ES2244664T3 - Control rapido de la corriente en cargas inductivas. - Google Patents
Control rapido de la corriente en cargas inductivas.Info
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Abstract
Una disposición de circuito para la disipación rápida de la energía magnética almacenada en una carga inductiva (L1) controlada por un primer conmutador (T1) que consta de una vía de disipación de energía por caída de alto voltaje (D2) dispuesta entre dicho primer conmutador (T1) y un segundo conmutador (T2) por el que se puede abrir selectivamente una vía de caída por diodo de voltaje constante (D2) a través de la carga (L1); caracterizado por el hecho de que dicho segundo conmutador (T2) controla normalmente la apertura de varias de dichas vías de caída por diodo de voltaje constante (D1) a través de las respectivas cargas inductivas (L); cada una de estas vías es accionable mediante su respectivo primer conmutador (T1) a través del que está dispuesta la vía respectiva de disipación de energía por caída de alto voltaje (D2).
Description
Control rápido de la corriente en cargas
inductivas.
La presente invención se refiere al control
rápido de la corriente en cargas eléctricas inductivas, como
solenoides, particularmente, aunque no exclusivamente, en sistemas
de control electrónico para automóviles.
Las cargas inductivas, como las bobinas de
solenoide, se controlan normalmente por medio de un conmutador (por
ejemplo, un transistor de conmutación) conectado en serie con la
carga a través de una fuente de voltaje. En aplicaciones para la
automoción, un lado de la carga (llamado "lado inferior") se
conecta normalmente a tierra/chasis y el otro lado (llamado "lado
superior") se conecta al lado de no-tierra de la
fuente de voltaje. Con el propósito del controlar/monitorizar la
corriente que pasa por la carga, se coloca un elemento sensor (un
resistor, por ejemplo) en serie con la carga y se mide la caída de
voltaje a través del resistor.
La tecnología tradicional usaba con frecuencia
sensores de corriente colocados cerca del transistor que acciona la
carga, de manera que el control de la corriente sólo estaba
disponible si el excitador estaba activado. Cuando se necesitaba
utilizar el nivel de la corriente monitorizada para controlar el
transistor de conmutación, esta disposición ofrecía,
consecuentemente, un control deficiente.
Algunas disposiciones conocidas han hecho uso del
control de la carga del lado superior mediante dispositivos MOSFET
de canal P, pero éstos son relativamente caros.
Como es bien conocido, la corriente en una carga
inductiva decae con el tiempo cuando se retira la fuente de voltaje
y se debe proporcionar un circuito especial para eliminar esta
corriente. La práctica convencional es lograrlo mediante la
provisión de un diodo de recirculación dispuesto en paralelo con la
carga que se activa automáticamente para proveer a la corriente una
vía de regreso a la fuente. Sin embargo, la velocidad a la que un
diodo dispuesto a través de la carga de esta manera puede disipar la
corriente de recirculación es relativamente baja y, por
consiguiente, la corriente en la carga disminuye sólo de forma lenta
(véase la curva X en la Fig. 3 de los dibujos adjuntos).
Los medios que se conocen para lograr un control
más rápido del corte de la corriente en cargas inductivas han usado,
por lo general, dos dispositivos MOSFET por canal, con el costo
correspondiente.
La EP-A-1045 501
da a conocer un circuito de mando para una carga inductiva, en
particular un motor eléctrico de CC, que incluye un transistor de
conmutación MOSFET en serie con un motor de CC a través de una
fuente de alimentación de CC. El transistor tiene un diodo
intrínseco (interno) dispuesto entre sus terminales drenador y
fuente. Junto con el motor en paralelo hay una vía protectora
utilizable que contiene un diodo y otro transistor MOSFET.
La JP-A-11 308
780 da a conocer un circuito de control de la carga eléctrica para
vehículos. El circuito incluye una bobina dispuesta entre la fuente
de alimentación y la masa. Se inserta un transistor de efecto de
campo entre la bobina y la masa y se dispone en paralelo con un
diodo parásito, que permite que la corriente fluya únicamente en una
dirección, de la masa a la fuente de alimentación. Una unidad con
microprocesador acciona el transistor de efecto de campo por control
PWM (modulación por ancho de pulso). Se coloca un diodo volante
entre un punto situado entre el lado de aguas abajo de la bobina y
el transistor de efecto de campo y el lado de aguas arriba de la
bobina. Este diodo permite que la corriente fluya sólo en una
dirección, del lado de aguas abajo al lado de aguas arriba de la
bobina. Se coloca un transistor que impide las conexiones invertidas
entre el diodo volante y la fuente de alimentación que se acciona
por la diferencia de voltaje entre la masa y el diodo volante.
La US-A-5 012 381
da a conocer un circuito excitador de carga con protección contra
inversión de polaridad de la batería que incluye un transistor FET
de conmutación en serie con un motor a través de una fuente de
alimentación de CC. El transistor de conmutación contiene un diodo
intrínseco (interno) dispuesto entre sus terminales drenador y
fuente. Hay una vía utilizable dispuesta a través del motor que
incluye un segundo transistor FET de conmutación individual en serie
con un diodo.
De acuerdo con la presente invención, la rápida
disipación de la energía magnética almacenada en una carga inductiva
controlada por un primer conmutador es posible mediante la provisión
de un circuito de disipación de energía por caída de alto voltaje
entre dicho primer conmutador y un segundo conmutador por el que se
puede abrir selectivamente una vía de caída por diodo de voltaje
constante a través de la carga; dicho segundo conmutador controla
normalmente la apertura de varias de dichas vías de caída por diodo
de voltaje constante a través de las respectivas cargas inductivas;
cada una de estas vías es accionable por su respectivo primer
conmutador a través del que se dispone la vía respectiva de
disipación de energía por caída de alto voltaje.
En una realización preferida, cada uno de estos
primeros conmutadores comprende un transistor de conmutación y dicho
circuito de disipación de energía por caída de alto voltaje
comprende un diodo regulador del voltaje (por ejemplo, un diodo
Zener) en paralelo con la vía de conmutación de dicho transistor de
conmutación.
De forma ventajosa, cada uno de los mencionados
transistores de conmutación es un transistor de efecto de campo
(por ejemplo, un transistor MOSFET), y el diodo regulador de
voltaje se conecta entre sus terminales fuente y drenador.
En otra realización, cada uno de los mencionados
transistores de conmutación es un transistor de efecto de campo (por
ejemplo, un transistor MOSFET), y el diodo regulador de voltaje se
conecta, en serie con un primer diodo, entre sus terminales drenador
y puerta.
El segundo conmutador puede, por ejemplo, estar
compuesto de un transistor MOSFET en serie con una pluralidad de
segundos diodos a través de las combinaciones en serie de la
pluralidad de cargas inductivas y elementos sensores de corriente
asociados.
Se puede conseguir toda una serie de otras
características ventajosas usando un circuito dispuesto de acuerdo
con lo especificado en la presente invención:
(a) Control de corriente con sincronizado en
fase. Se permite una pequeña cantidad de ondulación en la señal de
demanda entrante, lo que hace que el bucle de control sincronice su
ondulación de control con la de una señal PMW entrante. Esto permite
que el bucle de control de la corriente externa tenga relaciones de
fase controladas por software entre los canales.
(b) Control de corriente con sincronizado de
frecuencia. Se permite una pequeña cantidad de ondulación en la
señal de demanda entrante, lo que hace que el bucle de control
sincronice su ondulación de control con la de la señal PMW entrante.
Esto permite que el bucle de control de la corriente externa tenga
una frecuencia de ondulación controlada por software.
(c) Control escalonado de fase. La fase de los
canales de control de corriente individuales está bajo el control de
software. Gracias al control por software, las fases de los canales
de control pueden escalonarse. Esto permite que la parte activada de
los ciclos de control sea distribuida uniformemente en el tiempo.
Por consiguiente, la demanda total de corriente del circuito se
distribuye de forma más uniforme. Se reducen las demandas de
corriente de alta frecuencia del circuito y se aumenta la
frecuencia. La reducción de los picos y la mayor frecuencia global
permite un filtrado más fácil y la reducción de emisiones
electromagnéticas, sin gasto adicional en equipo.
(d) Control de espectro extendido. La frecuencia
de los canales de control de corriente está bajo el control de
software. Gracias al control por software, se pueden cambiar las
frecuencias de los canales de control dinámicamente en el tiempo.
Las emisiones electromagnéticas del circuito de control de corriente
están compuestas principalmente de armónicos de la frecuencia de
control. Cambiando dinámicamente la frecuencia de control, todas las
emisiones resultantes se modulan en un ancho de banda más amplio.
Esto reduce la energía de los picos de las emisiones en un ancho de
banda de medida establecida, sin gasto adicional en equipo.
En adelante se sigue describiendo la invención, a
modo de ejemplo solamente, y con referencia a los dibujos adjuntos,
donde:
La Fig. 1 es el diagrama básico de un circuito de
una disposición en conmutación conocida para el control y la
monitorización de la corriente que pasa a través de una carga
inductiva;
La Fig. 2 es el diagrama básico de un circuito de
una realización de una disposición para el control y la
monitorización de la corriente que pasa a través de una carga
inductiva;
La Fig. 3 muestra las curvas de respuesta típicas
que ilustran la disipación de corriente de recirculación en un
sistema conocido y en un sistema con arreglo a esta invención;
La Fig. 4 es el diagrama del circuito de una
posible modificación del circuito de la Fig. 2.
La Fig. 5 es un diagrama básico de un circuito de
una disposición en conmutación con múltiples solenoides incorporando
la presente invención; y
La Fig. 6 muestra un sistema electrohidráulico de
frenos (EHB) al que se le puede aplicar la presente invención.
Haciendo referencia en primer lugar a la Fig. 1,
se muestra el circuito básico de una disposición típica conocida
para el control/monitorización de la corriente I_{L}que pasa por
una carga inductiva L_{1} como, por ejemplo, la bobina de una
válvula accionada por solenoide. Se deja pasar o se cierra la
corriente que pasa por la bobina L_{1} por medio de un transistor
MOSFET T_{1} accionado por un controlador C_{1} en relación con
una señal de demanda D. La monitorización de la corriente I_{L}
tiene lugar por la detección de una caída de voltaje a través del
resistor R_{1}, dispuesto en serie con la bobina L_{1}, usando
un amplificador diferencial A_{1}que está conectado al controlador
C_{1} para constituir un bucle de control analógico. Se conecta un
diodo de recirculación D_{1} en paralelo con la conexión en serie
del resistor R_{1} y la carga L_{1}. Al usar esta disposición de
circuito, cuando se cierra el transistor MOSFET T_{1}, la energía
almacenada en la bobina resulta en un flujo de corriente que se
disipa en la caída de voltaje a través del diodo de recirculación
D_{1}. Sin embargo, tal y como se ha mencionado anteriormente, la
velocidad de disipación de esta corriente lograda mediante el diodo
D_{1} es relativamente lenta y sigue normalmente el patrón
definido por la curva X en la Fig. 3.
Se hace referencia ahora a la Fig. 2 que muestra
una realización de una disposición de circuito con arreglo a la
presente invención, en donde se les asigna a los componentes con la
misma función las mismas referencias numéricas que las usadas en la
Fig. 1.
En este caso, se incluye un transistor de
conmutación MOSFET T_{2} dispuesto en serie con el diodo de
recirculación D_{1} para posibilitar la conducción de una vía de
recirculación a través de D_{1} que sea controlada por la unidad
de control electrónico (ECU) a través del correspondiente
amplificador A_{2}. De esta manera, cuando el conmutador T_{2}
está cerrado, el diodo D_{1} proporciona una vía de recirculación
por caída de voltaje constante de la forma normal. Sin embargo,
cuando el conmutador T_{2} forma un circuito abierto, entonces se
rompe la vía de recirculación normal. Puede hacerse que esto ocurra,
por ejemplo, cuando se detecta a través de la R_{1} que la
corriente I_{L} en la carga L_{1}es demasiado alta (por encima
de un umbral predeterminado). En este caso, las corrientes de
recirculación que disipan la energía de la carga L_{1} se conducen
a masa a través de un disipador de energía por caída de alto
voltaje, por ejemplo, un diodo Zener D_{2} dispuesto a través del
transistor MOSFET T_{1}. Esto permite que pueda disiparse la
energía magnética de la carga almacenada en la carga inductiva
L_{1} a una velocidad mucho mayor que usando el diodo D_{1} de
caída por voltaje constante, pudiéndose obtener una curva Y como la
que se muestra en la Fig. 3.
La Fig. 4 muestra una disposición alternativa del
diodo Zener D_{2} de la Fig. 2 en donde la combinación en serie
del diodo Zener D_{2} y el diodo D_{4} se dispone a través de
los terminales drenador y puerta del transistor MOSFET T_{1}. Se
puede conseguir una curva Y característica similar mediante esta
disposición.
De esta manera, el presente circuito proporciona
los medios por los que, en el caso de corrientes inducidas altas en
la carga accionada, se puede reemplazar el diodo D_{1} de caída de
voltaje constante por la disposición del diodo Zener D_{2} de
caída de alto voltaje mediante la apertura del conmutador
T_{2}.
Una ventaja particular de esta disposición es que
se puede utilizar el mismo conmutador de recirculación individual
T_{2} para una pluralidad de solenoides al mismo tiempo, como se
muestra, por ejemplo, en la Fig. 5. La Fig. 5 muestra una segunda
carga L_{1}', que pueda activarse/desactivarse a través de un
segundo transistor MOSFET T_{1}', y cuya corriente puede
monitorizarse por medio de un sensor de corriente R_{1}' y
conectarse a través de un bucle de control analógico a su propio
controlador C_{1}' que recibe una demanda de entrada de la unidad
de control electrónico (ECU) común. Se apreciará que ambos diodos de
recirculación D_{1} y D_{1}' contenidos en este circuito están
conectados a una fuente de voltaje U_{b}por medio del mismo
conmutador MOSFET individual T_{2}. Esto permite que se pueda
añadir la ventajosa disposición mostrada en la Fig. 2 de forma
económica a excitadores de carga existentes con un excitador T_{1}
por canal más sólo un conmutador almacenado T_{2}. Esto es posible
porque, desde el punto de vista de los canales que no necesitan en
ese momento que la corriente decaiga rápidamente, no importa que la
vía de recirculación a través de T_{2} se pierda temporalmente,
por ejemplo, por una apertura con pulso de 1 ms de T_{2}, para
permitir que la corriente de un canal que sí lo necesita decaiga
rápidamente a través de D_{2}.
La Fig. 6 muestra un sistema electrohidráulico de
frenos (EHB) típico al que se le puede aplicar la presente
invención. En el sistema electrohidráulico de frenos de la Fig. 6,
las señales de demanda de los frenos se generan electrónicamente a
través de un sensor de recorrido 10 como respuesta al movimiento
ejercido en un pedal de freno 12; estas señales se procesan en una
unidad de control electrónico (ECU) 14 para controlar el
funcionamiento de los excitadores de los frenos 16a y 16b en las
ruedas delanteras y traseras respectivamente de un vehículo a través
de los pares de válvulas 18a, 18b y 18c, 18d. Estas últimas válvulas
se accionan opuestamente para proveer el control proporcional sobre
el fluido excitador de los excitadores de los frenos 16 desde un
acumulador de suministro de fluido a presión 20, mantenido desde un
tanque 22 a través de una bomba accionada por motor 24 mediante una
válvula del acumulador controlada por solenoide. Para uso, por
ejemplo, en condiciones de emergencia en las que el control
electrónico de los excitadores de los frenos no funcione por
cualquier motivo, el sistema incluye un cilindro principal 28
conectado mecánicamente al pedal de freno 12 a través del que se
puede suministrar fluido directamente a los excitadores de los
frenos delanteros 16a en una condición de "servofreno". En esta
condición de servofreno, se establece una conexión de fluido entre
los excitadores de los frenos delanteros 16a y el cilindro 28
mediante válvulas accionadas por solenoide de funcionamiento
digital, 30a y 30b. El sistema también incluye válvulas de
funcionamiento digital 32 y 34 que se conectan respectivamente con
los dos pares de válvulas 18a, 18b, y los dos pares de válvulas 18c,
18d.
El sistema de la presente invención para hacer
posible una conmutación rápida puede aplicarse a cualquiera de los
solenoides de la disposición de la Fig. 6. De forma ventajosa,
cuando los grupos de solenoides estén bajo el control de una única
unidad de control electrónico (ECU) como en los casos de las
válvulas de solenoide 18a-18d, 26, 32, 34 y 30a, 30b
de la Fig. 6 (o subgrupos de las mismas), la disposición presentada
en la Fig. 5 puede resultar ventajosa donde un único diodo de
recirculación T_{2} conmutado es compartido por todos los
solenoides en el grupo o sub-grupo.
Claims (5)
1. Una disposición de circuito para la disipación
rápida de la energía magnética almacenada en una carga inductiva
(L_{1}) controlada por un primer conmutador (T_{1}) que consta
de una vía de disipación de energía por caída de alto voltaje
(D_{2}) dispuesta entre dicho primer conmutador (T_{1}) y un
segundo conmutador (T_{2}) por el que se puede abrir
selectivamente una vía de caída por diodo de voltaje constante
(D_{2}) a través de la carga (L_{1}); caracterizado por
el hecho de que dicho segundo conmutador (T_{2}) controla
normalmente la apertura de varias de dichas vías de caída por diodo
de voltaje constante (D_{1}) a través de las respectivas cargas
inductivas (L); cada una de estas vías es accionable mediante su
respectivo primer conmutador (T_{1}) a través del que está
dispuesta la vía respectiva de disipación de energía por caída de
alto voltaje (D_{2}).
2. Una disposición de circuito como la
reivindicada en la reivindicación 1 en donde cada uno de los
mencionados primeros conmutadores consta de un transistor de
conmutación (T_{1}) y la mencionada vía de disipación de energía
por caída de voltaje alto consta de un diodo regulador del voltaje
(D_{2}) en paralelo con la vía de conmutación de dicho transistor
de conmutación (T_{1}).
3. Una disposición de circuito como la
reivindicada en la reivindicación 2 en donde cada uno de los
transistores de conmutación mencionados (T) es un transistor de
efecto de campo y el diodo regulador de voltaje (D_{2}) está
conectado entre sus terminales fuente y drenador.
4. Una disposición de circuito como la
reivindicada en la reivindicación 2, en donde cada uno de los
transistores de conmutación mencionados (T_{1}) es un transistor
de efecto de campo y el diodo regulador de voltaje (D_{2}) está
conectado, en serie con un primer diodo (D_{4}), entre los
terminales drenador y puerta.
5. Una disposición de circuito como la
reivindicada en cualquiera de las reivindicaciones de 1 a 4, en
donde el mencionado segundo conmutador (T_{2}) consta de un
transistor de efecto de campo en serie con una pluralidad de
segundos diodos (D_{1}) a través de combinaciones en serie de la
pluralidad de cargas inductivas (L) y los elementos sensores de
corriente asociados (R).
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