WO2011009180A2

WO2011009180A2 - Sistema de controle antecipador para motor elétrico e método de controle antecipador para motor elétrico aplicados a cargas cíclicas

Info

Publication number: WO2011009180A2
Application number: PCT/BR2010/000230
Authority: WO
Inventors: Claudio Eduardo Soares; Dietmar Erich Bernhard Lilie; Roberto Andrich; Luiz Von Dokonal
Original assignee: Whirlpool S.A.
Priority date: 2009-07-22
Filing date: 2010-07-22
Publication date: 2011-01-27
Also published as: SG178085A1; CN102714478B; KR20120041755A; BR112012001541B1; CN102714478A; MX2012000964A; US8796968B2; IN2012DN01022A; EP2498395B1; BR112012001541A2; US20120274250A1; ES2476028T3; WO2011009180A3; JP5749716B2; AR077771A1; EP2498395A2; BRPI0902347A2; JP2012533977A

Abstract

A presente invenção refere-se a um sistema e a um método de controle antecipador para motor elétrico aplicado a cargas cíclicas, sendo tal sistema dotado de um motor elétrico (10), de pelo menos uma unidade eletrônica de controle (20), de pelo menos uma unidade eletrônica de potência (30), de pelo menos um dispositivo elétrico observador de posição, o motor elétrico (10) sendo acionado eletricamente através da unidade eletrônica de potência (30), a unidade eletrônica de potência (30) sendo comandada eletricamente através da unidade eletrônica de controle (20), o sistema compreendendo um controlador de velocidade média e um dispositivo observador de posição do motor elétrico, ambos implementados através da unidade eletrônica de controle (20), o controlador de velocidade sendo configurado para monitorar uma velocidade média do motor elétrico (10), o dispositivo observador de posição sendo configurado para monitorar e armazenar uma velocidade instantânea (V_i) em cada posição do motor elétrico (10) e estimar, através de cada posição, uma velocidade instantânea de controle (V_c) do motor elétrico (10), a unidade eletrônica de controle (20) sendo configurada para calcular uma tensão média (V_m) a partir da velocidade média monitorada, a unidade eletrônica de potência (30) sendo configurada para acionar eletricamente o motor elétrico (10) através de um valor de tensão de controle (V_controle), sendo este valor de tensão de controle (Vcontroie) calculado através da multiplicação da tensão média (Vm) pelo resultado da divisão entre a velocidade instantânea de controle (V_c) e a velocidade média.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "SISTEMA DE CONTROLE ANTECIPADOR PARA MOTOR ELÉTRICO E MÉTODO DE CONTROLE ANTECIPADOR PARA MOTOR ELÉTRICO APLICADOS À CARGAS CÍCLICAS".

A presente invenção refere-se a um sistema de controle especialmente desenhado para controlar motores de ímãs permanentes, do tipo Brushless DC trapezoidal, com a finalidade de melhorar a eficiência do consumo de energia elétrica quando de seu acionamento em cargas cíclicas, tais como compressores em sistemas de refrigeração.

Adicionalmente, a presente invenção prevê um método de controle para motores daquele tipo, sendo este implementado no sistema ora reivindicado.

Descrição do Estado Da Técnica

Os motores de ímãs permanentes do tipo Brushless DC estão se tornando cada vez mais populares em aplicações que exijam baixo custo e alta performance. Os motores do tipo Brushless DC são semelhantes aos motores DC montados de forma invertida, onde os ímãs permanentes são montados no rotor. Enquanto que nos motores DC a inversão de corrente é feita pelo comutador e as escovas, nos caso dos motores Brushless DC, a corrente é invertida através de inversores de potência que acionam as bobinas do estator.

Para obtenção do torque máximo, e da melhor eficiência no consumo de energia, é necessário sincronizar a corrente com a tensão induzida nas fases do motor. Isso pode ser feito através do uso de sensores acopla- dos ao eixo do motor ou através da observação das tensões induzidas, ou correntes, nas fases do motor. Os sensores acoplados ao eixo do motor trazem o inconveniente de adicionar elementos extras ao projeto deste motor, aumentando consideravelmente o custo final da solução. Além disso, limitações de espaço e o próprio ambiente ao qual fica submetido o motor, podem inviabilizar o uso destes tipos de sensores. Por isso, a utilização dos observadores de tensão ou corrente constituem a melhor escolha na maioria dos casos. Na patente norte-americana US 6922027 é empregada uma técnica que utiliza um observador de tensão construído a partir de uma rede formada por comparadores de tensão, capacitores e resistores. As saídas dos comparadores são enviadas a um microprocessador que determina os instantes de comutação do acionamento do motor. Apesar da solução ser microprocessada, ela requer a utilização de muitos componentes externos.

Em ANDRICH et al. é empregada uma técnica onde as três fases do motor são amostradas, tratadas matematicamente, e então, comparadas entre si para determinação dos instantes de comutação do motor. As vantagens desta técnica são a eliminação dos circuitos analógicos na determinação da posição do motor, a flexibilidade nos ajustes do observador de acordo com a estrutura mecânica do motor, a menor sensibilidade às variações paramétricas dos componentes e a possibilidade de calibração do circuito.

Os motores Brushless DC podem ser utilizados no acionamento de compressores aplicados em sistemas de refrigeração. Este tipo de aplicação satisfaz as condições de carga cíclicas definidas no escopo desta invenção. O objetivo da aplicação deste tipo de motor em sistemas de refrigeração é a variação da capacidade de refrigeração do sistema, que pode ser controlada pela variação do fluxo refrigerante. A quantidade de fluxo refrigerante, por sua vez, é diretamente proporcional a velocidade média do motor. Sendo assim, a principal especificação do controlador deve ser o controle da velocidade média de rotação.

O funcionamento do compressor pode ser dividido em duas eta- pas de operação: a etapa de sucção e a etapa de compressão. A sucção acontece no início de cada ciclo e é caraterizada pelo recuo do pistão dentro do cilindro. Durante este processo, o cilindro é preenchido com o fluido refrigerante. O ciclo de compressão, por sua vez, inicia quando o pistão inverte o seu sentido de deslocamento. Durante esta etapa, o fluido é comprimido dentro do cilindro. A compressão do fluido gera um torque muito maior que o torque médio resultante de uma volta mecânica completa. Tendo em vista que este comportamento se repete a cada volta mecânica, percebe-se um comportamento cíclico na variação de torque durante o funcionamento do motor.

A variação do torque dentro de uma volta mecânica causa uma variação da velocidade do motor, diminuindo a velocidade do motor durante o ciclo de compressão. Geralmente, não existe nenhuma compensação na ação de controle para ajustar a velocidade instantânea do motor dentro de uma volta mecânica, de forma a compensar a perda de velocidade durante o ciclo de compressão. Os controladores desenvolvidos para o acionamento de compressores assumem que o importante para o sistema de refrigeração é o controle do fluxo médio do refrigerante, o qual é definido basicamente pela velocidade média de rotação.

Entretanto, o simples controle da velocidade média do motor pode apresentar distorções na forma de onda da corrente devido à variação da rotação durante os ciclos de sucção e compressão. Esta deformação na forma de onda da corrente não é desejada pois diminui a eficiência no consumo de energia elétrica devido à redução do fator de potência do motor.

Levando em consideração o ciclo de compressão, por exemplo, observa-se que a tensão induzida no motor sofre uma redução de amplitude devido a redução de velocidade causada pelo aumento do torque. Os contro- ladores convencionais não atuam de modo a modificar a tensão média aplicada ao motor e, por isso, ocorre um aumento na diferença de potencial a- plicado às bobinas do motor, a qual é definida como sendo a diferença entre a tensão aplicada pelo inversor e a tensão induzida do motor. O aumento na diferença de potencial aplicado às bobinas do motor causa então um au- mento na corrente durante o ciclo de compressão. Do mesmo modo, no ciclo de sucção a corrente diminui devido à redução da amplitude da tensão induzida no motor.

Assim, a corrente aplicada ao motor aumenta durante o ciclo de compressão e diminui durante o ciclo de sucção. Este comportamento é exa- tamente o oposto do comportamento da tensão induzida, a qual diminui durante o ciclo de compressão e aumenta durante o ciclo de sucção. O impacto deste comportamento inverso entre a tensão e a corrente está no fator de potência do motor, fator que diminui conforme a forma de onda da corrente torna-se mais diferente da forma de onda da tensão induzida.

Breve Descrição e Objetivos da Invenção

O objeto da presente invenção tem por objetivo melhorar o fa- tor de potência do motor Brushless DC aplicado no acionamento de cargas cíclicas, através do ajuste da forma de onda da corrente aplicada ao motor. Este ajuste na forma de onda da corrente deve ser realizado devido às variações na tensão induzida do motor decorrentes das variações de velocidade dentro de uma volta mecânica.

Os ajustes na forma de onda da corrente são baseados nas informações das voltas anteriores, tendo em vista que o padrão da forma de onda do torque, da velocidade e da tensão induzida no motor devem variar pouco de uma volta mecânica para outra na operação com cargas cíclicas. A técnica de controle proposta aproveita esta característica cíclica da carga para antecipar os ajustes na tensão aplicada ao motor. Seria como se a técnica de controle antecipasse a carga do motor e conseguisse prever o impacto desta variação sobre o motor. O controlador pode então antecipar os ajustes necessários na tensão aplicada ao motor com base neste comportamento previsto.

Deste modo, os objetivos da presente invenção são alcançados através da provisão de um sistema e de um método de controle antecipador para motor elétrico aplicado à cargas cíclicas, sendo tal sistema dotado de um motor elétrico, de pelo menos uma unidade eletrônica de controle, de pelo menos uma unidade eletrônica de potência, de pelo menos um dispositivo elétrico observador de posição, o motor elétrico sendo acionado eletrica- mente através da unidade eletrônica de potência, a unidade eletrônica de potência sendo comandada eletricamente através da unidade eletrônica de controle, o sistema compreendendo um controlador de velocidade média e um dispositivo observador de posição do motor elétrico, ambos implementa- dos através da unidade eletrônica de controle, o controlador de velocidade sendo configurado para monitorar uma velocidade média do motor elétrico, o dispositivo observador de posição sendo configurado para monitorar e arma- zenar uma velocidade instantânea em cada posição do motor elétrico e estimar, através de cada posição, uma velocidade instantânea de controle do motor elétrico, a unidade eletrônica de controle sendo configurada para calcular uma tensão média a partir da velocidade média monitorada, a unidade eletrônica de potência sendo configurada para acionar eletricamente o motor elétrico através de um valor de tensão de controle, sendo este valor de tensão de controle calculado através da multiplicação da tensão média pelo resultado da divisão entre a velocidade instantânea de controle e a velocidade média.

Como mencionado, os objetivos da presente invenção são ainda alcançados através da provisão de um método de controle antecipador para motor elétrico, sendo tal método dotado das seguintes etapas:

i) calcular uma velocidade média do motor elétrico; ii) calcular, através da velocidade média do passo anterior, uma tensão média,

iii) monitorar uma velocidade instantânea em cada posição do motor elétrico,

iv) armazenar um ou mais valores de velocidade instantânea calculada no passo anterior,

v) estimar, através de cada posição do motor elétrico, uma velocidade instantânea de controle do motor elétrico,

vi) acionar elétricamente o motor elétrico, através de um valor de tensão de controle, sendo este valor de tensão de controle calculado através da multiplicação da tensão média pelo resultado da divisão entre a velocida- de instantânea de controle e a velocidade média.

A fim de implementar o ajuste no formato de onda da corrente, o dito método de controle monitora e armazena as velocidades instantâneas em cada posição do motor. Tal como descrito acima, o método de controle então modifica a tensão a ser aplicada ao motor multiplicando a tensão mé- dia previamente definida pelo controle de velocidade pela divisão entre a velocidade instantânea e a velocidade média. As informações da velocidade instantânea utilizadas neste cálculo são provenientes da volta anterior do motor, de forma que o controlador consiga antecipar o comportamento do motor. A correção realizada na tensão aplicada ao motor, de acordo com a forma descrita, consegue ajustar a forma de onda da corrente para que esta seja semelhante à forma de onda da tensão induzida.

Este trabalho também ressalta que a imposição de qualquer modificação na corrente dar-se-á através da alteração da tensão instantânea entregue ao motor, sem alterar a tensão média calculada pela malha de controle de velocidade.

Descrição Resumida dos Desenhos

A invenção será descrita com referência aos desenhos em anexo, dados a título explicativo e nos quais:

Figura 1 : (a) Representa um diagrama de blocos de um sistema de acionamento de motor de ímãs permanentes, do tipo Brushless DC, trifásico de 4 pólos, com tensões trapezoidais de patamar 120° elétricos. O dia- grama é composto por um retificador, um filtro capacitivo, um inversor trifásico, caracterizado pelo conjunto de chaves de potência, um motor de ímãs permanentes, um observador de tensão e uma unidade de controle. Em (b), as formas de onda características do acionamento do motor elétrico;

Figura 2: Apresenta o diagrama blocos para o acionamento do motor elétrico utilizando um controlador de velocidade média. O controle desta solução se dá pelo monitoramento da velocidade média do motor;

Figura 3: (a) Formas de onda da tensão induzida EA e a tensão média aplicada FA em uma das fases do motor, para uma carga constante aplicada ao eixo do motor. Neste mesmo caso, em (b) é apresentada a for- ma de onda de corrente do motor;

Figura 4: (a) e (c) Detalhe da diferença entre a tensão aplicada ao motor FA e a tensão induzida EA em instantes diferentes, dentro de um período mecânico. Além disso, (b) e (d) mostram as respectivas correntes resultantes no motor;

Figura 5: Corrente nas três fases do motor resultante do método de controle da velocidade média aplicado a uma carga constante. As correntes das três fases apresentam um formato de onda idêntico dentro de uma volta mecânica;

Figura 6: Curva característica de uma carga cíclica aplicada a um motor acionado por um controlador de velocidade média;

Figura 7: (a) Apresenta as formas de onda da tensão induzida EA e da tensão aplicada ao motor FA. (b) Apresenta a forma de onda da corrente resultante no motor. A variação da tensão induzida EA é consequência direta da variação da velocidade do motor dentro de uma volta mecânica;

Figura 8: (a) Detalhe da diferença entre a tensão aplicada ao motor FA e a tensão induzida EA durante o instante de velocidade máxima. (b) Corrente resultante durante o instante de velocidade máxima, (c) Detalhe da diferença entre a tensão aplicada ao motor FA e a tensão induzida EA durante o instante de velocidade mínima, (d) Corrente resultante durante o instante de velocidade mínima;

Figura 9: Apresenta a corrente nas três fases do motor resultan- te do método de controle da velocidade média aplicado à carga cíclica;

Figura 10: Diagrama de blocos de um método de controle para a melhoria do fator de potência do motor;

Figura 11 : (a) Apresenta as formas de onda da tensão induzida EA e da tensão aplicada ao motor FA corrigida pelo sistema e método de controle propostos, (b) Apresenta a forma de onda da corrente resultante no motor;

Figura 12: (a) Detalhe da tensão aplicada ao motor FA corrigida pelo método de controle proposto e a tensão induzida EA durante o instante de velocidade máxima, (b) Corrente resultante durante o instante de veloci- dade máxima, (c) Detalhe da tensão aplicada ao motor FA corrigida pelo método de controle proposto e a tensão induzida EA durante o instante de velocidade mínima, (d) Corrente resultante durante o instante de velocidade mínima;

Figura 13: Apresenta a corrente nas três fases do motor corrigi- das pelo método de controle, objeto da presente invenção;

Figura 14: Apresenta a velocidade média em cada posição adquirida por um observador de velocidade, juntamente com a velocidade real do motor, conforme os ensinamentos da presente invenção;

Figura 15: Mostra o atraso existente na medição de velocidade, caracterizado pela diferença entre a velocidade real e a velocidade medida pelos instantes de comutação, conforme os ensinamentos da presente in- venção; e

Figura 16: Mostra o armazenamento da velocidade instantânea em cada posição do motor, conforme disposto no diagrama de blocos de controle desta invenção.

Descrição Detalhada das Figuras

A Figura 1 (a) traz a configuração básica de um diagrama de controle e (b) as formas de ondas ideais existentes no acionamento de um motor de ímãs permanentes do tipo Brushless DC trifásico de quatro pólos, onda trapezoidal. A título de exemplificação, doravante, este motor será utilizado para análise dos demais gráficos. Contudo, a invenção também é váli- da para qualquer motor de ímãs permanentes do tipo Brushless DC. Em funcionamento normal, o controle analisa a entrada do observador de tensão e/ou corrente, e aciona as chaves SW1 a SW6 na seqiiência indicada na Figura 1 (b) conforme a posição detectada.

Adicionalmente, sabe-se que através da utilização de sensores acoplados ao eixo do motor, observadores de tensões induzidas, ou correntes, é possível mensurar a velocidade do motor. Na configuração proposta, utilizou-se um observador de tensão tal como mostrado na Figura 1 (a), muito embora qualquer outro dispositivo de medição de velocidade possa ser aplicado à invenção apresentada.

Na Figura 2, pode ser visto um diagrama de blocos de um controle típico operado a partir da velocidade média de um motor. Nesta configuração, o motor e o inversor, além de um sensor que possa efetuar o moni- toramento da velocidade, configuram um controlador responsável por processar as informações de velocidade provindas do sensor juntamente com a referência, ou setpoint, definida pelo sistema.

A Figura 3 apresenta a resposta do motor acionado por um controlador convencional de velocidade média para o caso da imposição de uma carga constante sobre o eixo. A condição de carga constante é favorável a este tipo de controle, visto que a velocidade real de rotação permanece constante durante um ciclo mecânico. Esse comportamento constante da velocidade se reflete na forma de onda de tensão induzida no motor. Con- forme a Figura 3 (a), a tensão induzida mantém um formato uniforme, ou seja, não se altera durante um ciclo mecânico. Como conseqiiência, a forma de onda resultante da corrente no motor também adquire um comportamento uniforme, não se alterando durante a volta mecânica, conforme apresentado na Figura 3 (b).

As Figuras 4 (a) e (c) detalham a diferença entre a tensão induzida EA e a tensão FA aplicada ao motor, a qual permanece aproximadamente constante dentro de uma volta mecânica. As Figuras 4 (b) e (d) mostram que as formas de onda da corrente de fase resultantes no motor também são idênticas dentro de uma volta mecânica, devido à manutenção da diferença entre a tensão induzida EA e a tensão FA aplicada ao motor.

Por conseguinte, tal como mostrado na Figura 5, as formas de onda das correntes resultantes nas três fases do motor são idênticas, não demonstrando qualquer tipo de distorção durante o ciclo mecânico.

Porém, deve-se ressaltar a diferença nos impactos para uma carga constante, quando comparados àqueles oriundos de uma carga cíclica sobre o eixo do motor. A Figura 6 apresenta um exemplo de carga cíclica, a qual é composta de uma oscilação em torno de um ponto médio TM de operação. Uma carga com característica tipicamente cíclica é a carga gerada por um compressor alternativo. O impacto sobre a velocidade do motor, ope- rando através do controlador convencional de velocidade média, é uma oscilação em torno da velocidade média RPMM.

A oscilação da velocidade causa uma variação na amplitude da tensão induzida EA, a qual é mostrada na Figura 7. Como a tensão aplicada ao motor FA pelo controlador de velocidade é constante durante uma volta mecânica, quanto maior a tensão induzida EA menor será a corrente IA resultante do motor.

Assim, durante o instante de velocidade máxima, destacado nas Figuras 8 (a) e (b), a tensão induzida EA se aproxima muito da tensão aplicada ao motor FA. Como consequência, ocorre uma diminuição da amplitude da corrente IA. Durante o instante de velocidade mínima, destacado nas Figuras 8 (c) e (d), ocorre o fenómeno inverso.

O impacto da variação de velocidade sobre as correntes do motor é resumido na Figura 9, onde é visível a distorção das correntes de fase IA, IB e IC dentro de uma volta mecânica. A diminuição da corrente resultante no motor durante o aumento da tensão induzida, ou o aumento da corrente durante a diminuição da tensão induzida, tem impacto direto na redução do fator de potência do motor.

Para melhorar o fator de potência do motor, a corrente deveria possuir o mesmo formato da tensão induzida. Deste modo, um sistema de controle, por exemplo, tal como aquele proposto na presente invenção, deve atuar no sentido de reduzir a tensão induzida no motor quando ocorre uma redução na corrente de operação, ao mesmo tempo em que eleva a tensão induzida no motor quando a corrente no motor é aumentada.

Mas o fenómeno que ocorre utilizando o controlador de velocidade convencional é justamente o oposto. Esta variação de corrente desproporcional a tensão induzida durante uma volta mecânica do motor preju- dica o fator de potência do motor e consequentemente diminui a eficiência do sistema.

Na esteira deste raciocínio, o sistema e método ora propostos tém por objetivo melhorar o fator de potência do motor aplicado no aciona- mento de cargas cíclicas ajustando a forma de onda da corrente.

Uma forma de atuar no ajuste da corrente do motor é aquela i- lustrada no diagrama de blocos da Figura 10.

O referido controle atua no sentido de ajustar o formato de onda da corrente, monitorando a velocidade instantânea e a velocidade média do motor. Por outro lado, o controle ilustrado na Figura 10 apresenta como in- conveniente técnico o fato de necessitar de um monitoramento e controle em tempo real, além de um hardware com grande capacidade de processamento. Dentro dos ensinamentos da presente invenção, um sistema e um método de controle são propostos de modo a trabalhar com valores de velocidade estimados, e armazenados, sendo possível assim, prever o comportamento do motor durante o seu funcinonamento, diferentemente do que ocorre na solução apresentada na Figura 10.

Desta feita, o presente sistema de controle, denominado sistema de controle antecipador para motor elétrico aplicado à cargas cíclicas, compreende um motor elétrico 10, pelo menos uma unidade eletrônica de controle 20 e pelo menos uma unidade eletrônica de potência 30. A figura 1 ilustra uma possibilidade de implementação do objeto ora reivindicado.

Ademais, vale mencionar que o motor elétrico 10 é acionado ele- tricamente através da unidade de potência 30. A unidade eletrônica de potência 30 compreende um conjunto de chaves eletrônicas de potência SW2N configuradas para controlar uma tensão em cada fase do motor elétrico 10.

A mesma figura 1 mostra que a unidade eletrônica de potência

30 é comandada eletricamente através da unidade eletrônica de controle 20.

Uma característica inovadora da presente invenção refere-se ao fato de que o sistema de controle compreende um controlador de velocidade média e um dispositivo elétrico observador de posição do motor elétrico, ambos implementados através da unidade eletrônica de controle 20.

O controlador de velocidade média é especialmente configurado para monitorar uma velocidade média do motor elétrico 10, enquanto o dispositivo observador de posição é configurado para monitorar e armazenar uma velocidade instantânea V, em cada posição do motor elétrico 10.

Desta maneira, é possível estimar, através de cada posição, uma velocidade instantânea de controle V_c do motor elétrico 10.

Em seguida, a unidade eletrônica de controle 20 é configurada para calcular uma tensão média V_m a partir da velocidade média monitorada, enquanto a unidade eletrônica de potência 30 é configurada para acionar e- letricamente o motor elétrico 10 através de um valor de tensão de controle

Vcontrole-

O dito valor de tensão de controle Vcontroie é calculado através da multiplicação da tensão média V_m pelo resultado da divisão entre a velocidade instantânea de controle V_c e a velocidade média RPM_médio-

Com base no acima exposto, o presente sistema de controle modifica a tensão a ser aplicada ao motor a partir da equação abaixo:

V

γ = y x L£

* ^m RPM_médl0

A correção realizada na tensão aplicada ao motor, de acordo com a forma descrita, consegue ajustar a forma de onda da corrente para que esta seja semelhante à forma de onda da tensão induzida. A Figura 11 (a) apresenta as formas de onda da tensão induzida EA e da tensão aplicada ao motor FA. A amplitude da corrente corrigida IA, mostrada na Figura 11 (b), passa então a ser diretamente proporcional a tensão induzida EA.

Em outras palavras, tem-se que o valor de tensão de controle Vcontroie é calculado de modo a prover um formato de onda de corrente do motor elétrico 10 substancialmente alinhado a um formato de onda da tensão induzida no motor elétrico 10.

Assim, durante o instante de velocidade máxima, destacado nas

Figura 12 (a) e 12 (b), a tensão aplicada FA aplicada sobre o motor é aumentada, proporcionando um aumento da amplitude da corrente IA. Durante o instante de velocidade mínima, destacado nas Figuras 12 (c) e 12 (d), o- corre o fenómeno inverso.

O resultado do ajuste das correntes de fase IA, IB e IC é apresentado na Figura 13. Apesar de parecer estranho, as oscilações ora apresentadas pela corrente são favoráveis a melhoria do fator de potência, pois estão em fase com as mesmas variações apresentadas pela tensão induzida.

Adicionalmente, a presente invenção conta, de modo bastante vantajoso frente às técnicas anteriores, com um sistema de controle anteci- pador, uma vez que a velocidade instantânea V, é uma amostra da volta anterior do motor elétrico 10, de forma que o sistema se antecipe a um comportamento das cargas cíclicas.

Dentro dos ensinamentos da presente invenção é possível portanto, utilizar um observador de velocidade muito simples, com base apenas nos instantes de comutação. Neste tipo de observador de velocidade, a velocidade em cada posição é definida com base no tempo de permanência em cada posição. A saída deste tipo de observador é um sinal amostrado com o valor da velocidade média em cada posição, conforme é mostrado na Figura 14. Desta maneira, o dispositivo observador de posição opera de modo a configurar um observador de velocidade.

O observador de velocidade opera, portanto, como um temporizador configurado para monitorar uma resposta do sensor de posição.

Assim, o valor da velocidade média calculado na presente in- venção é obtido ao final de cada posição, o que implica num atraso de uma posição na leitura da velocidade em cada posição. A Figura 15 mostra a diferença entre a velocidade real e a velocidade medida através dos instantes de comutação. Deste modo, a invenção consegue contornar as limitações impostas por este atraso na medição da velocidade.

Para isso, os ajustes na forma de onda da corrente são baseados nas informações das voltas anteriores, tendo em vista que o padrão da forma de onda do torque, da velocidade e da tensão induzida no motor devem variar pouco de uma volta mecânica para outra na operação com cargas cíclicas. A técnica de controle proposta aproveita esta característica cí- clica da carga para antecipar os ajustes na tensão aplicada ao motor.

Tal controle ocorre como se a técnica proposta antecipasse a carga do motor e conseguisse prever o impacto desta variação sobre o motor. O controlador pode então antecipar os ajustes necessários na tensão aplicada ao motor com base neste comportamento previsto.

A fim de implementar o ajuste no formato de onda da corrente, o sistema de controle monitora e armazena a velocidade instantânea em cada posição do motor, conforme apresentado pelo diagrama de blocos da Figura 16.

Cabe destacar que, o presente sistema de controle é configura- do de modo a aplicar uma tensão constante no motor elétrico 10 durante cada uma das posições de comutação. A tensão aplicada em cada posição do motor elétrico 10 é dada em função das rotações medidas em cada posição. De modo bastante preferível, o sistema ora proposto utiliza um filtro configurado para otimizar a leitura de velocidade do motor elétrico 10. Como já mencionado, a presente invenção é preferencialmente idealizada para um motor elétrico 10 do tipo Brushiess DC, todavia a mesma pode ser aplicada em motores com características similares.

Uma característica adicional da presente invenção leva em conta um método de controle antecipador para motor elétrico 10 aplicado à cargas cíclicas. Tal método compreende as seguintes etapas:

i) calcular uma velocidade média do motor elétrico 10; ii) calcular, através da velocidade média do passo anterior, uma tensão média V_m,

iii) monitorar uma velocidade instantânea V, em cada posição do motor elétrico 10,

iv) armazenar um ou mais valores de velocidade instantânea Vi calculada no passo anterior,

v) estimar, através de cada posição do motor elétrico 10, uma velocidade instantânea de controle V_c do motor elétrico 10, e

vi) acionar elétricamente o motor elétrico (10), através de um valor de tensão de controle Vcontroie, sendo este valor de tensão de controle Vcontroie calculado através da multiplicação da tensão média V_m pelo resultado da divisão entre a velocidade instantânea de controle V_c e a velocidade média.

O aludido método é idealizado de modo a implementar suas etapas através do sistema de controle descrito acima.

Com base no acima exposto, pode-se afirmar que a presente invenção alcança os seus objetivos na medida em que um sistema e um método de controle para motor elétrico 10 são propostos, e capazes de aperfeiçoar o acionamento do dito motor com foco no maior fator de potência da máquina, visando assim uma melhor eficiência no que tange ao consumo de energia elétrica durante o acionamento de cargas cíclicas.

Tendo sido descrito um exemplo de concretização preferido, deve ser entendido que o escopo da presente invenção abrange outras possí- i veis variações, sendo limitado tão somente pelo teor das reivindicações a- penas, aí incluídos os possíveis equivalentes.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Sistema de controle antecipador para motor elétrico aplicado à cargas cíclicas, o sistema de controle compreendendo:

- um motor elétrico (10);

- pelo menos uma unidade eletrônica de controle (20);

- pelo menos uma unidade eletrônica de potência (30);

- o motor elétrico (10) sendo acionado eletricamente através da unidade eletrônica de potência (30);

- a unidade eletrônica de potência (30) sendo comandada eletri- camente através da unidade eletrônica de controle (20),

o sistema sendo caracterizado pelo fato de que compreende um controlador de velocidade média e um dispositivo elétrico observador de posição do motor elétrico, ambos implementados através da unidade eletrônica de controle (20), o controlador de velocidade média sendo configurado para monitorar uma velocidade média do motor elétrico (10), o dispositivo observador de posição sendo configurado para monitorar e armazenar uma velocidade instantânea (Vj) em cada posição do motor elétrico (10) e estimar, através de cada posição, uma velocidade instantânea de controle (V_c) do motor elétrico (10), a unidade eletrônica de controle (20) sendo configu- rada para calcular uma tensão média (V_m) a partir da velocidade média monitorada, a unidade eletrônica de potência (30) sendo configurada para acio- nar eletricamente o motor elétrico (10) através de um valor de tensão de controle (Vcontroie), sendo este valor de tensão de controle (Vcontroie) calculado através da multiplicação da tensão média (V_m) pelo resultado da divisão en- tre a velocidade instantânea de controle (Vc) e a velocidade média.

2. Sistema de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado pelo fato de que o motor elétrico (10) é do tipo Brushless DC.

3. Sistema de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado pelo fato de que a unidade eletrônica de potência (30) compreende um conjunto de chaves eletrônicas de potência (SW2N) configuradas controlar uma tensão em cada fase do motor elétrico (10).

4. Sistema de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado pelo fato de que o valor de tensão de controle (Vcontroie) é calculado de modo a prover um formato de onda de corrente do motor elétrico (10) substancialmente alinhado a um formato de onda da tensão induzida no motor elétrico (10).

5. Sistema de acordo com a reivindicação , caracterizado pelo fato de que a velocidade instantânea (V,) é uma amostra da volta anterior do motor elétrico (10) de forma que o sistema se antecipe a um comportamento das cargas cíclicas.

6. Sistema de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado pelo fato de que o dispositivo observador de posição opera de modo a configurar um observador de velocidade.

7. Sistema de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que o observador de velocidade é um temporizador configurado para monitorar uma resposta do sensor de posição.

8. Sistema de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de ser configurado para aplicar uma tensão constante no motor elétrico (10) durante cada uma das posições de comutação.

9. Sistema de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que a tensão aplicada em cada posição do motor elétrico (10) é dada em função das rotações medidas em cada posição.

10. Sistema de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado pelo fato de que de utilizar um filtro configurado para otimizar a leitura de velocidade do motor elétrico (10).

11. Método de controle antecipador para motor elétrico (10) apli- cado a cargas cíclicas, o método sendo caracterizado pelo fato de que compreende as seguintes etapas:

i) calcular uma velocidade média do motor elétrico (10);

ii) calcular, através da velocidade média do passo anterior, uma tensão média (V_m),

iii) monitorar uma velocidade instantânea (V,) em cada posição do motor elétrico (10),

iv) armazenar um ou mais valores de velocidade instantânea (Vi) calculada no passo anterior,

v) estimar, através de cada posição do motor elétrico (10), uma velocidade instantânea de controle (V_c) do motor elétrico (10),

vi) acionar elétricamente o motor elétrico (10), através de um va- lor de tensão de controle (Vcontroie), sendo este valor de tensão de controle

(Vcontroie) calculado através da multiplicação da tensão média (V_m) pelo resultado da divisão entre a velocidade instantânea de controle (V_c) e a velocidade média.

12. Método de controle antecipador para motor elétrico (10) de acordo com a reivindicação 11 , caracterizado pelo fato de que as etapas são implementadas através do sistema de controle definido nas reivindicações 1 a 10.