitor 328 está conectado a la potencia de etapa 314 directamente, o al menos sin pasar a ' través del circuito de suministro de potencia 306.

Son muy conocidos diversos métodos para almacenar energía en un capacitor sobre periodos de tiempo, y después hacer que la energía esté disponible para uso en "ráfaga".

Con esta modalidad, la velocidad del servomotor 300 no necesariamente necesita ser manipulada para permitir el uso de potencia de la línea de comunicación 326. En lugar de basarse en la potencia instantánea disponible, el servomotor 300 está diseñado de manera que el capacitor 328 almacena la energía suficiente para el máximo movimiento periódico esperado del servomotor. Por ejemplo, asumir que un servomotor 300 se espera que se mueva dos veces al día, con periodos de no menos de 10 horas entre movimientos', y con no más de 90 grados de movimiento. En este caso, el servomotor 300 está diseñado de manera que el capacitor 328 puede almacenar mucha, en . caso que no sea toda, de la energía requerida para ejecutar el máximo movimiento posible dos veces por día.

Para este fin, se apreciará que la energía mecánica máxima requerida puede ser medida como torsión multiplicada por el desplazamiento angular máximo o EU =T0, donde EM es el requerimiento de energía máxima, t es la torsión asociada con la rotación del amortiguador o válvulá unida a la salida 320, y T, es el máximo desplazamiento posible en grados, por ejemplo, 90 grados. El requerimiento de almacenamiento de energía del capacitor 328 típicamente es elegido para igualar o exceder ligeramente el valor EM.

También es necesario asegurar que esté disponible ' el tiempo suficiente para que el capacitor 328 se recargue entre operaciones del servomotor 328. Por ejemplo, si la energía total requerida para mover un amortiguador grande conectado a un servomotor 300 noventa grados es equivalente a aproximadamente 50 vatios-hora, y la energía disponible en la línea de comunicación es 13 vatios, entonces no se debería esperar que el servomotor 300 opere con más frecuencia que una vez cada cuatro horas, en el peor caso. De otra forma, debe estar disponible una energía de respaldo alternativa.

Si el servomotor 300 es movido con relativa frecuencia, pero aun así lo suficientemente de forma periódica para justificar el uso de energía almacenada, entonces el servomotor 300 emplea tanto la energía almacenada del capacitor 328 como la potencia de la línea de comunicación 326. En dicho caso, la energía disponible para el movimiento del servomotor 300 es igual a la energía almacenada en el capacitor así como (aproximadamente) la potencia de línea de comunicación disponible multiplicada por el tiempo de desplazamiento del servomotor 300 durante el movimiento. Métodos convenientes para obtener la energíá del capacitor 328 y la línea de comunicación 326 serían conocidos por aquellos expertos en la técnica.

Se apreciará que aunque se muestra un solo capacitor 328 en la figura 3, la modalidad antes descrita alternativamente puede emplear múltiples capacitores y/u otros dispositivos de almacenamiento de energía.

Repartición de Potencia de Línea de Comunicación En otra modalidad, múltiples servomotores 402, 404 y 406 pueden estar conectados a la misma fuente de potencia 408. Por ejemplo, la figura 4 muestra un diagrama en bloques del primer, segundo y tercer servomotores 402, 404 y 406 conectados a una sola fuente de potencia de línea de comunicación 408 a través de cables estándar Ethernet 410. Dicha configuración 400 puede ser típica debido a que las salidas de la estructura principal Ethernet (conmutador/enrutador ) típicamente se conectan a una pluralidad de dispositivos.

En la modalidad de la figura 4, la fuente de potencia 408 es un dispositivo de comunicación que incluye un puerto de cable o enchufe 409 a través del cual se pueden comunicar los datos de red, y a través del cual se puede suministrar potencia eléctrica. Por ejemplo, la fuente de potencia 408 de manera conveniente puede ser un conmutador Ethernet, enrutador o salidas energizadas PoE, aquí ilustrados como un solo puerto · o enchufe de salida ejemplar 409. El puerto de cable 409 puede tener una salida de 8 picos estándar, y proporciona comunicaciones y potencia en l^a manera descrita por la norma IEEE 802.3af o IEEE 802.3at, por ejemplo. La fuente de potencia 408 también incluye otros puertos 411 tal como se conocen en la técnica para facilitar la comunicación con otros dispositivos, que no se muestran.

En esta modalidad, los cables 410 son ocho cables de conductor', y están en cadena tipo margarita conectados de' un servomotor al siguiente. Para este fin, cada servomotor 402, 404 (y 406) puede tener el diseño del servomotor 300 de la figura 3, modificado para incluir un puerto adicional directamente conectado al puerto 324. El propósito de la conexión estilo cadena tipo margarita es proporcionar conectores físicos convenientes para interconexión de cable. Este diseño del servomotor 324 permite la interconexión de cualquier número de servomotores a través de longitudes separadas de cable compatible con Ethernet estándar.

En general, un diseño conservador del sistema 400 es asegurar que los requerimientos de potencia de los- tres servomotores 402, 404 y 406 durante el uso no exceda la potencia instantánea disponible de la fuente de potencia 408. Este enfoque similar a aquél de la primera implementación, que se analizó con mayor detalle anteriormente, pero aplicado a tres servomotores en lugar de uno. Por ejemplo, si la potencia disponible de la fuente 408 es 30 vatios, entonces los requerimientos de potencia combinados de los tres servomotores no debieran exceder 30 vatios .

De hecho, una configuración del .diseño seria conectar un número máximo de servomotores a la salida 409 de la fuente 408, en donde los -requerimientos de potencia acumulable aditivos no exceden la potencia disponible de la fuente 408 a través de los cables Ethernet 410.

No obstante, también es posible utilizar control interno de los servomotores 402, 404 y 406 y/o comunicación entre los servomotores 402, 404 y 406 para asignar de manera eficiente potencia entre esos dispositivos. Por ejemplo, si no es necesario operar todos los servomotores 402, 404 y 406 al mismo tiempo, entonces dicha asignación permite que los requerimientos de potencia total de los servomotores ' 402 , 404 y 406 excedan la potencia disponible total de la fuente de potencia 408. En algunos casos, la operación de un servomotor particular puede ser demorada, o incluso llevada a cabo a una velocidad más lenta,, en caso que no esté disponible en el momento la potencia suficiente. Para este fin, se observa que las estrategias de control no siempre requieren el accionamiento al instante. Además, es posible que múltiples servomotores 402, 404 y 406 puedan tener diferentes prioridades, de manera que si un servomotor de alta prioridad requiere potencia que actualmente no está disponible,, un servomotor de prioridad más baja puede ser detenido a alentado para hacer que la potencia esté disponible. En otra configuración todavía, uno o más de los servomotores 402, 404 y 406 incluye un dispositivo de almacenamiento de energía, tal como el capacitor 328, y esta configurado para suministrar el exceso de energía de regreso a los cables 410 a través del puerto 324 en caso que se requiera dicha potencia.

Dicha coordinación de operación entre los ¦servomotores 402, 404 y 406 se. puede llevar a cabo fácilmente a través de comunicaciones sobre los cables 410.

La figura 5 muestra un diagrama de flujo ejemplar de operaciones que pueden ser llevadas a cabo por el circuito de procesador de cada uno de los servomotores 402, 404, 406 de la figura 4 para coordinar el uso de potencia de manera que los requerimientos de potencia máxima combinados de los servomotores 402, 404 y 406 (moviéndose a velocidad nominal) puedan exceder la potencia disponible de la fuente de potencia 408. Las operaciones de la figura 5 se refieren específicamente a una situación en la cual va a operar el servomotor 402. Se puede asumir que el servomotor 402 tiene la configuración general del servomotor 300 de la figura 3. Por consiguiente, se utilizarán los números de referencia de la figura 3 para describir componentes similares del servomotor 402 a continuación.

En el paso 505, el circuito de procesamiento 312 (del servomotor 402) recibe un mensaje de comunicación (a través del circuito de comunicación 310) indicando que la posición de salida del servomotor 402 va a ser modificada, requiriendo así que potencia sea suministrada al motor 316 del servomotor 402.

En el paso 510, el circuito de procesamiento 312 obtiene información referente a la potencia disponible en la línea de comunicación 326/410. Para este fin, el circuito de procesamiento 312 genera un mensaje de comunicación que es transmitido por el circuito de comunicación 310, a través del divisor 304 y puerto 324, a los circuitos de procesamiento de los otros servomotores 404, 406. El mensaje de comunicación solicita una respuesta que identifique la cantidad de potencia que actualmente está siendo utilizada por los servomotores 404, 406. El mensaje también puede solicitar si los servomotores 404, 406 tienen energía de reserva disponible de los capacitores de almacenamiento. Los servomotores 404, 406 posteriormente proporcionan su respuesta, la cual entonces es recibida por el circuito de procesamiento 312 (del servomotor 402) a través de su circuito de comunicación 310. De esta 'forma, el circuito de procesamiento 312 determina la cantidad de potencia . que actualmente está en uso por los otros servomotores 404, 406, y entonces puede determinar la cantidad de potencia restante disponible en la línea de comunicación 326/410.

Se apreciará que en lugar de transmitir una consulta específica a cada servomotor 404, 406, los servomotores 402, 404 y 406 regularmente pueden transmitir su consumo de potencia actual a otros dispositivos conectado a la salida 409. En dicho caso, el circuito de procesamiento 312 ¦ determinaría la potencia eléctrica disponible a partir de las últimas actualizaciones de cada dispositivo en el arreglo 400.

En cualquier caso, en la- conclusión del paso 510, el circuito de procesamiento 312 determina la cantidad de potencia eléctrica que está disponible en la linea de comunicación 410.

En el paso 515, el circuito de procesamiento 312 determina si potencia suficiente está disponible para ejecutar la operación solicitada en. el mensaje recibido en el paso 505. El paso 515 entonces involucra determinar si la potencia requerida para ejecutar la operación en el servomotor 402 excede la potencia disponible calculada. En algunos casos, el cálculo también puede tomar en cuenta cualquier potencia disponible del capacitor 328 del servomotor 402.

Si el circuito de procesamiento 312 determina que potencia suficiente está disponible para ejecutar la operación solicitada, entonces el circuito' de procesamiento 312 procede al paso 520 para proporcionar señales de control apropiadas a la potencia de etapa 314 para efectuar la operación.

En un caso en donde la velocidad del motor 316 es ajustable, el circuito de procesamiento 312 proporciona señales de control que ocasionan que el motor 316 opere en una de una pluralidad de velocidades, la velocidad seleccionada en parte con base en la potencia disponible determinada en el paso 510. Por ejemplo, si ningún otro servomotor 404, 406 está actualmente utilizando potencia, entonces el circuito de procesamiento 312 puede ocasionar que la salida mecánica 320 (a través de la velocidad del motor) esté en uno de sus niveles de velocidad más elevados. En contraste, si los otros servomotores 404, 406 están utilizando potencia significativa, y solamente un poco está disponible, entonces el circuito de procesamiento 312 puede ocasionar que la salida mecánica 320 opere a una velocidad más lenta, requiriendo menos potencia. Esto puede permitir que el motor 316 corra a una velocidad más lenta cuando no hay suficiente potencia para correr a una velocidad normal o nominal.

Haciendo referencia nuevamente al paso 515, si más bien se determina que potencia insuficiente está disponible para efectuar el cambio de estado de la salida mecánica 320, entonces el circuito de procesamiento 312 pospone la operación de cambio de estado en el paso 525, y ocasiona que la potencia no sea suministrada al motor 316. Después de una demora corta en el paso 525, el circuito de procesamiento · 312 retorna al paso 510 para obtener una actualización en la potencia disponible y procede por consiguiente .

Estos métodos diversos permiten servomotores energizados con linea de comunicación en un número de aplicaciones en un sistema HVAC.

Se apreciará que las modalidades antes descritas son simplemente ilustrativas, y que aquellos expertos en la técnica fácilmente pueden contemplar sus propias implementaciones y modificaciones que incorporen los principios de la presente invención y que caigan dentro del espíritu y alcance de la misma.

Claims (12)

NOVEDAD DE LA INVENCION Habiendo descrito el presente invento, se considera como una novedad y, por lo tanto, se reclama como prioridad lo contenido en las siguientes: REIVINDICACIONES

1. - Un servomotor que comprende: a) al menos un arreglo impulsor configurado para generar potencia mecánica de salida a partir de la potencia eléctrica de entrada; b) un puerto de entrada de linea de comunicación configurado para conectarse a una linea de comunicación, el puerto de entrada de linea de comunicación configurado para obtener potencia eléctrica de la linea de comunicación; c) una unidad de control configurada para obtener primera información de la linea de comunicación a través del puerto de entrada de linea de comunicación, la unidad de control además configurada para ajustar la operación de al menos un .arreglo impulsor con base en la primera información y con base en la información que identifica la potencia eléctrica disponible para uso como potencia eléctrica de entrada.

2. - El servomotor de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la unidad de control está configurada para ajusfar la operación de al menos un arreglo impulsor al inhibir temporalmente la operación del arreglo impulsor en caso que se determine que potencia eléctrica insuficiente está disponible para uso como potencia eléctrica de entrada.

3. - El servomotor de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado porque la unidad de control está configurada para obtener la información que identifica la potencia eléctrica disponible para uso- como potencia eléctrica de entrada al menos en parte a partir de un mensaje de datos recibido a través del puerto de entrada de linea de comunicación.

4. - El servomotor de conformidad con la reivindicación 3, caracterizado porque la unidad de control está configurada para obtener un mensaje de datos posterior, y para · ocasionar la operación de al menos un arreglo impulsor con base en la primera información y el mensaje de datos posterior.

5.- El servomotor de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la unidad de control está configurada para obtener la información que identifica la potencia eléctrica disponible para uso como potencia eléctrica de entrada al menos en parte a partir de un mensaje de datos recibido a través del puerto de entrada de linea de comunicación.

6.- El servomotor de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la primera información incluye información indicativa de una posición de salida de punto de referencia del servomotor.

7. - El servomotor de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque al menos un arreglo impulsor incluye un motor y uno o más engranajes.

8. - El servomotor de conformidad con la reivindicación 1, que además comprende un dispositivo de almacenamiento de energía configurado para proporcionar potencia de arranque al menos a un. arreglo impulsor.

9. - El servomotor de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el puerto de entrada de línea de comunicación comprende un enchufe de cable Ethernet.

10. - Un método que comprende: a) conectar un puerto de entrada de línea de comunicación de un servomotor a una línea de comunicación, el servomotor además incluye al menos un arreglo impulsor configurado para generar potencia mecánica de salida a partir de la potencia eléctrica de entrada, y una unidad de control configurada para obtener primera información desde la línea de comunicación a través del puerto de entrada de línea de comunicación, la unidad de control además configurada para ajustar la operación de al .menos un arreglo impulsor con base en la primer información; b) obtener potencia eléctrica a partir del puerto de entrada de línea de comunicación y generar la potencia eléctrica de entrada a partir de la potencia eléctrica obtenid .

11. - El método de conformidad con la ¦reivindicación 10, que además comprende ajustar una velocidad de servomotor con base en información que identifica la potencia eléctrica disponible de la línea de comunicación.

12. - El método ¦ de conformidad con la reivindicación 10, que además comprende: ^ almacenar al menos parte de la potencia eléctrica obtenida en un dispositivo de almacenamiento de energía; y utilizar la potencia almacenada para generar la potencia eléctrica de entrada, en donde la potencia eléctrica de entrada excede la potencia eléctrica obtenida.