MXPA06002636A - Motor de cd sin escobillas, con deteccion de la fuerza contraelectromotriz, de bajo ruido. - Google Patents

Abstract

Se describe un motor de CD, sin escobillas, con control a traves de conexion en puente, trifasico, electronico, de bajo ruido, adecuado para bombas de maquinas lavadoras y otras aplicaciones en aparatos domesticos. Se utiliza la deteccion del paso por cero de la fuerza contraelectromotriz para determinar la posicion del rotor y asi los tiempos de conmutacion del devanado del estator. El par torsor y velocidad del motor se regulan por el ancho de impulsos que modulan el funcionamiento del dispositivo de conmutacion por puente que ha sido conmutado de un estado APAGADO a un estado ENCENDIDO en cada nueva conmutacion. Los tres devanados del estator tienen corriente que fluye en cada conmutacion del devanado para mejorar la forma de onda de la corriente del motor y con ello reducir el ruido del motor, pero la corriente en un devanado siempre se termina antes de que termine el periodo de conmutacion para permitir que la fuerza contraelectromotriz de ese devanado sea detectada por el detector de paso por cero.

Description

MOTOR DE CD SIN ESCOBILLAS, CON DETECCIÓN DE LA FUERZA CONTRAELECTROMOTRIZ , DE BAJO RUIDO CAMPO TÉCNICO Esta invención se relaciona con los motores de CD (Corriente Directa) sin escobillas (CDSE) controlados electrónicamente (que tienen rotores de imán permanente) y en particular, pero no únicamente, con motores de tres devanados para aplicaciones de caballos de potencia fraccionaria, tales como los aparatos electrodomésticos y el equipo para el cuidado de lá salud. En una "máquina' de lavandería tales motores controlados el ctrónicamente se pueden utilizar para accionar el movimiento de lavado y rotación de un agitador o tambor y/o el drenaje de la tina de lavado y las bombas de recirculación.

ARTE PREVIO Los métodos para controlar los motores de CD sin escobillas conmutados electrónicamente se ' han sido divulgados en la Patente norteamericana 4,495,450 (Tokizaki et al, asignada a Sanyo Electric Co. Ltd.) y para el uso en aparatos electrodomésticos y, en particular, máquinas lavadoras de lavandería en la Patente norteamericana 4,540,921 (Boyd et al, asignada a la General Electric Company) , en la Patente norteamericana 4,857,814 (Duncan et al, asignada a Fisher y Paykel Limited) . Como antecedente de la presente invención, algunos de los conceptos básicos del motor controlado electrónicamente (MCE) descritos en estas patentes se resumen a continuación con referencia a las Figuras 1 y 2.

Un motor de CD de tres fases (tres devanados del estator) y conmutador en puente de tres fases o inversor se muestra esquemáticamente en la Figura 1 con un puente de interruptores de conmutación, que podrían ser FETs o IGBT de potencia, que están conectados a través de una fuente de CD que tiene un voltaje +V. Por medio de prender el interruptor superior 1 para la fase A y el interruptor inferior 2 para la fase B, se creará un campo magnético estático en el estator debido a la corriente directa que fluye a través de los devanados de fase A y B. Por medio de apagar secuencialmente el interruptor inferior 2 para la fase B y prender el interruptor inferior 3 para la fase C, este campo magnético se moverá en una dirección en el sentido de las manecillas del reloj . Después, apagando el interruptor superior 1 para la fase A y prendiendo el interruptor superior 4 para la fase B, se ocasionará que el campo magnético continúe moviéndose en la dirección en el sentido de las manecillas del reloj . Repitiendo esta "rotación" de los interruptores de conmutación, el campo magnético en el estator tenderá a girar a la misma velocidad que la conmutación de cada nuevo par de interruptores. Otros patrones de activación de los interruptores de conmutación podrían también conducir a la rotación en el sentido de las manecillas del reloj , pero la que se describe produce el máximo par de torsión del motor.

Se observará que en el ejemplo descrito solamente dos devanados se energizan en cualquier momento ("encendido bifásico") . Un patrón completo de A de los estados de los seis interruptores para la rotación en el sentido de las manecillas del reloj en el encendido bifásico se muestra en la Figura 2. Esto se puede interpretar como sigue. Para obtener el par de torsión máximo en el motor, las conexiones serían A+ y C- hasta el ángulo de 60 grados, después B+ y C- hasta el ángulo de 120 grados, después B+ y A- hasta el ángulo de 180 grados, después C+ y A- hasta el ángulo de 240 grados, después C+, B- hasta el ángulo de 300 grados, y después A+ y B- hasta el ángulo de 360 grados, comenzando la secuencia en A+ y C- otra vez. Así, hay una secuencia de seis diferentes patrones de conmutación y cada uno va hasta un ángulo de 60 grados de rotación dando un total de 360 grados en la rotación.

La rotación del motor en el sentido contrario de las manecillas del reloj se logra invirtiendo la secuencia del patrón de conmutación de los interruptores de conmutación.

Como se mencionó en el ejemplo descrito, para crear un campo magnético rotatorio en el estator, solamente dos fases tienen corriente que fluye intencionalmente en ellos al momento. El "encendido trifásico", en donde todas las fases tienen corriente que fluye en cualquier momento, es también posible y proporciona mayor par de torsión, pero el encendido bifásico tiene una ventaja en que en cualquier momento un devanado, por 60° cada 180°, no tiene corriente de accionamiento del motor fluyendo intencionalmente a través del mismo. En las patentes citadas este devanado, no usado temporalmente por 60° cada 180°, se detecta por cualquier voltaje inducido por el rotor de imán permanente que gira para proveer una indicación de la posición del rotor. El voltaje inducido se debe a la fuerza contra electromotriz (FCEM) . Se debe apreciar que este devanado cambia cada 60 grados y que usa el patrón de la Figura 2. Como una referencia, el patrón de los devanados no usados será C, B, A, C, B, A.

La forma de onda detectada de la FCEM es cíclica y varía entre la trapezoidal y una casi senoidal. Los "cruces por cero" de esta forma de onda se deben al borde de los polos del imán permanente y proporcionan un punto constante en el rotor para seguir su posición rotatoria.

Cuando un motor de CD sin escobillas está operando, cada conmutación de devanado necesita ser sincrónica con la posición del rotor. Tan pronto como la señal de la FCEM descrita antes pasa a través de cero, se toma una decisión para conmutar al siguiente patrón de conmutación para asegurar que se logra la rotación continua. La conmutación debe ocurrir solamente cuando el rotor está en una posición angular apropiada. Esto da lugar a un sistema de realimentación de lazo cerrado para controlar la velocidad. La frecuencia de conmutación guardará el paso con el rotor debido a la realimentación de lazo cerrado del sensor de la FCEM.

La aceleración o la desaceleración del rotor se logra ya sea por medio de aumentar o disminuir la fuerza del campo magnético que gira en el estator (mediante modulación de ancho de pulso (MAP) de la corriente del estator) puesto que la fuerza en el rotor es proporcional a la fuerza del campo magnético. Mantener una velocidad predeterminada bajo carga constante implica controlar la fuerza del campo magnético en el estator para asegurarse que se mantenga la velocidad de conmutación deseada. Mantener una velocidad predeterminada de la rotación bajo cargas que varían requiere la correspondiente alteración de la fuerza del campo magnético en el estator (por medio de alterar el ciclo de trabajo de la MAP) para compensar los cambios en la carga en el rotor.

El uso de la detección de la FCEM para determinar la posición del rotor tiene muchas ventajas, de las cuales una es evitar la necesidad de sensores externos, tales como sensores de efecto Hall. Pero los MCE del arte previo que usan la detección de la FCEM tienen el problema de que los digitalizadores de la FCEM utilizan un número relativamente alto de componentes, particularmente resistores de alto voltaje, que requieren espacio excesivo en las tablilla de circuito impresos asociadas e incrementan el costo. En el WO 2005/062460, se divulga un método para detectar la FCEM en solamente uno de los tres devanados del estator, para enfocar este problema.

Otros problemas son inherentes en los MCE que usan la detección de la FCEM para la posición del rotor y en donde no es posible emplear un régimen de MAP que producirá una corriente de devanado senoidal pura. El ruido del motor será mayor que cuando se utiliza el "disparo trifásico" que no detecta la FCEM (véase por ejemplo la Patente norteamericana 5,534,763). Esto es debido al alto contenido de segundas armónicas de la forma de onda de la corriente del motor que produce perturbaciones en el par de torsión del motor. Este problema de ruido se exacerba aún más cuando, por razones de economía, solamente los dispositivos interruptores de conmutación inferiores (o sólo los superiores) en el puente de conmutación son modulados en ancho de pulso.

Es por lo tanto un objeto de la presente invención proveer un sistema de motor controlado electrónicamente que va de cierta manera hacia la superación de la desventaja del ruido antes descrita.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN Por consiguiente, un aspecto la invención consiste en un método de conmutar electrónicamente la corriente a un motor de CD sin escobillas, de rotor de imán permanente que tiene tres devanados del estator, de tres fases, para producir un flujo magnético rotatorio, un inversor de puente de tres fases que incluye un par de dispositivos de conmutación conectados en serie por fase, y en donde el par de torsión del motor se controla por medio de la modulación de ancho de pulso de dicha corriente del motor, que comprende los pasos de: controlar dichos dispositivos de conmutación para conmutar la corriente a través de combinaciones sucesivas de los tres devanados, de modo que el flujo magnético producido por dichos devanados del estator gire en una dirección deseada por 60° por conmutación a una velocidad inversamente proporcional al período entre las conmutaciones, modular en ancho de pulso la operación de aquel dispositivo de conmutación que ha sido cambiado de un estado apagado a un estado prendido en cada nueva conmutación, aplicar voltaje a uno de los tres devanados en cada nueva conmutación por un período activo menor que el período entre las conmutaciones, después de la expiración del período activo, detectar en uno de dichos devanados la FCEM periódica inducida por la rotación del rotor de imanes permanentes, digitalizando dicha señal de la FCEM detectada por medio de detectar los cruces por cero de dicha señal de FCEM, y ocasionar que dicha conmutación ocurra en momentos que sustancialmente se definen por, o se derivan de cada transición en dicha señal digitalizada debido al cruce por cero.

En un segundo aspecto, la invención consiste en un motor de CD sin escobillas conmutado electrónicamente, que comprende : un estator que tiene tres devanados de fase adaptados para ser conmutados selectivamente para producir un flujo magnético rotatorio; un rotor girado por dicho flujo magnético rotatorio; un inversor de puente de trifásico que incluye un par de dispositivos de conmutación conectados en serie por fase, con las uniones de dichos dispositivos de conmutación conectadas a los respectivos devanados del estator; medios para digitalizar acoplados a uno o más de dichos devanados para digitalizar la FCEM inducida en dicho uno o más devanados para detectar los cruces por cero de dicha señal de FCEM; y una microcomputadora que opera bajo control de programa almacenado, dicho microcomputadora recibe dicha señal de la FCEM digitalizada y da salida a señales de conmutación para dichos dispositivos de conmutación, dicho microcomputadora almacena secuencias de patrones de estado del dispositivo de conmutación para que la ejecución produzca señales de conmutación que ocasionan que la corriente sea conmutada a través de combinaciones sucesivas de los tres devanados, de modo que el flujo magnético producido por dichos devanados del estator gire en una dirección deseada por 60° por conmutación a una velocidad inversamente proporcional al período entre las conmutaciones; y dicho programa almacenado incluye rutinas para: modular en ancho de pulso la señal de conmutación para el dispositivo de conmutación que ha sido cambiado de un estado apagado a un estado prendido cuando el siguiente patrón de conmutación de dicha secuencia se ejecuta en cada nueva conmutación; controlar la duración del voltaje aplicado a solamente uno de dichos tres devanados en cada nueva conmutación por un período activo menor que el período entre las conmutaciones; accionar dichos medios para digitalizar después de la expiración de dicho período activo; y ocasionar que cada conmutación ocurra en momentos que sustancialmente se definen por, o se derivan de cada transición lógica en dicha señal digitalizada debido a los cruces por cero.

En un tercer aspecto, la invención consiste en una bomba de un aparato para lavar que incluye: un alojamiento que tiene una entrada para líquido y una salida para líquido, un impulsor situado en dicho alojamiento, y un motor conmutado electrónicamente que gira dicho impulsor, dicho motor conmutado electrónicamente comprendiendo : un estator que tiene tres devanados de fase adaptados para ser conmutados selectivamente para producir un flujo magnético rotatorio; un rotor girado por dicho flujo magnético rotatorio; un inversor de puente de tres fases que incluye un par de dispositivos de conmutación conectados en serie por fase con las uniones de dichos dispositivos de conmutación conectadas a los respectivos devanados del estator; medios para digitalizar acoplados a uno o más de dichos devanados para digitalizar la FCEM inducida en dicho uno o más devanados por medio de detectar los cruces por cero de dicha señal de FCEM; y una microcomputadora que opera bajo control de programa almacenado, dicha microcomputadora recibe dicha señal de FCEM digitalizada y da salida a señales de conmutación para dichos dispositivos de conmutación, dicha microcomputadora almacena secuencias de patrones de estado de dispositivo de conmutación para que la ejecución produzca señales de conmutación para ocasionar que la corriente sea conmutada a través de combinaciones sucesivas de los tres devanados, de modo que el flujo magnético producido por dichos devanados del estator gire en una dirección deseada por 60° por conmutación a una velocidad inversamente proporcional al período entre las conmutaciones; y dicho programa almacenado incluye rutinas para: modular en ancho de pulso la señal de conmutación para el dispositivo de conmutación que ha sido cambiado de un estado apagado a un estado prendido cuando el siguiente patrón de conmutación de dicha secuencia se ejecuta en cada nueva conmutación, controlar la duración del voltaje aplicado a solamente uno de los tres devanados en cada nueva conmutación por un período activo menor que el período entre las conmutaciones, accionar dichos medios para digitalizar después de la expiración de dicho período activo; ocasionar que cada conmutación ocurra en momentos que sustancialmente se definen por, o se derivan de cada transición lógica en dicha señal digitalizada debido a los cruces por cero.

En un cuarto aspecto, la invención consiste en un impulsor de motor de CD sin escobillas de tres devanados que comprende : un inversor de puente de tres fases que incluye un par de dispositivos de conmutación conectados en serie por fase con las uniones de dichos dispositivos de conmutación adaptadas para ser conectadas a los respectivos devanados del estator de dicho motor; medios para digitalizar adaptados para acoplarse a uno o más de dichos devanados para digitalizar la FCEM inducida en dicho uno o más devanados por medio de detectar los cruces por cero de dicha señal de FCEM; y una microcomputadora que opera bajo control de programa almacenado, dicha microcomputadora recibe dicha señal de FCEM digitalizada y da salida a señales de conmutación para dichos dispositivos de conmutación, dicha microcomputadora almacena secuencias de patrones de estado del dispositivo de conmutación para que la ejecución produzca señales de conmutación para ocasionar que la corriente sea conmutada a través de combinaciones sucesivas de los tres devanados, de modo que el flujo magnético producido por dichos devanados del estator gire en una dirección deseada por 60° por conmutación a una velocidad inversamente proporcional al período entre las conmutaciones; y dicho programa almacenado incluye rutinas para: modular en ancho de pulso la señal de conmutación para el dispositivo de conmutación que ha sido cambiado de un estado apagado a un estado prendido cuando el siguiente patrón de conmutación de dicha secuencia se ejecuta en cada nueva conmutación, controlar la duración del voltaje aplicado a solamente uno de dichos tres devanados en cada nueva conmutación por un período activo menor que el período entre las conmutaciones, accionar dichos medios para digitalizar después de la expiración de dicho período activo; y ocasionar que cada dicha conmutación ocurra en momentos que sustancialmente se definen por, o se derivan de cada transición lógica en dicha señal digitalizada debido a los cruces por cero.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS La Figura 1 es un diagrama simplificado de circuito de un motor de CD sin escobillas conmutado electrónicamente de tres devanados, La Figura 2 muestra la secuencia de los estados del interruptor de conmutación para disparo bifásico para ocasionar la rotación en el sentido de las manecillas del reloj del motor de la Figura 1, La Figura 3 es un esquema de circuito en bloques de un motor de CD sin escobillas conmutado electrónicamente de acuerdo con la presente invención, La Figura 4 (a) es un diagrama de forma de onda que muestra las corrientes de impulsión idealizadas que fluyen a través de los tres devanados del motor, La Figura 4 (b) es un diagrama de forma de onda correspondiente que muestra el voltaje a través del único devanado con detección del motor de la Figura 3, La Figura 4 (c) es un diagrama de forma de onda correspondiente que muestra la forma digitalizada de la forma de onda del voltaje mostrada en la Figura 4 (b) , La Figura 5 es un diagrama de circuito para el digitalizador de la FCEM mostrado en la Figura 3, La Figura 6 muestra diagramáticamente una aplicación del presente motor accionando una bomba de drenaje y/o bomba de recirculación en una máquina para lavar ropa.

La Figura 7 es un diagrama de forma de onda que muestra la corriente de devanado en un motor bifásico accionado con modulación de ancho de pulso de solamente los dispositivos de conmutación inferiores en el impulsor del motor y el voltaje de impulsión correspondiente para el dispositivo de conmutación inferior conectado con ese devanado, La Figura 8 es una tabla de patrones de conmutación para el impulsor del motor de dos fases accionado con modulación de ancho de pulso, La Figura 9 es un diagrama de forma de onda que muestra la corriente de devanado en un motor bifásico accionado con modulación de ancho de pulso que está siendo girada entre los dispositivos de conmutación superiores e inferiores en el impulsor del motor y el correspondiente voltaje de impulsión para el dispositivo de conmutación inferior conectado con ese devanado, La Figura 10 es un diagrama de forma de onda que muestra la corriente de devanado en un motor con accionamiento pseudo trifásico, con la modulación de ancho de pulso siendo girada entre los dispositivos de conmutación superiores e inferiores en el impulsor del motor y el correspondiente voltaje de impulsión para el dispositivo de conmutación inferior conectado con ese devanado, La Figura 11 es una tabla de patrones de conmutación para el impulsor de un motor con accionamiento pseudo trifásico con modulación de ancho de pulso, con corchetes que indican dispositivos de conmutación que están prendidos por menos que el período de conmutación, de acuerdo con la presente invención, y La Figura 12 es un diagrama de forma de onda que muestra el voltaje de impulsión para los dispositivos de conmutación superior y inferior para las tres fases durante un ciclo completo para un motor con accionamiento pseudo trifásico de acuerdo con la presente invención.

DESCRIPCIÓN DE LAS MODALIDADES PREFERIDAS DE LA INVENCIÓN Las implementaciones preferidas de la invención serán ahora descritas.

La Figura 3 muestra una forma preferida del motor conmutado electrónicamente de la presente invención en la forma de diagrama de bloques. Los bloques de hardware principales son un motor de tres devanados de imán permanente 21, el circuito de conmutación de los devanados del motor 22, la fuente de alimentación de CD 23, el digitalizador de la FCEM 24 y una microcomputadora programada 25. En una aplicación preferida en donde el motor 21 acciona un impulsor 61 en una bomba 62 en un aparato para lavar (véase la Figura 6) la microcomputadora 25 será generalmente el microprocesador del aparato que será responsable de todas las otras funciones de control del aparato; incluyendo el control de un motor principal para las acciones de girar y lavar en el caso de una máquina para lavar ropa.

El sistema del motor conmutado electrónicamente (MCE) presente se describe en relación a una forma preferida del motor 21 que tiene un estator con tres devanados (o fases) A, B y C y seis polos salientes. Otras configuraciones de estator podrían ser utilizadas.

El motor tiene un rotor de imán permanente de cuatro polos (no mostrado) , aunque un diferente número de polos podría ser adoptado. Los devanados A, B y C están conectados juntos en una configuración estrella en esta modalidad, como se indica en la Figura 3.

El impulsor del motor (inversor o circuito de conmutación) 22 incluye pares de dispositivos de conmutación (1 a 6) en la forma IGBTs o de transistores de efecto de campo de potencia (FETs) que están conectados a través de la fuente de alimentación de corriente directa 23 en una configuración de puente para conmutar cada uno de los devanados A, B y C de la manera descrita ya con referencia a las Figuras 1 y 2, en donde están designados A+/A , B+/B- y 'C+/C-. Las inductancias de los devanados aseguran que la corriente de devanado que resulta sea más senoidal que las formas de onda rectangulares del voltaje. Cada uno de los seis dispositivos de conmutación que constituyen los interruptores superiores (1, 4, 6) e inferiores (5, 2, 3) para cada fase del motor es conmutado (cambiado) por señales de compuerta a+, a -, b+, b -, c+, c producidas por la microcomputadora 25. La fuente de alimentación de CD 23 suministra el voltaje de CD" que se aplica a través de cada par de dispositivos de conmutación.

El digitalizador de la FCEM 24 recibe una señal de entrada del extremo conmutado de la fase A del motor para propósitos de supervisar la FCEM inducida por la rotación del rotor, la cual proporciona información de la posición del rotor. En la modalidad preferida la salida de solamente un devanado del motor (en este ejemplo el devanado A) se utiliza para este propósito, como se divulga en el WO 2005/062460, aunque la técnica de enviar solamente un devanado no es esencial para la presente invención. El digitalizador de la FCEM 24 provee a su salida una señal digital (véase la Figura 4(c)) representativa de la señal analógica en su entrada (véase la Figura (b) ) y deriva los niveles lógicos por técnicas de comparador como será descrito. La señal de salida digital incluirá las transiciones lógicas Al y A2 que corresponden a los "cruces por cero" Zl y Z2 del voltaje analógico de la FCEM inducido en el devanado de la fase A conforme un polo del rotor pasa un devanado de polo asociado a esa fase.

El digitalizador de la FCEM 24 se puede implementar en hardware, como se muestra en la Figura 5, y se divulga en el WO 2005/062460 (incorporado en la presente por referencia) o se puede implementar en software en el microprocesador 25.

Las funciones básicas del software de la microcomputadora requeridas para operar el motor serán ahora descritas con referencia a la Figura 3, para proporcionar antecedente para los conceptos inventivos que serán descritos por separado. Una rutina de inicio 30 hace que el generador de pulsos de control de conmutación 29 produzca pulsos en los puertos a+ hasta c- en el grupo de puerto de salida 26 que refleja los patrones de conmutación mostrados en la Figura 2. Cada uno de los seis patrones de conmutación se recupera sucesivamente por turno de la memoria 28. Los pulsos de control para los interruptores de conmutación (1 a 6) se sintetizan por medio de la rutina generadora de pulsos de control de conmutación 29 que incluye un valor de puntero que señala la ubicación del patrón de estados de conmutación en la tabla 28, que se requiere para producir la conmutación siguiente para la dirección particular de la rotación requerida del motor 21. Se requieren que sean sintetizadas seis señales de impulsión de conmutación, aunque solamente dos de éstas cambian el estado en cada conmutación. Los patrones de conmutación ocurren en un ciclo continuamente a una velocidad baja para producir un flujo de estator que gira a la misma velocidad para inducir al rotor que gire y sé sincronice con esa velocidad.

Varias técnicas conocidas para comprobar el sincronismo del rotor dentro del flujo del estator que gira durante la fase de arranque en lazo abierto pueden ser utilizadas, aunque en la modalidad preferida se utiliza la técnica divulgada en el WO 2005/062460.

Una vez que se ha detectado el sincronismo del rotor, el control de conmutación es iniciado por las transiciones lógicas en la señal de la FCEM en el puerto de entrada 27 en un modo de lazo cerrado y se abandona la rutina de inicio. Las conmutaciones se pueden iniciar por los cruces por cero detectados reales en la señal de la FCEM en el devanado actualmente no utilizado o, donde solamente un devanado se supervisa, como en la modalidad preferida (p. Ej . , el devanado A), las transiciones lógicas Al y A2 en la señal 45 se utilizan directamente, en tanto que los iniciadores para el generador de pulsos de control de conmutación 29 para las fases B y C se deben derivar por medio de la extrapolación, según lo divulgado en el WO 2005/062460.

El control de la velocidad del motor cuando opera bajo control de lazo cerrado se logra de la manera divulgada en la Patente norteamericana No. 6,034,493. Es decir, los pulsos de control de conmutación sintetizados son modulados en ancho de pulso cuando se proveen al circuito de conmutación 22. Una rutina 32 impone un ciclo de trabajo en los pulsos que son sintetizados por la rutina 29, apropiado para los dispositivos de conmutación a través de los cuales la corriente del motor va a fluir de acuerdo con el valor actual del ciclo de trabajo mantenido en la ubicación 33. El ciclo de trabajo se varía para variar el voltaje aplicado a través de los devanados del estator para acelerar y desacelerar el motor 21 y para alojar cargas que varían en el rotor puesto que el par de torsión del rotor es proporcional a la corriente real del motor y esto se determina mediante el ciclo de trabajo de la modulación de ancho de pulso (MAP) . En algunas aplicaciones puede ser suficiente solamente modular en ancho de pulso los dispositivos inferiores del puente (5, 2, 3) en el circuito de conmutación 22.

Reducción del ruido La forma de onda de la corriente para un devanado (o fase) - en este caso la fase A - de un motor bifásico con detección de FCEM accionado con modulación de ancho de pulso de los dispositivos de conmutación inferiores (5, 2, 3) se muestra solamente en la Figura 7, junto con la señal de conmutación de entrada para el dispositivo de conmutación inferior 5 en el puente para esa fase (A -) . Se observará que la forma de onda de la corriente IA está lejos de ser senoidal y esto da lugar a perturbaciones en el par de torsión del motor y por lo tanto a vibraciones que pueden producir un nivel y calidad de ruido inaceptables del motor.

Si la forma de onda de la corriente IA se hace que se aproxime mejor a una senoide, entonces el ruido del motor será reducido. La presente invención propone una metodología para lograr esto con costos de implementación modestos. Refiriéndose a la Figura 7, los alejamientos principales de la forma de onda IA de la senoide se pueden atribuir a la muesca en las excursiones máximas de la amplitud de la corriente y el abrupto decaimiento a cero de la corriente antes de la inversión de la polaridad.

La última deficiencia se puede mejorar por medio de la modulación de ancho de pulso de los interruptores del lado de arriba de puente, además de los interruptores del lado de abajo, pero con la MAP no siendo aplicada a todos los dispositivos de conmutación siempre que estén prendidos, sino más bien por medio de la modulación de ancho de pulso que gira de un interruptor del lado alto a un interruptor del lado bajo después de cada conmutación. Girar la aplicación de la MAP significa que en una conmutación la MAP se aplica a un interruptor del lado alto y en la conmutación siguiente la MAP se a un interruptor del lado bajo. Esto se implementa por medio de modular en ancho de pulso el dispositivo de conmutación recientemente prendido en cada conmutación (es decir, cada patrón de conmutación recientemente implementado en la Figura 8) . La rotación de la MAP asegura que la corriente de fase permanezca simétrica. Los patrones de conmutación para tal accionamiento de dos fases con MAP que gira se muestran en la Figura 8. El resultado de la rotación de la MAP en la forma de onda de la corriente se muestra en la Figura 9. El tiempo de decaimiento de la corriente desde el pico (el máximo) hasta cero ahora se ha incrementado. Esto se debe a que la estrategia de la MAP provee voltaje constante y bajo opuesto a través de la fase recientemente apagada en la "marcha de rueda libre", en donde la corriente inversa fluye a través del correspondiente diodo en paralelo.

La presente invención también provee la eliminación de la muesca en los valores pico de la forma de onda de la corriente. Esto se logra activando la tercera fase por un período menor que el período completo de conmutación (que es menos de 60° de ángulo de rotación del flujo), a modo de asegurar que la fase está inactiva en la región del cruce por cero de la FCEM. Este accionamiento pseudo trifásico permite que la detección del cruce por cero de la FCEM sea utilizada mientras que se obtienen algunas de las ventajas del accionamiento de tres fases.

Las formas de onda para el accionamiento parcial de la tercera fase (accionamiento pseudo trifásico) cuando normalmente estaría apagada, se muestran para la fase A en la Figura 10. Se verá que el dispositivo de conmutación A- se prende (y se modula en ancho de pulso) en el sector de rotación de flujo de 120° hasta 180° por un período corto (es decir, después del sector de 60° a 120°, cuando está continuamente PRENDIDA) cuando habría estado normalmente apagada después de que hubiera sido prendida durante los dos sectores de 60° precedentes. Se observará que la muesca en el valor pico de la corriente de fase IA ahora ha sido substancialmente corregida.

Junto con el tiempo incrementado de decaimiento de la corriente de los valores de pico logrados por medio de girar la modulación de ancho de pulso, se produce una forma de onda de la corriente substancialmente trapezoidal. Tal forma de onda de la corriente del motor conduce a perturbaciones del par de torsión considerablemente reducidas y, por lo tanto, a ruido del motor considerablemente reducido. Además, debido a que la forma de onda es más simétrica con la distorsión de la segunda armónica reducida, el ruido residual, tal como existe, es menos ofensivo al oído humano.

El accionamiento de tres fases también reduce las corrientes pico de devanado. Esto reduce el calor disipado en los dispositivos de conmutación. Esto a su vez permite una frecuencia de conmutación más alta que también sirve para reducir el ruido del motor.

Las formas de onda para las señales de impulsión del dispositivo para el accionamiento pseudo trifásico del motor (y la MAP que gira) se muestran en la Figura 12 y la correspondiente tabla del patrón de interrupción se muestran en la Figura 11 con los períodos PRENDIDO menores de 60° estando indicados por el uso de corchetes. En el accionamiento pseudo trifásico, dependiendo del patrón de interrupción particular, cualquiera de los dispositivos de conmutación, los dos lados altos o los dos lados bajos están PRENDIDOS. Los dos dispositivos de conmutación en el mismo nivel (superior o inferior) son aquellos que son modulados en ancho de pulso para evitar corrientes circulantes que distorsionan la forma de onda de la corriente y reducen la eficacia cuando los interruptores en niveles opuestos se modulan en ancho de pulso simultáneamente. Es importante que cuando se acciona la tercera fase que es modulada en ancho de pulso, el período PRENDIDA se termine suficientemente por adelantado del momento potencial de cruce por cero de la FCEM generada.

En una implementación simple, el período PRENDIDA es fijo - digamos 300 µS. Preferiblemente, el tiempo de accionamiento de la tercera fase se varía con la velocidad del motor, de tal modo mejorando el alisamiento de la forma de onda de la corriente. El valor calculado del accionamiento de la tercera fase debe ser sujeto a modificación para mantener un espacio de adelanto mínimo predeterminado entre la terminación del decaimiento a cero de la corriente de fase y el punto del cruce por cero de la FCEM. Esto es particularmente significativo conforme el período de decaimiento de la corriente es proporcional a la corriente hacia delante, que en sí misma es proporcional a la carga del motor.

En las aplicaciones en donde un cierto ruido residual puede ser tolerado, se pueden hacer ahorros por medio de utilizar un ciclo de trabajo de MAP común para las tres fases. Si se requiere una forma de onda más senoidal, para el ruido reducido se puede emplear control independiente de los ciclos de trabajo de la MAP para cada fase, a través de cada una de las tres conmutaciones por medio ciclo.

Por tales medios se puede compensar la distorsión de la forma de onda debida a asegurar el tiempo fuera necesario para la detección de la FCEM y las corrientes que suben y bajan demasiado rápido o demasiado lento. Los ciclos de trabajo de la MAP en esta técnica están prealmacenados usando valores derivados empíricamente o de un modelo y varían la velocidad del motor.

La estrategia del motor de bajo ruido descrita antes se implementa por medio de rutinas de software en el microprocesador de control del motor mostrado en la Figura 3.

Un Final de la rutina de Pulso de Corriente 51 detecta la terminación del pulso de corriente en el intervalo de tiempo seleccionado, a partir de la señal de la FCEM filtrada, digitalizada, de la rutina 48.

Una rutina de Control de Conducción de Fase 49 calcula el tiempo de conducción reducido para la tercera fase y lo pasa a la rutina de Temporizador de Conducción de Fase 50. Este tiempo se basa en la velocidad del motor y la rutina 49 acepta los datos de la velocidad de la rutina 34. En una modalidad más simple con una microcomputadora menos poderosa, este tiempo se puede fijar, digamos en 300 µS, y la rutina 49 no se requiere.

Los datos de conmutación de la rutina 29 proporcionan el tiempo de inicio para el momento de conducción de la tercera fase y éste se pasa a la rutina de Temporizador de Conducción de Fase 50. La rutina 49 también mide el tiempo entre la terminación del pulso de corriente hasta la detección del cruce por cero por las señales de la rutina de detección del Final del Pulso 51 y de la rutina 46. Si un margen de tiempo predeterminado está comprometido, envía una señal a la rutina 33 para reducir el ciclo de trabajo de la MAP en todas las fases para evitar la pérdida del sincronismo.

En una modalidad más completa, la rutina 49 envía una señal a la rutina 33 para modificar la MAP en cada fase independientemente en los intervalos del ángulo de conmutación para producir una corriente de motor que se aproxime más exactamente a una senoide. Para hacer esto, la rutina 49 requiere los patrones de estado del dispositivo de conmutación de la rutina 29.

La rutina de Temporizador de Conducción de Fase 50 deshabilita la señal de la FCEM para que no sea analizada mientras que ocurre la conducción de la tercera fase, por medio de enviar una señal a la rutina 48. También apaga la MAP en la tercera fase activa cuando el tiempo de conducción de fase ha transcurrido, por medio de una señal a la rutina de ciclo de trabajo de la MAP 33.

Claims (12)

REIVINDICACIONES

1. - Un método para conmutar electrónicamente la corriente en un motor de CD sin escobillas, con rotor de imán permanente, que tiene devanados del estator de tres fases para producir un flujo magnético rotatorio, un inversor de puente de tres fases que incluye un par de dispositivos de conmutación conectados en serie por fase, y en donde el par de torsión del motor se controla por medio de la modulación de ancho de pulso de la corriente del motor, el método estando caracterizado porque comprende los pasos de: controlar los dispositivos de conmutación para conmutar la corriente a través de combinaciones sucesivas de los tres devanados, de modo que el flujo magnético producido por los devanados del estator gire en una dirección deseada por 60° por conmutación a una velocidad inversamente proporcional al período entre las conmutaciones, controlar el par de torsión y la velocidad del motor por medio de modular en ancho de pulso la operación de aquel dispositivo de conmutación que ha sido cambiado de un estado apagado a un estado prendido cada nueva conmutación, aplicar voltaje a uno de los tres devanados en cada nueva conmutación por un período activo menor que el período entre las conmutaciones, después de la expiración " del período activo, detectar en uno de dichos devanados la FCEM periódica inducida por la rotación del rotor de imán permanente, digitalizar la señal de la FCEM por medio de detectar los cruces por cero de la señal de FCEM, y ocasionar que cada conmutación ocurra en momentos que sustancialmente se definen por, o se derivan de cada transición lógica en la señal digitalizada debido a los cruces por cero.

2. - El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el período activo en que el voltaje se aplica a uno de los tres devanados en cada nueva conmutación es una función de la velocidad del motor.

3.- El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el período activo en que el voltaje aplicado a uno de los tres devanados en cada nueva conmutación es fijo.

4.- El método de conformidad con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque se detecta el tiempo entre la expiración del período activo en que el voltaje se aplica a uno de los tres devanados hasta el subsiguiente cruce por cero de la FCEM, y si dicho tiempo es menor que un valor predeterminado, se reduce el ciclo de trabajo de la modulación de ancho de pulso.

5.- El método de conformidad con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque el ciclo de trabajo de la modulación de ancho de pulso se controla independientemente para cada fase y se varía con la velocidad del motor para compensar el accionamiento no simétrico de las tres fases y de tal modo producir corrientes de devanado que se aproximan mejor a la senoide.

6.- Un motor de CD sin escobillas conmutado electrónicamente, caracterizado porque comprende: un estator que tiene tres devanados de fase adaptados para ser conmutados selectivamente para producir un flujo magnético rotatorio, un rotor girado por el flujo magnético rotatorio; un inversor de puente de tres fases que incluye un par de dispositivos de conmutación conectados en serie por fase con las uniones de los dispositivos de conmutación conectadas con los respectivos devanados del estator; medios para digitalizar acoplados a uno o más de los devanados para digitalizar la FCEM inducida en uno o más devanados por medio de detectar los cruces por cero de la señal de la FCEM; y un microcomputadora que opera bajo control de programa almacenado, dicha microcomputadora recibe dicha señal de la FCEM digitalizada y da salida a señales de conmutación para dichos dispositivos de conmutación, dicha microcomputadora almacena secuencias de patrones de estado del dispositivo de conmutación para que la ejecución produzca señales de conmutación para ocasionar que la corriente sea conmutada a través de combinaciones sucesivas de los tres devanados, de modo que el flujo magnético producido por los devanados del estator gire en una dirección deseada por 60° por conmutación a una velocidad inversamente proporcional al período entre las conmutaciones; y dicho programa almacenado incluye rutinas para: controlar el par de torsión del motor y la velocidad por medio de modular en ancho de pulso la señal de conmutación para el dispositivo de conmutación que ha sido cambiado de un estado apagado a un estado prendido cuando el siguiente patrón de conmutación de la secuencia se ejecuta en cada nueva conmutación, controlar la duración del voltaje aplicado a solamente uno de los tres devanados en cada nueva conmutación por un período activo menor que el período entre las conmutaciones, activar los medios para digitalizar después de la expiración del período activo; y ocasionar que cada conmutación ocurra en momentos que sustancialmente se definen por, o se derivan de cada transición lógica en la señal digitalizada debido a los cruces por cero.

7. - El motor de conformidad con la reivindicación 6, caracterizado porque la microcomputadora incluye: una rutina que detecta la velocidad que recibe una entrada del digitalizador de la FCEM y da salida a un valor indicativo de la velocidad del motor, y una rutina que recibe el valor de la velocidad y controla la duración del período activo en que el voltaje se aplica a uno de los tres devanados de cada nueva conmutación como función de la velocidad del motor.

8.- El motor de conformidad con la reivindicación 6, caracterizado porque la microcomputadora almacena un valor predeterminado indicativo de la duración del período activo en que el voltaje se aplica a uno de los tres devanados en cada nueva conmutación, y una rutina que recibe el valor de la velocidad y controla la duración del período activo de acuerdo con el valor predeterminado almacenado.

9.- El motor de conformidad con una cualquiera de las reivindicaciones 6 a 8, caracterizado porque la microcomputadora almacena un valor seguro predeterminado del tiempo entre la expiración del voltaje aplicado y el subsiguiente cruce por cero, e incluye una rutina que mide el tiempo entre la remoción del voltaje aplicado del devanado que es conmutado por menos que el siguiente cruce por cero de la FCEM, y si este tiempo es menor que el valor seguro, da salida a una señal para la rutina de modulación de ancho de pulso para ocasionar que esa rutina reduzca el ciclo de trabajo de la modulación de ancho de pulso.

10.- El motor de conformidad con una cualquiera de las reivindicaciones 7 y 8, caracterizado porque la microcomputadora almacena un conjunto de valores del ciclo de trabajo para cada fase para diferentes velocidades del motor que determinan el ciclo de trabajo de la modulación de ancho de pulso de esa fase en diferentes momentos dentro de un ciclo, y la rutina de modulación de ancho de pulso recibe valores de la rutina que detecta la velocidad y modula en ancho de pulso las señales para cada dispositivo de conmutación de acuerdo con los valores del ciclo de trabajo almacenado y el valor de la velocidad para producir corrientes de devanado que se aproximan mejor a una senoide.

11.- Una bomba de un aparato para lavar, caracterizada porque comprende: un alojamiento que tiene una entrada para líquido y una salida para líquido, un impulsor situado en el alojamiento, y un motor conmutado electrónicamente que gira el impulsor, el motor conmutado electrónicamente comprende: un estator que tiene tres devanados trifásicos adaptados para ser conmutados selectivamente para producir un flujo magnético rotatorio, un rotor girado por el flujo magnético rotatorio; un inversor de puente de tres fases que incluye un par de dispositivos de conmutación conectados en serie por fase con las uniones de los dispositivos de conmutación conectadas con los respectivos devanados del estator; medios para digitalizar acoplados a uno o más de los devanados para digitalizar la FCEM inducida en uno o más devanados por medio de detectar los cruces por cero de la señal de FCEM; y una microcomputadora que opera bajo control de programa almacenado, la microcomputadora recibe la señal de la FCEM digitalizada y da salida a señales de conmutación para los dispositivos de conmutación, la microcomputadora almacena secuencias de patrones de estado del dispositivo de conmutación para que la ejecución produzca señales de conmutación para ocasionar que la corriente sea conmutada a través de combinaciones sucesivas de los tres devanados, de modo que el flujo magnético producido por los devanados del estator gire en una dirección deseada por 60° por conmutación a una velocidad inversamente proporcional al período entre las conmutaciones; y dicho programa almacenado incluye rutinas para: controlar el par de torsión del motor y la velocidad por medio de modular en ancho de pulso la señal de conmutación para el dispositivo de conmutación que ha sido cambiado de un estado apagado a un estado prendido cuando el siguiente patrón de conmutación de la secuencia se ejecuta en cada nueva conmutación, controlar la duración del voltaje aplicado a solamente uno de los tres devanados en cada nueva conmutación por un período activo menor que el período entre las conmutaciones, activar los medios para digítalizar después de la expiración del período activo; y ocasionar que cada conmutación ocurra en momentos que sustancialmente se definen por, o se derivan de cada transición lógica en la señal digitalizada debido a los cruces por cero.

12.- Un impulsor para motor de CD sin escobillas de tres devanados, caracterizado porque comprende: un inversor de puente de tres fases que incluye un par de dispositivos de conmutación conectados en serie por fase con las uniones de los dispositivos de conmutación adaptadas para ser conectadas con los respectivos devanados del estator de dicho motor; medios para digitalizar adaptados para acoplarse a uno o más de los devanados para digitalizar la FCEM inducida en uno o más devanados por medio de detectar los cruces por cero de dicha señal de FCEM; y una microcomputadora que opera bajo control de programa almacenado, la microcomputadora recibe la señal de la FCEM digitalizada y da salida a señales de conmutación para los dispositivos de conmutación, la microcomputadora almacena secuencias de patrones de estado del dispositivo de conmutación para que la ejecución produzca señales de conmutación que ocasionan que la corriente sea conmutada a través de combinaciones sucesivas de los tres devanados, de modo que el flujo magnético producido por los devanados del estator gire en una dirección deseada por 60° por conmutación a una velocidad inversamente proporcional al período entre las conmutaciones; y el programa almacenado incluye rutinas para; controlar el par de torsión del motor y la velocidad por medio de modular en ancho de pulso la señal de conmutación para el dispositivo de conmutación que ha sido cambiado de un estado apagado a un estado prendido cuando el siguiente patrón de conmutación de la secuencia se ejecuta en cada nueva conmutación, controlar la duración del voltaje aplicado a solamente uno de los tres devanados en cada nueva conmutación por un período activo menor que el período entre las conmutaciones, activar los medios para digitalizar después de la expiración del período activo; y ocasionar que cada conmutación ocurra en momentos que sustancialmente se definen por, o se derivan de cada transición lógica en la señal digitalizada debido a los cruces por cero.