ES2286463T3 - Control de motor sin escobillas que utiliza parametros de fase independientes. - Google Patents
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Abstract
Sistema de control para un motor de imán permanente multifase (10) que presenta una pluralidad de componentes de fase de estátor y de un rotor (20), comprendiendo cada componente de fase de estátor un devanado de fase (34) formado en un elemento de núcleo (32), comprendiendo dicho sistema: una pluralidad de conmutadores que se pueden controlar (42), estando cada devanado de fase (34) conectado respectivamente a uno o más conmutadores (42) y a una fuente de energía (40) para la excitación selectiva del devanado de fase (34); y un controlador (44) que presenta almacenada en el mismo una pluralidad de parámetros de control que comprende por lo menos un conjunto de parámetros de control, estando cada conjunto determinado específicamente para un componente de fase del estátor respectivo basado en sus características físicas; un detector de corriente respectivo (48) acoplado a cada devanado de fase y adaptado para proporcionar una entrada al controlador relacionado con la corriente (li(t)) en eldevanado de fase respectivo detectado durante el funcionamiento del motor, y en el que cada devanado de fase (34) está excitado en respuesta a una expresión de control de voltaje por fase (Vi(t)) generado por el controlador (44), y el controlador (44) genera dicha expresión de control de voltaje por fase (Vi(t)) sucesivamente en tiempo real, de acuerdo con el conjunto de parámetros de control, caracterizado porque dicha expresión de control de voltaje por fase comprende por lo menos una entrada de orden de par y un componente proporcional a la corriente (li(t)) detectado en tiempo real que está asociado con el componente de fase del estátor para el devanado de fase (34) excitado, en el que dicho conjunto de parámetros de control comprende: - un coeficiente de transmisión de par dependiente de la fase; y - un coeficiente de fcem dependiente de la fase asociado con cada fase del estátor.
Description
Control de motor sin escobillas que utiliza
parámetros de fase independientes.
La presente invención se refiere a motores
eléctricos giratorios, más particularmente al control preciso de
motores de imán permanente sin escobillas.
El desarrollo de accionamientos de motor
eléctrico eficientes para vehículos, como una alternativa viable a
los motores de combustión presenta muchos retos. La excitación por
pulsos controlada electrónicamente de los devanados de los motores
ofrece la perspectiva de una gestión más flexible de las
características del motor. Controlando la anchura del pulso, el
ciclo de trabajo y la aplicación conmutada de una fuente de batería
a los devanados del estátor adecuados, se puede conseguir una
versatilidad funcional, que virtualmente es indistinguible del
funcionamiento de un motor síncrono por corriente alterna. El uso de
imanes permanentes en conjunción con dichos devanados resulta
ventajoso para limitar el consumo de corriente.
En un entorno de conducción de un vehículo,
resultaría deseable conseguir un funcionamiento suave en una amplia
gama de velocidades, al mismo tiempo que se mantiene una capacidad
de salida del par elevada con un consumo de energía mínimo. Las
disposiciones estructurales del motor descritas en las solicitudes
en trámite contribuyen a dichos objetivos. Los segmentos de núcleo
de electroimán se pueden configurar como estructuras aisladas
permeables magnéticamente en un anillo anular para proporcionar una
mayor concentración de flujo. El aislamiento de los segmentos de
electroimán del núcleo permite la concentración individual de flujo
en los núcleos magnéticos, con una pérdida de flujo o unos efectos
de interferencia de transformador perjudiciales mínimos con otros
elementos de
electroimán.
electroimán.
El rendimiento controlado con precisión en las
aplicaciones de motor sin escobillas implica la fusión de la
compensación adelantada no lineal acoplada con elementos de
retroalimentación. Sin embargo, las expresiones de compensación
adelantada típicamente confían en gran medida en varios parámetros
del circuito, como la resistencia de fase, la autoinducción de
fase, y similares, que se muestran de manera ilustrativa en el
diagrama de circuito equivalente para una fase de motor individual
en la Figura 1. V_{i}(t) indica la entrada de voltaje por
fase, R_{i} indica la resistencia del devanado por fase, y L_{i}
representa la autoinducción por fase. E_{i}(t) representa
el voltaje fcem del motor por fase y se puede aproximar mediante la
expresión siguiente:
E_{i} =
(k_{ei}\omega)\ sen\
(N_{r}\theta_{i})
en la que k_{ei} indica el
coeficiente de voltaje de fcem, \omega(t) representa la
velocidad del rotor, N_{r} indica el número de pares de imanes
permanentes, y \theta_{i}(t) representa el desplazamiento
relativo entre la fase i^{a} de devanado y una posición de
referencia del
rotor.
Debido al fenómeno afectado por las tolerancias
mecánicas/de fabricación, así como a otras características
estructurales, cada fase del motor mostrará una gama de valores para
cada elemento del circuito interno. Los factores que pueden afectar
a las magnitudes de los parámetros del circuito incluyen: la
transmisión del flujo neta del núcleo de electroimán; las
fluctuaciones en la inductancia del núcleo con respecto al circuito
eléctrico; las variaciones en la resistencia del devanado de la
fase debidas a los cambios en las tolerancias de fabricación como
en la zona de sección transversal y la tensión de devanado; las
variaciones en la permeabilidad del núcleo (con respecto al grado y
al historial del procedimiento y acabado del material); la técnica
de devanado de fase (devanado uniforme o aleatorio) o la calidad de
construcción de las bobinas en cada núcleo del estátor; la posición
del electroimán y la interacción del imán permanente (es decir, la
permeancia del circuito magnético); las variaciones en la densidad
del flujo de la holgura de aire, que depende del submontaje del imán
del rotor del imán permanente; la densidad del flujo magnético
residual; la desviación del campo magnético debido a los campos
magnéticos exteriores; la forma del cable de la bobina (rectangular,
circular o helicoidal); el factor de devanado conseguido en la
bobina; las tolerancias de fabricación conseguidas en la geometría
del núcleo que podrían alterar la tolerancia en sección transversal
del núcleo; la longitud efectiva sobre la que se devana la
bobina.
Típicamente, las estrategias para controlar el
motor incorporan uniformidad de valores de parámetros sobre la
totalidad del motor. Se toma un valor de parámetro promedio para
representar la totalidad de los elementos correspondientes del
circuito del motor. Esta aproximación de parámetro concentrado
conduce a menudo a la degradación en el rendimiento del seguimiento
debido a la sobre/subcompensación de la estrategia de control
debido al desequilibrio del valor de parámetro dentro de las rutinas
de compensación de fase individuales. Dichos parámetros asumidos
son propensos a discrepancias incluso mayores con las estructuras
del estátor configuradas como componentes del núcleo aislados
ferromagnéticos autónomos. Así, existe la necesidad de una
compensación de parámetro del circuito individualizada que tenga en
cuenta las variaciones de parámetro en los devanados de fase
separada y en las estructuras de componente de fase de estátor.
El documento
DE-A-195 03 492 da a conocer un
sistema de control según el preámbulo de la reivindicación 1.
De acuerdo con un aspecto de la invención, está
previsto un sistema de control tal como se describe en la
reivindicación 1. Según otro aspecto de la invención, está previsto
un procedimiento para controlar un motor según la reivindicación 8
de método independiente.
La presente invención cumple la necesidad
mencionada anteriormente, al mismo tiempo que mantiene los
beneficios de las configuraciones de elemento de núcleo del estátor
individual aisladas ferromagnéticamente. La capacidad de la
presente invención para poner en práctica una estrategia de control
que compense para elementos del circuito de fase individual permite
un mayor grado de control de la precisión que se pueda controlar,
dado que cada bucle de control de fase concuerda estrechamente con
su devanado y estructura correspondientes. Esta habilidad se
consigue, por lo menos en parte, estableciendo en un sistema de
control para un motor de múltiples fases uno o más conjuntos de
parámetros, estando los parámetros de cada uno de los conjuntos en
concordancia específicamente con las características de una fase de
estátor respectiva. La conmutación de energía sucesiva de cada
devanado de fase está controlada por medio de un controlador que
genera una expresión de control de voltaje por fase de acuerdo con
los parámetros asociados al componente de la fase del estátor para
el devanado de fase excitado. Dicho control proporciona ventajas
con motores de una variedad de construcciones y se puede aplicar a
un motor en el que cada uno de los componentes de la fase del
estátor comprenda un electroimán de estátor aislado
ferromagnéticamente, estando dichos elementos de núcleo de
electroimán separados del contacto directo entre sí y formados con
devanados de fase
separados.
separados.
Se podría utilizar un procesador de señal
digital que aplique un algoritmo que incorpore los parámetros como
valores constantes, accediéndose a los parámetros para una fase en
particular con el fin de generar las señales de control adecuadas
para excitar dicha fase. Otros parámetros son variables dependiendo
de los estados seleccionados del sistema, como la posición, la
temperatura y otras condiciones exteriores. El controlador está
provisto de un bucle separado para cada fase, ejecutando cada uno
de dichos bucles un algoritmo de control que contiene los
parámetros para la fase respectiva. Los algoritmos contienen
componentes basados en la corriente detectada en cada fase, la
posición detectada y la velocidad del rotor, las condiciones
detectadas recibidas como señales de entrada para el
controlador.
La presente invención resulta particularmente
ventajosa en aplicaciones en las que el motor está destinado a
seguir una entrada variable iniciada por el usuario, como el
funcionamiento de vehículo eléctrico. En respuesta a las señales de
entrada de orden de par, el controlador selecciona las trayectorias
de corriente deseadas por fase de acuerdo con una expresión que
incluye los parámetros específicos para cada fase.
Para los expertos en la materia, se pondrán
claramente de manifiesto las ventajas adicionales de la presente
invención, a partir de la descripción detallada siguiente, en la que
únicamente se muestra y describe la forma de realización preferida
de la invención, únicamente a título de ilustración de la mejor
manera contemplada para llevar a cabo la invención. Tal como se
realizará, la invención puede presentar otras y diferentes formas
de realización, y sus distintos detalles permiten modificaciones en
varios aspectos obvios, todas ellas sin apartarse de la invención
tal como se define en las reivindicaciones adjuntas. De acuerdo con
ello, se deberán apreciar los dibujos y la descripción a título
ilustrativo y no limitativo.
La presente invención se ilustra a título de
ejemplo no limitativo, en las figuras de los dibujos adjuntos,
cuyas referencias iguales se refieren a elementos similares, y en
los que:
La Figura 1 es un diagrama de circuito
equivalente para una fase de motor individual.
La Figura 2 es un diagrama de bloques de un
sistema de control de motor según la presente invención.
La Figura 3 es un diagrama de circuito parcial
de un conjunto de conmutador y controlador para el devanado de un
segmento de núcleo de estátor individual de un motor controlado por
el sistema de la Figura 2.
La Figura 4 es un dibujo en sección en tres
dimensiones de la estructura del motor adecuada para su uso en el
sistema de control de la Figura 2.
La Figura 5 es un diagrama de bloques que
ilustra la metodología del controlador del par para su uso en el
sistema de control de la Figura 2.
La Figura 6 es un diagrama de bloques parcial
que ilustra una variación de la metodología del controlador de la
Figura 5.
La Figura 2 es un diagrama de bloques de un
sistema de control del motor según la presente invención. El motor
multifase 10 comprende el rotor 20 y el estátor 30. Dicho estátor
presenta una pluralidad de devanados de fase que conmutan su
excitación dirigiendo la corriente suministrada de la fuente de
energía a-c 40 a través de conjuntos de conmutación
electrónicos 42. Los conjuntos de conmutación están acoplados al
controlador 44 mediante controladores de puerta 46. El controlador
44 está provisto de una o más entradas de usuario y de una
pluralidad de entradas para las condiciones del motor detectadas
durante el funcionamiento. La corriente en cada fase de devanado se
detecta por medio de un detector de una pluralidad de detectores de
corriente 48 cuyas salidas se proporcionan al controlador 44. El
controlador puede disponer de una pluralidad de entradas para este
fin o, en de forma alternativa, se pueden multiplexar señales
procedentes de detectores de corriente y conectarlas a una entrada
de controlador único. El detector de posición del rotor 46 se
conecta a otra entrada del controlador 44 para proporcionar señales
de posición al mismo. La salida del detector de posición también se
aplica al aproximador de velocidad 50, que convierte las señales de
posición en señales de velocidad que se aplicarán a otra entrada
del controlador 44.
El controlador de secuencia puede comprender un
microprocesador o microcontrolador equivalente, como por ejemplo un
procesador de señal digital de Texas Instrument TMS320LF2407APG. Los
conjuntos de conmutación pueden comprender una pluralidad de MOSFET
H-Bridges, como el rectificador Internacional
IRFIZ48N-ND. El controlador de puerta puede
comprender el Intersil MOSFET gate driver HIP4082IB. El detector de
posición puede comprender cualquier medio de detección, como los
dispositivos de efecto Hall (Allegro Microsystems 92B5308),
detectores gigantes magnetorresistivos (GMR), detectores giratorios
capacitivos, conmutadores reed, detectores de cable por pulsos
incluyendo detectores amorfos, dispositivos de resolución,
detectores ópticos y similares. Se pueden utilizar los detectores
de corriente de efecto Hall, como el F.W. Bell
SM-15, para los detectores de corriente 48. El
detector de velocidad 50 proporciona una aproximación de la derivada
del tiempo de las señales de posición detectadas.
La Figura 3 es un diagrama de circuito parcial
de un conjunto de conmutación y un controlador para un devanado de
segmento de núcleo de estátor individual. El devanado de fase de
estátor 34 se conecta en un circuito puente de cuatro FET. Se
deberá apreciar que se puede utilizar cualquiera de los distintos
elementos de conmutación electrónicos conocidos para dirigir la
corriente de accionamiento en la dirección adecuada al devanado del
estátor 34, como por ejemplo los transistores bipolares. El FET 53 y
el FET 55 están conectados en serie a través de la fuente de
energía, al igual que el FET 54 y el FET 56. El devanado del estátor
34 está conectado entre los nodos de conexión de los dos circuitos
en serie FET. El controlador de puerta 46 es responsable del
control de las señales recibidas del controlador de secuencia 44
para aplicar las señales de activación a los terminales de puerta
de los FET. Los FET 53 y 56 se activan al mismo tiempo para el flujo
de corriente de motor en una dirección. Para el flujo de corriente
en la dirección inversa, se activan al mismo tiempo los FET 54 y
55. El controlador de puerta 46 alternativamente puede estar
integrado en el controlador de secuencia 44.
El motor según la presente invención es adecuado
para su uso en el accionamiento de una rueda de un vehículo
automóvil, motocicleta, bicicleta, o similares. La Figura 4 es un
dibujo en sección de la estructura de motor que se puede alojar en
una rueda de un vehículo, el estátor montado de forma rígida a un
eje estacionario y rodeado por un rotor para el accionamiento de la
rueda. El motor 10 comprende un rotor de imán permanente anular 20
separado del estátor por medio de una holgura de aire radial. El
rotor y el estátor están configurados coaxialmente con respecto a
un eje de giro, que está centrado en el eje estacionario. El estátor
comprende una pluralidad de elementos aislados ferromagnéticamente
o grupos de estátor. Los segmentos de núcleo 32, realizados en
material magnéticamente permeable separados del contacto directo
entre sí, están provistos de partes de devanado respectivas 34
formadas en cada polo. En este ejemplo, se muestran siete grupos de
estátor, estando cada uno de dichos grupos provisto de dos polos de
electroimán salientes dispuestos de forma circular a lo largo de la
holgura de aire. El rotor comprende una pluralidad de imanes
permanentes 22 distribuidos en forma circular en la holgura de aire
y fijados a una placa posterior anular 24. Se hace referencia a la
solicitud de Maslov et al. 09/966,102, mencionada
anteriormente, para una explicación más detallada de un motor con
esta construcción. Sin embargo, se deberá apreciar que el contexto
del vehículo es únicamente a título de ejemplo de una multitud de
aplicaciones específicas en las que se puede utilizar el motor según
la presente invención. Los conceptos de la invención, que se
describirán con mayor detalle a continuación, también se pueden
aplicar a otras estructuras de motor con imán permanente, que
incluyen un núcleo unitario de estátor que soporta la totalidad de
los devanados de fase.
En el ejemplo de aplicación de accionamiento de
vehículo, una de las entradas de usuario al controlador representa
el par requerido indicado por la orden de aceleración del usuario.
Un incremento en la aceleración es indicativo de una orden para
incrementar la velocidad, que se realiza mediante un incremento del
par. Otra señal externa al procesador controlador puede incluir una
señal de frenado que se genere cuando el conductor accione un pedal
o palanca de frenado. El procesador puede responder desactivando
inmediatamente el accionamiento del motor o, en su lugar, variando
el control de accionamiento para reducir el par y la velocidad. Se
puede aplicar una señal de desactivación exterior separada para
responder inmediatamente a la orden del conductor.
La funcionalidad de seguimiento del par del
sistema de control debería mantener el funcionamiento de estado
permanente para una orden de entrada constante en condiciones
externas variables, como cambios en las condiciones de conducción,
gradiente de carga, terreno, etc. El sistema de control debería dar
respuesta a la entrada de aceleración del conductor para adecuar
suavemente y con precisión los cambios en las órdenes de par. La
Figura 5 es un diagrama de bloques que ilustra la metodología del
controlador de par utilizando expresiones de compensación
adelantada que tienen en cuenta las condiciones de funcionamiento
del motor detectadas, así como los valores de parámetros de
circuito individual para obtener dichos objetivos. Para el
seguimiento del par con precisión, se seleccionan las trayectorias
de corriente deseadas por fase, de acuerdo con la expresión
siguiente:
I_{di} =
\frac{2\tau_{d}}{NsK\tau i}\ sen(N_{r}
\theta_{1})
en la que I_{di} indica la
trayectoria de corriente deseada por fase, \tau_{d} indica la
orden de par requerida por el usuario, N_{s} representa el número
total de devanados de fase, K\tau_{i} representa un
coeficiente de transmisión de par por fase y \theta_{i},
representa el desplazamiento de posición relativo entre la fase de
devanado I^{a} y un punto de referencia del rotor. La magnitud de
corriente por fase depende del valor por fase del coeficiente de
transmisión del par K_{\tau
i}.
Con el fin de desarrollar las corrientes de fase
deseadas, se aplica la siguiente expresión de control de voltaje
por fase al controlador para los devanados de fase:
V_{i}(t)=
L_{i}dI_{di}/dt + R_{i}I_{i} + E_{i} +
\kappa_{s}ei
la Figura 5 representa la
metodología, indicada generalmente con la referencia 60, mediante la
que el controlador deriva los componentes de esta expresión de
control de voltaje en tiempo real, utilizando la entrada de orden
de par y las señales recibidas de los detectores de corriente de
fase, el detector de posición y el detector de velocidad. La orden
de par _{\tau d}(t) de usuario exterior requerida
(deseada), sensible a la aceleración, se introduce en el bloque de
función del controlador 62 y la posición del rotor \theta se
introduce en el bloque de función del controlador 64. El bloque 64
produce una salida que representa un ángulo de excitación
\theta_{i}(t) basado en la posición del rotor, el número
de pares de polo magnético permanente (N_{r}), el número de fases
del estátor (N_{s}), y el retraso de la fase de la fase en
concreto. La salida del bloque de función de controlador 64 se
alimenta al bloque de función de controlador 62. Utilizando la
entrada de ángulo de excitación recibida de este modo, el bloque de
función del controlador 62 determina, de acuerdo con la expresión
anterior, cómo se distribuyen las corrientes de fase entre las fases
N_{s} de manera que el par solicitado por el usuario
\tau_{d}(t) se realice por el motor. El bloque de función
de controlador 66 calcula la diferencia entre la corriente de fase
deseada I_{dt}(t)recibida del bloque 62 y la
corriente de fase I_{i}(t) detectada para dar salida a una
señal de error de seguimiento de corriente de fase
e_{i}(t). Esta señal de error se multiplica por el factor
de ganancia ks en el bloque de función del controlador 68. El
efecto de la ganancia de retroalimentación de corriente es
incrementar la robustez del sistema en general por medio del
rechazo de las perturbaciones del sistema debido al ruido de
medición y a cualquier inexactitud de parámetro. La salida del
bloque 68 se alimenta al bloque de función del controlador 70. El
bloque 70 da salida a las señales de voltaje de tiempo variable
V_{i}(t) a los controladores de puerta 52 para la
excitación controlada selectiva de los devanados de fase 34.
V_{i}(t) tiene componentes que compensan los efectos de la
inductancia, la fcem inducidas y la
resistencia.
Para compensar la presencia de la inductancia
con devanados de fase, el término Ldl_{di}/dt en el que
dl_{di}/dt indica la derivada de tiempo estándar de la corriente
de fase deseada l_{di}(t), se introduce al bloque de
función del controlador 70 que se añadirá en el cálculo de voltaje
de fase. La determinación de Ldl_{di}/dt se realiza en el bloque
de función del controlador 72, actuando sobre las entradas recibidas
de \tau_{d}(t), \theta_{i}(t) y
\omega(t). Para compensar el voltaje de fcem recibido se
añade el término E_{i} en el cálculo de voltaje de fase como una
entrada al bloque de función 70 desde el bloque de función del
controlador 74. El valor de compensación de fcem se deriva de la
velocidad y el ángulo de excitación, recibidos como entradas al
bloque 74 utilizando el coeficiente de fcem K_{ei}. Para compensar
la caída de voltaje atribuida a la resistencia de devanado de fase
y la resistencia parásita, se añade el término R_{i} I_{i} (t)
en el cálculo de voltaje de fase como una entrada al bloque de
función 70 desde el bloque de función del controlador 76.
En funcionamiento, el controlador 44 emite
sucesivamente señales de control V_{i}(t) a los
controladores de puerta para la excitación individual de los
devanados de fase respectivos. Los controladores de puerta activan
los conjuntos de conmutadores respectivos, de manera que la
secuencia en la que se seleccionan los devanados comporta una
secuencia establecida en el controlador. La secuencia se transmite a
los controladores de puerta a través de la unión ilustrada sólo de
forma general en el diagrama de la Figura 5. Cada señal de control
V_{i}(t) sucesiva está relacionada con la corriente
particular detectada en el devanado de fase correspondiente, la
velocidad y la posición del rotor detectadas inmediatamente, así
como con parámetros de modelo, K_{ei} y K_{\tau i} que han sido
predeterminados específicamente para las fases respectivas. Así,
para cada señal de control derivada V_{i}(t), además de
recibir señales de retroalimentación del motor detectadas
oportunamente, el controlador debe introducir los parámetros
específicos a la fase particular a la que corresponde la señal de
control. Así, el controlador tiene la capacidad de compensar las
diferencias características de la fase individual entre las
distintas fases del estátor. Para evitar la sobre/subcompensación
de la rutina de control del voltaje, los parámetros utilizados por
fase concuerdan exactamente con sus valores de fase reales.
El coeficiente de transmisión de par por fase
K_{\tau i} captura la contribución de par por fase de cada una de
las fases. Este parámetro es proporcional a la razón entre el par
efectivo generado con la corriente aplicada para dicha fase. El par
desarrollado por la fase es una función de la densidad de flujo
magnético desarrollada en el material del núcleo de la fase, que
produce la densidad de flujo en la holgura de aire. El diseño de la
geometría del núcleo de electroimán tiene en cuenta la densidad de
la corriente, que es una función de los
amperios-vueltas de cada parte del núcleo, con el
fin de optimizar la inducción en el material sin conducir el núcleo
a la saturación. Sin embargo, las propiedades magnéticas del
material del núcleo a menudo no son homogéneas en el núcleo del
estátor. Si el motor está configurado con núcleos autónomos de
electroimán separados ferromagnéticamente, las inconsistencias
pueden ser incluso más pronunciadas. Las variaciones en el bobinado
y la inductancia también contribuyen a determinar la constante del
par y los parámetros del coeficiente de la fcem. Si se forman
bolsas de aire en los devanados, habrá degradación en la
construcción efectiva del flujo. Aunque se pueden conseguir
factores de empaquetadura elevados mediante el devanado uniforme, se
pueden producir variaciones en la fabricación de cable. Así, si el
controlador utiliza un coeficiente de transmisión de par del motor
nominal y un coeficiente de fcem nominal, la variación de las
propiedades de las fases provoca la fluctuación del par de salida
del motor en general. La metodología del controlador del par
representada en la Figura 5 evita este problema aplicando el
coeficiente de transmisión por fase y los coeficientes de fcem
predeterminados para cada fase.
Las computaciones ilustradas en la Figura 5 se
llevan a cabo sucesivamente en tiempo real. La expresión que se
muestra en el bloque 62 se ha seleccionado para proporcionar las
corrientes deseadas para el par de seguimiento en la forma de
realización preferida. Se puede modificar la expresión si los
factores distintos a los cambios de seguimiento precisos en las
órdenes de entrada del par son también significativos. Por ejemplo,
en algunos entornos de vehículo, el grado de aceleración y
desaceleración puede tenerse en cuenta para evitar condiciones de
conducción innecesariamente duras. Así, se puede cambiar la
expresión en el bloque 62 para acomodar las consideraciones
necesarias.
La metodología del controlador ilustrada en la
Figura 5 se puede levar a cabo en un esquema de ejecución integrado
en el que los parámetros de fase particulares se sustituyen para
cada salida de voltaje de control generada. De forma alternativa,
el controlador 44 puede proporcionar un bucle de control separado
para cada fase del estátor n, tal como se representa en el diagrama
de bloques parcial de la Figura 6. Para cada una de las fases del
motor N_{s}, se proporciona un bucle de control correspondiente
60_{i}. Cada bucle contiene los parámetros pertinentes para la
fase del motor respectiva. Los bucles de control se activan de
acuerdo con la secuencia de excitación de la fase del motor
adecuada y únicamente necesitan las señales de retroalimentación del
motor detectadas para generar los voltajes de control.
En la presente exposición se muestran y se
describen únicamente las formas de realización preferidas de la
invención y algunos ejemplos de su flexibilidad. Se deberá apreciar
que la invención se puede utilizar en otras combinaciones y
entornos diferentes, y que pueden introducirse cambios o
modificaciones dentro del alcance de las reivindicaciones adjuntas.
Por ejemplo, en la metodología de control ilustrada en la Figura 5,
se puede determinar la corriente deseada por fase
I_{di}(t) en tiempo real a partir de las entradas recibidas
de \tau_{d}(t), \theta_{i}(t) tomando como
referencia a los valores almacenados en tablas de consulta. Dichas
tablas de consulta se pueden prever para cada fase del estátor.
Tal como se puede apreciar, el motor de la
invención se puede utilizar en una amplia gama de aplicaciones
además de los controladores de vehículos. A pesar de que se
prefiere, en la aplicación de un accionamiento de vehículo, que el
rotor rodee al estátor, otras aplicaciones pueden encontrar una
utilidad ventajosa con el estátor rodeando el rotor. De este modo,
está dentro del alcance de la invención que cada elemento anular
interior y exterior pueda comprender bien el estátor o el rotor y
pueda comprender bien el grupo de electroimanes o el grupo de
imanes permanentes.
Claims (11)
1. Sistema de control para un motor de imán
permanente multifase (10) que presenta una pluralidad de componentes
de fase de estátor y de un rotor (20), comprendiendo cada
componente de fase de estátor un devanado de fase (34) formado en
un elemento de núcleo (32), comprendiendo dicho sistema:
una pluralidad de conmutadores que se pueden
controlar (42), estando cada devanado de fase (34) conectado
respectivamente a uno o más conmutadores (42) y a una fuente de
energía (40) para la excitación selectiva del devanado de fase
(34); y
un controlador (44) que presenta almacenada en
el mismo una pluralidad de parámetros de control que comprende por
lo menos un conjunto de parámetros de control, estando cada conjunto
determinado específicamente para un componente de fase del estátor
respectivo basado en sus características físicas;
un detector de corriente respectivo (48)
acoplado a cada devanado de fase y adaptado para proporcionar una
entrada al controlador relacionado con la corriente (li(t))
en el devanado de fase respectivo detectado durante el
funcionamiento del motor, y en el que cada devanado de fase (34)
está excitado en respuesta a una expresión de control de voltaje
por fase (Vi(t)) generado por el controlador (44), y el
controlador (44) genera dicha expresión de control de voltaje por
fase (Vi(t)) sucesivamente en tiempo real, de acuerdo con el
conjunto de parámetros de control, caracterizado porque
dicha expresión de control de voltaje por fase
comprende por lo menos una entrada de orden de par y un componente
proporcional a la corriente (li(t)) detectado en tiempo real
que está asociado con el componente de fase del estátor para el
devanado de fase (34) excitado, en el que dicho conjunto de
parámetros de control comprende:
- -
- un coeficiente de transmisión de par dependiente de la fase; y
- -
- un coeficiente de fcem dependiente de la fase asociado con cada fase del estátor.
2. Sistema de control según la reivindicación 1,
en el que dicho controlador (44) comprende un procesador de señal
digital.
3. Sistema de control según cualquiera de las
reivindicaciones 1 y 2, en el que dicho controlador (44) está
configurado con un bucle de control separado para cada fase del
estátor, aplicando cada configuración de bucle de fase el conjunto
de parámetros para la fase del motor respectiva con el fin de
generar las señales de control para el devanado de fase respectivo
(34).
4. Sistema de control según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 3, en el que el elemento de núcleo de cada
componente de fae del estátor comprende un electroimán de estátor
aislado ferromagnéticamente, estando los elementos de núcleo de
electroimán (32) separados del contacto directo entre sí, y
formándose un devanado de fase (34) en cada elemento de núcleo
(32).
5. Sistema de control según cualquiera de las
reivindicaciones 2 a 4, en el que la entrada al controlador del
detector de corriente (48) está conectada a una entrada del
procesador de señal digital, y en el que cada señal de control
sucesiva se genera mediante el procesador de señal digital con
respecto a la salida del detector de corriente (48) derivada del
devanado de fase asociado.
6. Sistema de control según cualquiera de las
reivindicaciones 2 a 5, que comprende además un detector de
posición del rotor (46) que presenta una salida acoplada a dicho
procesador de señal digital para proporcionar las señales de
posición al mismo.
7. Sistema de control según la reivindicación 6,
en el que se acopla un generador de señal de velocidad entre la
salida del detector de posición (46) y el procesador de señal
digital, para proporcionar las señales de velocidad.
8. Procedimiento para el control continuo en
tiempo real de un motor de imán permanente multifase (10) que
presenta una pluralidad de devanados de fase de estátor (34),
estando cada devanado (34) formado en un elemento de núcleo (32) y
un rotor, comprendiendo dicho procedimiento las etapas
siguientes:
introducir una señal de orden a un controlador
(44) que presenta almacenada en el mismo una pluralidad de
parámetros de control que comprende por lo menos un conjunto de
parámetros de control, estando cada conjunto determinado
específicamente para un componente de fase de estátor respectivo
basado en sus características físicas;
detectar la corriente en cada devanado de fase
durante el funcionamiento del motor por medio de un detector de
corriente respectivo (48) e introducir la corriente detectada en el
controlador; y
excitar los devanados de fase (34) en respuesta
a una expresión de control de voltaje por fase generado por el
controlador (44) sucesivamente en tiempo real, de acuerdo con los
parámetros asociados con cada devanado de fase respectivo que se va
a excitar, comprendiendo dicha expresión de control de voltaje de
fase por lo menos una entrada de orden de par y por lo menos un
componente proporcional a la corriente detectada en tiempo real en
dicho devanado que se va a excitar y comprendiendo dichos
parámetros:
- -
- un coeficiente de transmisión de par dependiente de la fase; y
- -
- un coeficiente de fcem dependiente de la fase asociado con cada fase de estátor.
9. Método según la reivindicación 8, en el que
el componente de fase del estátor comprende un elemento de núcleo
aislado ferromagnéticamente (32) para cada devanado de fase (34),
estando los elementos de núcleo (32) separados del contacto directo
entre sí, y cada conjunto de parámetros está relacionado con los
atributos estructurales particulares del elemento de núcleo (32) y
el devanado de fase (34).
10. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones 8 y 9, que comprende además una etapa que consiste
en detectar la posición del rotor y en el que las señales de control
están relacionadas con la posición detectada.
11. Procedimiento según la reivindicación 8, en
el que la señal de orden iniciada por el usuario representa un par
de motor deseado y la etapa que consiste en excitar sucesivamente
los devanados de fase (34) sigue individualmente el par deseado de
acuerdo con la expresión:
I_{di} =
\frac{2\tau_{d}}{NsK\tau i}\
sen(N_{r}\theta_{1})
en la que I_{di} indica la
trayectoria de corriente deseada por fase, \tau_{d}indica la
orden de par solicitada por el usuario, N_{s} representa el
número total de devanados de fase (34), K_{\tau i} indica un
coeficiente de transmisión de par por fase y \theta_{i}
representa el desplazamiento de posición relativo entre el devanado
de fase I^{a} y un punto de referencia del
rotor.
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