MOTOR DE CORRIENTE DIRECTA SIN ESCOBILLAS DE PERCEPCIÓN DE CONTRA EMF DE ARROLLAMIENTO SENCILLO CAMPO TÉCNICO Esta invención se relaciona con motores de CD sin escobillas electrónicamente controlados (que tienen rotores de imán permanente) y en particular, pero no solamente, con motores de tres arrollamientos para aplicaciones de caballo de fuerza de fracción tal como en aparatos domésticos y equipo para el cuidado de la salud. En una máquina lavadora dichos motores electrónicamente controlados se pueden usar para activar el movimiento de lavado y giro de un agitador o tambor y/o el drenaje de tazón de lavado y bombas de recirculación. RAMO ANTERIOR Los métodos para controlar motores de CD sin escobillas electrónicamente conmutados se han descrito en la Patente de E.U.A. 4,495,450 (To iza i y col., cedida a Sanyo Electric Co. Ltd.), y para uso en aparatos domésticos y en partículas máquinas lavadoras de ropa en la Patente de E.U.A. 4540921 (Boyd y col., cedida a General Electric Company), Patente de E.U.A. 4857814 (Duncan y col., cedida a Fisher & Paykel Limited) . Como antecedente de la presente invención algunos de los conceptos de motor electrónicamente controlado básico (ECM) descritos en estas patentes se resume abajo con referencia a las Figuras 1 y Un motor de CD trifásico (tres arrollamientos de estator) se muestra esquemáticamente en la Figura 1 con interruptores de conmutación que podrían ser FETs de energía IGBT. Conectando el interruptor 1 superior para fase A y el interruptor 2 inferior para fase B, se creará un campo magnético estático en el estator. Desconectando el interruptor 2 inferior para fase B y conectando el interruptor 3 inferior para fase C, este campo magnético se moverá en una dirección dextrógira. Desconectando el interruptor 1 superior para fase A y conectando el interruptor 4 superior para fase B ocasionará que el campo magnético continúe moviéndose en la dirección dextrógira. 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 los interruptores. Otros patrones de activación de interruptor de conmutación también podrían conducir a rotación dextrógira, pero el descrito produce el par de torsión de motor máximo. Se observará que en el ejemplo descrito solamente dos arrollamientos se activa en cualquier momento
("encendido de dos fases") . Un patrón completo de los seis estados de interruptor para encendido de dos fases de rotación dextrógira se muestra en la Figura 2. Esto se puede interpretar como sigue. Para obtener par de torsión máximo en el motor, las conexiones serían A+ y C- al ángulo de 60 grados, luego B+ y C- al ángulo de 120 grados, luego B+ y A- al ángulo de 180 grados, luego C+ y A- al ángulo de 240 grados, luego C+, B- al ángulo de 300 grados, y luego A+ y B- al ángulo de 360 grados, la secuencia comenzando en A+ y C- nuevamente. De esta manera hay una secuencia de seis patrones diferentes de interruptor y cada una va a ángulo de 60 grados de rotación proporcionando un total de 360 grados en rotación. La rotación levógira del motor se logra invirtiendo la secuencia de patrón de conmutación de los interruptores de conmutación. Como se mencionó en el ejemplo descrito, para crear un campo magnético giratorio en el estator solamente dos fases tienen corriente que fluye intencionalmente en ellos a la vez. El "encendido de tres fases" también es posible, pero el encendido de dos fases tiene una ventaja en que en cualquier momento un arrollamiento no tiene corriente de impulsión de motor intencional fluyendo a través del mismo. En las patentes citadas, este arrollamiento temporalmente no usado se percibe para cualquier voltaje inducido por el rotor de imán permanente giratorio para proporcionar una indicación de posición de rotor. El voltaje inducido se debe a fuera contra electromotriz (BEMF) . La forma de onda de BEMF percibida es cíclica y varía entre trapezoidal y una casi sinusoidal. Los "cruzamientos de cero" de esta forma de onda se deben al borde de los polos de imán permanente y proporcionan un punto consistente en el rotor para seguir su posición de rotación. Cuando dicho motor sin escobillas de CD está funcionando, cada conmutación necesita ser sincrónica con la posición del rotor. Tan pronto como la señal de BEMF arriba descrita pasa a través de cero, se hace una decisión de conmutar al siguiente patrón de conmutación para asegurar que se logre la rotación continua. La conmutación debe ocurrir solamente cuando el rotor está en una posición angular apropiada. Esto resulta en un sistema de retroalimentación de circuito cerrado para controlar la velocidad. La frecuencia de conmutación mantendrá el paso con el rotor debido a la retroalimentación de circuito cerrado desde el sensor de BEMF. La aceleración o desaceleración del rotor se logra ya sea aumentando o disminuyendo la resistencia del campo magnético giratorio en el estator (mediante técnicas de modulación de anchura de impulso (PWM) ) puesto que la fuerza en el rotor es proporcionar a la resistencia del campo magnético. Mantener una velocidad predeterminada bajo carga constante involucra controlar la resistencia del campo magnético en el estator para asegurar que se mantenga el régimen de conmutación deseado. Para mantener una velocidad predeterminada de rotación bajo cargas variables requiere la alteración correspondiente de la resistencia del campo magnético en el estator para compensar por los cambios en la carga en el rotor. El uso de percepción de BEMF para determinar la posición de rotor tiene muchas ventajas, de las cuales una es obviar la necesidad de sensores externos, tales como los sensores de efecto Hall . Pero los ECMs del ramo anterior que usan percepción de BEMF tienen el problema en que los digitalizadores de BEMF usan un número relativamente elevado de componentes, particularmente resistores de alto voltaje, que requieren espacio excesivo en los tableros de circuito impreso asociados y aumentan el costo. Por lo tanto, un objeto de la presente invención es proporcionar un sistema de motor electrónicamente controlado que va de alguna manera hacia superar las desventajas anteriores. EXPOSICIÓN DE LA INVENCIÓN Consecuentemente, en un aspecto la presente invención consiste en un método para conmutar un motor de CD sin escobillas de rotor de imán permanente que tiene tres arrollamientos de estator de fase para producir flujo magnético giratorio, que comprende los pasos de: conmutar corriente a combinaciones sucesivas de los dos arrollamientos para ocasionar rotación de flujo en una dirección deseada, percibir en solamente uno de los arrollamentos la contra EMF periódica inducida por rotación del rotor de imán permanente, la percepción siendo capacitada en los dos de seis intervalos de 60° cuando el arrollamiento no tiene corriente conmutada al mismo, digitalizar la señal de contra EMF percibida en el un arrollamiento detectando los cruzamientos de cero de la señal, determinar el período de tiempo medio de la señal obteniendo una medida del tiempo entre los bordes de impulso de la señal digitalizada que se deben a cruzamientos de cero, del tiempo de período medio derivar el tiempo de rotación de flujo de 60° (período de conmutación) y ocasionar que cada conmutación ocurra en momentos que están substancialmente definidos por cada transición lógica en la señal digitalizada debido a cruzamientos de cero y en los ángulos derivados de 60° y 120° de rotación de flujo que siguen a los cruzamientos de cero. En un segundo aspecto, la invención consiste de un motor de CD sin escobillas electrónicamente conmutado que comprende : un estator que tiene una pluralidad de arrollamientos adaptados para ser selectivamente conmutados para producir un flujo magnético giratorio, un rotor girado por el flujo magnético giratorio, un suministro de energía de corriente directa que tiene nodos de salida positivos y negativos; dispositivos de conmutación conectados a arrollamientos respectivos que conmutan selectivamente un arrollamiento respectivo a los nodos de salida en respuesta a un patrón de señales de control que dejan cuando menos uno de los arrollamientos no activado en cualquier momento mientras que los otros arrollamientos están activados, de manera de ocasionar que el flujo de estator gire en una dirección deseada; medios e- digitalización acoplados a uno solamente de los arrollamientos para digitalizar la contra EMF inducida en ese arrollamiento detectando los cruzamientos de cero de la señal de contra EMF; y una microcomputadora que opera bajo control de programa almacenado, la microcomputadora teniendo un puerto de entrada para la señal de contra EMF digitalizada y puertos de salida para proporcionar las señales de control de interruptor de conmutación, la microcomputadora determinando de la señal de contra EMF digitalizada una medida de la mitad de período de la misma midiendo el tiempo entre los bordes de impulso en la señal digitalizada que se deben a cruzamientos de cero, la microcomputadora dividiendo efectivamente el periodo medio determinado entre un número igual al número de arrollamientos de estator para producir un período de conmutación, la microcomputadora produciendo señales de control de conmutación en los puertos de salida para ocasionar que el flujo de estator gire mediante lo cual las conmutaciones de los dispositivos de conmutación están programados para ocurrir en cruzamiento de cero de la señal de contra EMF y en intervalos entre los mismos substancialmente iguales al período de conmutación. En un tercer aspecto, la invención consiste en una bomba de aparato de lavado que incluye: un alojamiento que tiene una entrada de líquido y una salida de líquido, un impulsor colocado en el alojamiento, y un motor electrónicamente conmutado que hace girar al impulsor, el motor electrónicamente conmutado comprendiendo: un estator que tiene una pluralidad de arrollamientos adaptados para ser selectivamente conmutados, un rotor acoplado impulsoramente al impulsor; un suministro de energía de corriente directa que tiene nodos de salida positiva y negativa; dispositivos de conmutación conectados a arrollamientos respectivos que conmutan selectivamente un arrollamiento respectivo a los nodos de salida en respuesta a un patrón de señales de control que dejan cuando menos uno de los arrollamientos no activado en cualquier momento mientras que los otros arrollamientos están activados, de manera de ocasionar que el flujo de estator gire en una dirección deseada; medios de digitalización acoplados a uno solamente de los arrollamientos para digitalizar la contra EMF a través de ese arrollamiento detectando los cruzamientos de cero de la señal de contra EMF; y una microcomputadora que opera bajo control de programa almacenado, la microcomputadora teniendo un puerto de entrada para la señal de contra EMF digitalizada y puertos de salida para proporcionar las señales de control de interruptor de conmutación, la microcomputadora determinando de la señal digitalizada una medida del período medio de la señal de contra EMF midiendo el tiempo entre los bordes de impulso en la señal digitalizada que se deben a cruzamientos de cero, la microcomputadora dividiendo efectivamente el medio período determinado entre un número igual al número de arrollamientos de estator para producir un período de conmutación, la microcomputadora produciendo señales de control de conmutación en los puestos de salida para ocasionar que el flujo de estator gire mediante lo cual las conmutaciones de los dispositivos de conmutación están cronometrados para ocurrir en cada cruzamiento de cero de señal de contra EMF y en intervalos entre los mismos substancialmente iguales al período de conmutación. BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS La Figura 1 es un diagrama de circuito simplificado de un motor de CD sin escobillas de tres arrollamientos, electrónicamente conmutado, La Figura 2 muestra la secuencia de estados de interruptor de conmutación para encendido de dos fases para ocasionar la rotación dextrógira del motor de la Figura 1, La Figura 3 es un diagrama de circuito de bloque de un motor de CD sin escobillas electrónicamente conmutado de conformidad con la presente invención, La Figura 4 (a) es un diagrama de forma de onda que muestra las corrientes de impulsión que fluyen a través de los tres arrollamientos- del motor, La Figura 4 (b) es un diagrama de forma de onda que muestra el voltaje a través del arrollamiento percibido único del motor de la Figura 3, La Figura 4(c) es un diagrama de forma de onda que muestra la forma digitalizada de la forma de onda de voltaje mostrada en la Figura 4 (b) , La Figura 5 es un diagrama de circuito para el digitalizador de contra EMF mostrado en la Figura 3, y La Figura 6 muestra diagramáticamente la aplicación del presente motor impulsando una bomba de drenaje y/o recirculación en una máquina lavadora de ropa. MEJORES MODOS PARA LLEVAR A CABO LA INVENCIÓN Las implementaciones preferidas de la invención se describirán ahora. La Figura 3 muestra una forma preferida del motor electrónicamente conmutado de la presente invención en forma de diagrama de bloque. Los bloques de hardware principales son un motor 21 de tres arrollamientos de imán permanente, circuito 22 de conmutación de arrollamiento de motor, suministro 23 de energía de CD, digitalizador 24 de contra EMF y una microcomputadora 25 programada. En la aplicación preferida en donde el motor 21 impulsa un impulsor 61 en una bomba 62 en un aparato de lavado (ver la Figura 6) la microcomputadora 25 usualmente será el microprocesador del aparato que será responsable por todas las otras funciones de control de aparato; incluyendo el control para acciones de giro y lavado en el caso de una máquina lavadora de ropa.
El presente sistema de motor electrónicamente conmutado (ECM) se describe con relación a una forma preferida de motor que tiene un estator con tres arrollamientos (o fases) A, B y C y seis polos salientes. Otras configuraciones de estator se podrían usar. El motor tiene un rotor de imán permanente de cuatro polos, aun cuando se podría adoptar un número diferente de polos. Los arrollamientos A, B y C están conectados juntos en configuración de estrella en esta modalidad como se indica en la Figura 3. El circuito 22 de conmutación incluye pares de dispositivos de conmutación en la forma de IGBTs o transistores de efecto de campo de energía (FETs) que están conectados a través del suministro 23 de energía de corriente directa en una configuración de puente para conmutar cada uno de los arrollamientos A, B y C en la manera ya descrita con referencia a las Figuras 1 y 2 en donde están designados A+/A-, B-/B- y C+/C-. Las inductancias de arrollamiento aseguran que la corriente que resulta sea aproximadamente sinusoidal como se muestra en la Figura 4 (a) . Cada uno de los seis dispositivos de conmutación que forman los interruptores superior e inferior para cada fase de motor se conmuta mediante señales de puerta a+, a-, b+, b-, c+, c- producidas por la microcomputadora 25. El suministro 23 de energía de CD suministra el voltaje de CD que se aplica a través de cada par de dispositivo de conmutación. El digitalizador 24 de BEMF recibe una señal de entrada del extremo conmutado de fase A de motor para los propósitos de supervisar la contra EMF inducida por rotación del rotor que proporciona información de posición de rotor. De conformidad con esta invención, solamente la salida de un solo arrollamiento de motor (en este ejemplo el arrollamiento A) se usa para este propósito. El digitalizador 24 de BEMF suministra en su salida una señal digital (ver la Figura 4(c)) representativa de la señal análoga en su entrada (ver la Figura 4(b)) y deriva los niveles lógicos mediante técnicas de comparador como se describirán. La señal de salida digital incluirá transiciones Al y A2 lógicas periódicas que corresponden a los "cruzamientos de cero" Zl y Z2 del voltaje de BEMF análogo inducido en el arrollamiento A de fase a medida que un polo de rotor pasa un polo de arrollamiento asociado con esa fase. El circuito para el digitalizador 24 de BEMF se muestra en la Figura 5. Un comparador 51 se proporciona con un voltaje de referencia Vref en la salida 56 que es el potencial del punto de estrella de los arrollamientos A, b y C de estator conectados en estrella. Esto se deriva sumando algebraicamente los potenciales en los extremos conmutados accesibles de los arrollamientos A, B y C de estator. Los resistores 52 a 54 se utilizan para combinar los voltajes de arrollamiento. La salida 57 de dos estados del comparador 51 se alimenta al puerto 27 de microprocesador. Como ya se mencionó es la contra EBMF a través de solamente el arrollamiento A (cuando no se está conmutando) que se usa para propósitos de posición de rotor y otro control. Puesto que la conmutación se determina por el microprocesador siempre se sabe cuando el arrollamiento a no está conduciendo corriente de motor y de esta manera se establece una ventana de tiempo dentro de la cual los cruzamientos de cero de rotor desde el comparador se supervisan. El voltaje del arrollamiento A de motor se aplica a la entrada 55 del comparador 51 a través de un divisor de potencial formado por los resistores 59 y 60. Cuando el nivel de la señal de voltaje de arrollamiento A en la entrada 55 excede VrTf (estableciendo un punto de cruzamiento de cero de contra EMF) la salida 57 del comparador 51 cambia de estado (ver la Figura 4(c)) y de esta manera digitaliza excursiones suficientemente grandes de la señal de voltaje de arrollamiento. Haciendo referencia a la Figura 3, se describirán ahora las funciones de software de microcomputadora. Una rutina 30 de inicio ocasiona que el generador 29 de impulso de control de conmutación produzca impulsos en los puestos de salida a+ a c- reflejando los patrones de interruptor mostrados en la Figura 2. Cada uno de los seis patrones de interruptor se retira sucesivamente en turno de la memoria 28. Los impulso de control para los interruptores de conmutación se sintetizan por la rutina 29 de generador de impulso de control de conmutación que incluye un valor apuntador que apunta a la ubicación del patrón de estado de conmutación en el cuadro 28 que se requiere para producir la siguiente conmutación para la dirección particular de rotación requerida del motor 21. Seis señales de impulsión-de conmutación se requiere que sean sintetizadas aún cuando solamente dos de estas cambian de estado en cada conmutación. Los patrones de interruptor se forman en ciclos continuamente a una velocidad baja para producir un flujo de estator que gira a la misma velocidad para inducir al rotor a girar y sincronizarse con esa velocidad. La señal 45 de contra EMF de fase A digitalizada se supervisa por rutina 46 para buscar la ocurrencia de una transición lógica Al o A2 en la ventana de tiempo esperada que indicaría sincronismo del rotor. Puesto que la microcomputadora está controlando la conmutación en modo de circuito abierto se puede programar para supervisar por transiciones Al o A2 en una ventana de tiempo establecida alrededor del cruzamiento de cero de la corriente en fase A. Que una transición lógica es una debido a cruzamiento de cero del contra EMF se prueba registrando en incrementos de tiempo un patrón 110 lógico o un patrón 001 lógico. Una ocurrencia de una transición Al o A2 en las ventanas de tiempo establecidas indicarán que el rotor está girando en sincronización con el campo de estator giratorio. La siguiente conmutación se puede disparar inmediatamente al detectar la transición de BEMF utilizando el siguiente patrón de interruptor en memoria como se indica por un apuntador. La posibilidad de que la transición de contra EMF ha ocurrido justamente antes de la supervisión, la ventana de tiempo también se usa como una indicación de sincronización de rotor. Es decir si un cambio de estado lógico se detecta al principio de la ventana de tiempo una rutina de tiempo fuera corto se inicia, v.gr., 2MS, y si el estado lógico está sin cambiar después del 2mS la sincronización de rotor se supone y se dispara el siguiente patrón de interruptor de conmutación. Cuando, como se manifestó arriba, se inicia una conmutación después de la rutina de tiempo fuera 2mS la siguiente conmutación, en lugar de ocurrir (A2-A2)/3 se inicia posteriormente después de un retraso fijo más corto, v.gr., 2mS . Esto se basa en la suposición que si un polo de rotor ha pasado fase un arrollamiento justamente antes de que la ventana de tiempo se abre luego el rotor puede estar girando más rápido que el período de conmutación de circuito abierto y la conmutación al siguiente patrón de interruptor se debe avanzar. Otro medio para comprobar la sincronización de rotor durante la fase de inicio de circuito abierto se puede usar. Una vez que la sincronización de rotor se ha detectado se dispara el control de conmutación por las transiciones lógicas en la señal contra EMF en el puerto 27 de entrada en un modo de circuito cerrado y la rutina de inicio salida. Para la fase A las transiciones Al y A2 lógicas en la señal 45 se usan directamente. Los percutores para el generador 29 de impulso de control de conmutación para las fases B y C se deben derivar desde los puntos de cruzamiento de cero de la señal contra EMF en las fases B y C no se detectan. Como se puede ver de la Figura 4, con un motor de tres fases, la corriente se debe conmutar a las fases B y C en dos momentos intermedios de la conmutación de corriente a fase A en tiempos correspondientes a las transiciones Al y A2, a decir en los puntos de 60°, 120°, 240° y 300° que corresponden a los tiempos Cl, B2, C2 y B2 mostrados punteados en la Figura 4(c) . En la presente invención estos tiempos de conmutación se derivan por extrapolación. Esto se hace midiendo el tiempo entre las conmutaciones anteriores e la fase A, por ejemplo el tiempo entre Al y A2, y dividiendo efectivamente que mediante 3 en rutina 31 multiplicando por 1/3 y 2/3 respectivamente. Estos cálculos se utilizan para generar percutores de conmutación en Al + (A2-Al)/3 para la fase C ("Cl"), Al + (A2-A1) .2/3 para la fase B ("Bl"), etc., en la rutina 47 que junto con Al y A2 produce un juego completo de percutores para el generador 29 de impulso de control de conmutación. En la modalidad preferida, el tiempo medido entre las transiciones Al y A2 que se usa para calcular las conmutaciones intermedias es un promedio móvil de períodos previos de cruzamiento de cero determinados por un filtro de factor de olvido. En la práctica, debido a varias razones, las conmutaciones calculadas de las fases B y C se pueden desplazar de los tiempos preciso (A2-Al)/3. Por ejemplo, cuando una fase se desconecta del suministro de CD mediante una conmutación, la corriente de interruptor debido a la inductancia del arrollamiento fluirá a través del diodo de rueda libre conectado en paralelo con el interruptor de conmutación (ver la Figura 1) que se ha justamente interrumpido. El impulso de corriente así producida se refleja en la señal contra EMF como se muestra en la Figura 4(b) y se designa CP. El efecto en la señal contra EMF digitalizada se puede ver en la Figura 4(c). Puesto que la duración de impulso de corriente es una función de la corriente de motor (ver E.U.A. 6,034,493) a corrientes de motor superiores el - impulso de corriente puede potencialmente ser de duración suficiente de manera de cruzar los tiempos en donde las transiciones Al y A2 ocurren y de esta manera enmascarar esas transiciones. A fin de evitar esto es una particularidad opcional de la presente invención avanzar uno de los tiempos de conmutación calculados Cl o Bl y C2 o B2, Esto asegura que el impulso CP de corriente en la señal 45 ha terminado antes de las transiciones Al y A2. Como un ejemplo, las 2/3 conmutaciones intermedias se pueden avanzar por 300 uS. Esto asegura que el impulso CP de corriente esté completo antes de que ocurra el siguiente cruzamiento de cero. El motor, de esta manera se puede hacer funcionar a niveles superiores de corriente y todavía mantener la sincronización. Además, como se sabe del ramo anterior todos los tiempos de conmutación se podrían hacer avanzar para permitir que el tiempo de conmutación de corriente y de esta manera aumentar el par de torsión. El control de velocidad del motor cuando funciona bajo control de circuito cerrado se logra de la manera descrita en la Patente de E.U.A. 6,034,493. Es decir, los impulsos de control de conmutación sintetizados son modulados en anchura de impulso cuando se suministra al circuito 22 de conmutación. Una rutina 32 impone un ciclo de servicio en los impulso que se sintetizan mediante la rutina 29 apropiada a los dispositivos de conmutación a través de los cuales la corriente de motor es fluir de conformidad con el valor presente de ciclo de servicio retenido en la ubicación 33. El ciclo de servicio se varía para variar el voltaje a través de los arrollamientos de estator para acelerar y desacelerar el motor 21 y para acomodar las cargas variables en el rotor puesto que el par de torsión de rotor es proporcionar a la corriente de motor y esto se determina por el ciclo de servicio de la modulación de anchura de impulso (PWM) . En algunas aplicaciones puede ser suficiente modular en anchura de impulso solamente los dispositivos de puente inferiores en el circuito 22 de conmutación. El PWM opcionalmeirte también, se puede variar para el propósito de mantener la sincronización de motor en situaciones extremas. La duración entre el extremo del impulso de corriente CP y el siguiente cruzamiento de cero se mide y si cae debajo de un margen predeterminado (digamos 300 uS), el voltaje de excitación determinado de PWM se reduce hasta que se gana nuevamente el margen ajustado. De esta manera, bajo un aumento rápido en la energía de motor de carga de motor se disminuye para evitar la pérdida de sincronización. El motor electrónicamente conmutado de la presente invención logra las ventajas conocidas de determinación de posición de rotor utilizando percepción de contra EMF de una manera que reduce al mínimo los componentes para el digitalizador de contra EMF y, por lo tanto, el área de tablero de circuito impreso requerida. Además, el número de entradas de microprocesador requerido y tiempo de carga de procesador se reducen ambos . Estas ventajas facilitan un motor económicamente viable para bombas inteligentes para uso en máquinas de lavado de ropa y lavadoras de platos.