ITMI20011470A1 - Motore elettrico a due modi di commutazione di alimentazioe - Google Patents

Description

MOTORE ELETTRICO A DUE MODI DI COMMUTAZIONE DI ALIMENTAZIONE

La presente invenzione riguarda i motori a commutazione elettronica, detti anche motori senza spatola, destinati a delle applicazioni che richiedono sia una resa rilevante che un costo scarso. Esso trova un’applicazione importante, sebbene non esclusiva, nel settore automobilistico, per azionare delle pompe di alimentazione di servo-motori o martinetti con una portata molto variabile di liquido idraulico sotto pressione.

Si è rappresentato sulla figura 1 un esempio di motori a commutazione elettronica di formazione classica. Su questa figura, il motore comprende un rotore 10 a magneti permanenti ed uno statore che contiene tre bobine 12 e dei sensori di posizione 18. Un modulo di comando a tre sezioni facente da ponte ad interruttori che consentono di alimentare le bobine 12 a partire da una sorgente 16 di corrente continua. Ogni sezione comprende due interruttori in serie 20 e 22, essendo le diverse sezioni montate fra una sorgente di tensione 16 e la massa. Ogni interruttore è esso stesso montato in parallelo con un diodo di ruota libera 24.

Il montaggio della figura 1 comprende inoltre un sottrattore 26 che riceve, su un ingresso, un segnale numerico Vc, che indica il valore di consegna della velocità e, sull’altro ingresso, un segnale numerico Vm che riceve un segnale numerico rappresentativo della velocità del rotore 10. Questo segnale Vm è elaborato con un calcolatore 28 che riceve il segnale di uscita dei sensori di posizione 18.

il calcolatore 28 è previsto per fornire, sulla sua uscita 30, un segnale numerico rappresentativo del rapporto ciclico di apertura o RCO degli impulsi di tensione periodici forniti alle bobine 12 durante dei periodi di attivazione successivi. Questo segnale è elaborato a partire dal segnale di errore εν fornito dal sottrattore 26. Un circuito 32 di comando degli interruttori di potenza 20 e 22 elabora i segnali di chiusura degli interruttori a partire dal valore del RCO, dei segnali fomiti dai sensori 18 che danno la posizione del rotore e di un segnale di sincronizzazione e di comando di frequenza 34.

Sono noti già diversi modi di comando di un tale montaggio, e in particolare un modo di comando detto a 120° ed un modo di comando detto a 180°.

Nel modo detto del tipo 120°, il modulo alimenta successivamente ogni fase del motore per mezzo di impulsi periodici di tensione che presentano un rapporto ciclico di apertura variabile per assicurare la regolazione di velocità, senza copertura temporale dei periodi di alimentazione delle diverse fasi, due periodi in cui una stessa fase è alimentata in un senso e poi in un altro essendo separate con un periodo durante il quale detta fase non è alimentata.

Questo modo di alimentazione ha il vantaggio di dare una resa elevata. Ma una coppia elevata può essere solamente ottenuta per una velocità scarsa. In effetti, il comando di tipo 120° fornisce piuttosto una caratteristica coppia/velocità di funzionamento a coppia costante mentre è desiderabile avere una caratteristica che si avvicina ad un funzionamento a potenza costante.

Una volta che un rapporto ciclico del 100 % è raggiunto, qualsiasi aumento della coppia può essere ottenuto solamente per aumento dell'intensità delia corrente, che deve essa stessa essere limitata ad un valore compatibile con la tenuta dei cuscinetti del motore.

Per le applicazioni che necessitano di un valore di coppia più elevata a delle velocità più grandi di rotazione, si utilizza il modo di comando noto sotto il nome di “modo di tipo 180°”. Secondo questo modo, i periodi di attivazione di ogni interruttore sono tali che si alimentano le tre fasi alla volta, ogni fase essendo sempre alimentata in un senso o nell’altro. Perciò, si riempie in questo modo detto di tipo 180° il periodo di non alimentazione che esiste nelle alimentazioni in modo di tipo 120°.

Ma questo modo di tipo 180° presenta una resa degradata a scarso carico di motore, in particolare a causa della presenza di una forte componente reattiva che aumenta le perdite per effetto Joule.

Lo scopo della presente invenzione è di proporre un motore elettrico sincrono comandato in modo tale che presenta una coppia elevata a velocità di rotazione elevata, e delle scarse perdite a bassa velocità.

Un secondo scopo dell’invenzione è di proporre un motore i cui mezzi di comando non producano alcuna scossa della coppia o di velocità al passaggio tra i due modi, e ciò, senza necessità di mezzi elettronici dì comando complessi.

Questo scopo è raggiunto secondo l’invenzione grazie ad un motore a commutazione elettronica che comprende un insieme statore/rotore provvisto di bobine di trascinamento a tre fasi comprendente inoltre una serie di interruttori per alimentazione delle bobine e dei mezzi di comando atti a regolare la velocità del motore su una velocità di consegna, questi mezzi di comando comprendendo dei mezzi di sorveglianza di velocità relativa dello statore e del rotore, e dei mezzi per comandare delle aperture/chiusure di ogni interruttore con una sequenza che è ripetuta e che viene scelta per alimentare le bobine di trascinamento in funzione dei segnali forniti con dei mezzi di sorveglianza di velocità, questa sequenza che comprende una successione di impulsi di apertura/chiusura con un rapporto ciclico funzione della sorveglianza di velocità, caratterizzato dal fatto che i mezzi di comando sono atti a generare, in funzione dei segnali rilasciati dai mezzi di sorveglianza, due modi di comando degli interruttori, la sequenza di comando degli interruttori secondo il secondo metodo presentante degli stati di chiusura di interruttori che comprendono gli stati di chiusura di interruttori dell’ultimo funzionamento del primo modo, così come una chiusura o una successione di impulsi di chiusura in anticipo della fase che viene prolungata direttamente da uno di questi stati di chiusura.

Un tale motore è particolarmente vantaggioso per il fatto che non necessita di alcun calcolo pesante di adattamento alla transizione tra i modi.

Altre caratteristiche, scopi e vantaggi dell’invenzione, compariranno alla lettura della descrizione dettagliata che seguirà, fatta in riferimento alle figure annesse sulle quali:

- la figura 1 è uno schema elettrico di un motore provvisto da mezzi di comando di commutazione la cui struttura è nota;

- la figura 2 è un cronogramma che fa comparire una serie di periodi di alimentazione delle diverse fasi di un motore secondo l’invenzione, nel modo «120°».

- le figure 3a a 3d presentano, in corrispondenza temporanea una con l'altra, le evoluzioni rispettivamente delle tensioni semplici nelle fasi del motore, delle tensioni composte nelle fasi del motore, dei segnali di rilevamento di posizione del rotore rilasciati con dei sensori Hall, e delle tensioni di comando dei sei interruttori del motore secondo l’invenzione, nel modo «120°».

- la figura 4 è un cronogramma che fa comparire una serie di periodi di alimentazione delle diverse fasi di un motore secondo l’invenzione, nel modo «180°»;

- la figura 5 è uno schema funzionale di un circuito di comando di un motore secondo l’invenzione.

- la figura 6 rappresenta l’evoluzione di una corrente di fase nel modo «120°»;

- la figura 7 rappresenta l’evoluzione di una corrente di fase nel modo di tipo «180°»;

- la figura 8 rappresenta l’evoluzione di una corrente di fase in modo di tipo 180° al 100 %.

Il dispositivo descritto qui di seguito presenta una struttura generale simile a quella della figura 1.

I mezzi di comando di questo dispositivo sono inoltre previsti per attuare secondo i bisogni due modi di commutazione degli interruttori, l’uno di tipo 120°, l'altro del tipo 180°.

Il modo di tipo «120°» utilizzato qui è rappresentato nelle figure 2 e 3a a 3d. I tre sensori Hall 18 rilasciano ciascuno un segnale rettangolare che è a livello alto su un semigiro (180°) e a livello basso sul semigiro restante.

Come illustrano le figure 3c e 3d, l’interruttore «alto» (interruttori 20a, 20b, 20c) di una data fase è attivato sugli ultimi 120° dell’onda positiva del segnale di determinazione associato a queste fasi, e l’interruttore «basso» > (interruttori 22a, 22b, 22c) di questa fase data è attivato sugli ultimi 120° della parte nulla del segnale di determinazione.

Nel modo «120°», ognuno dei periodi di attivazione di un interruttore dato si divide in due intervalli di 60°, cioè un primo intervallo dove viene fornito un segnale di taglio del rapporto ciclico scelto (segnale PWM) ed un secondo intervallo dove viene fornita una tensione costante di chiusura dell’interruttore.

Il primo intervallo a PWM scelto, serve a regolare la potenza di trascinamento fornita nella fase considerata, per ottenere una coppia più o meno elevata per recuperare un eventuale ritardo del rotore sulla velocità di rotazione desiderata.

Quando il rapporto ciclico su questo intervallo raggiunge il 100 %, e la differenza εv tra la velocità misurata e la velocità di consegna è ancora negativa, il presente dispositivo passa allora ad un modo di comando «180°» descritto ora.

In questo secondo modo, l'interruttore considerato è attivato su un periodo

di 180°. Questo periodo si estende in anticipo della fase rispetto al periodo

di 120° descritto precedentemente.

Più precisamente, il periodo di attivazione di 180° copre il periodo di 120° precedente e si estende inoltre su un intervallo di 60° anteriore a questo periodo di 120°.

Questo intervallo anteriore di 60° è il sito di un segnale PWM di rapporto

ciclico scelto, per regolare la velocità misurata sulla velocità di consegna. Per contro, la parte di questo periodo che corrisponde al periodo di 120° del modo precedente, conserva la stessa sequenza di chiusura/apertura di poco prima il passaggio al modo del tipo 180°. Così il primo intervallo di questo periodo 120° è un PWM al 100 %, cioè un segnale continuo, il secondo intervallo di questo periodo di 120° rimane nel suo potenziale continuo.

In questo modo a 180°, il punto di funzionamento a 0° corrisponde dunque al segnale di comando ottenuto per il punto di funzionamento al 100 % del modo 120°.

Il secondo modo di funzionamento, di tipo a 180°, presenta il vantaggio di una crescita della coppia sviluppata a grande velocità, sul principio di un anticipo di fase dovuto all’aggiunta di un periodo di attivazione preliminare al periodo di 120°.

Scegliendo questo modo particolare a 180° che conserva la forma del comando che era presente nel modo massimale a 120°, si ottiene una transizione tra i due modi che è senza discontinuità di coppia né di velocità e senza necessitare alcun calcolo di transizione del rapporto ciclico.

Fino a quando il funzionamento nel modo 120° è sufficiente per la coppia necessaria, cioè fino a quando Vc è raggiunto con una semplice variazione del rapporto ciclico nel modo 120°, si rimane in questo modo. Quando il livello del 100 % è raggiunto, si passa automaticamente al modo di tipo 180°, senza l’occorrenza di diagnosi di una tale necessità. Si tratta di una semplice commutazione di modo senza adattamento necessario.

Nello stesso modo, quando il livello di 0 % è raggiunto nel modo di tipo 180°, il passaggio ai modo 120° avviene automaticamente senza necessitare di mezzi di diagnosi complessi, li fatto di non necessitare dei mezzi di diagnosi elettronica permette di evitare gli inconvenienti della dipendenza di tali mezzi rispetto alla tensione batteria. Un tale dispositivo permette inoltre di evitare degli effetti negativi dovuti ad eventuali errori sul calcolo di velocità, così come delle disparità di realizzazione elettronica dei motori.

Inoltre, non è necessario prevedere un’eventuale transizione a 120° alla partenza (per ottenere la coppia massimale), questa transizione essendo qui automatica.

Secondo una variante, si prevede di generare in anticipo di fase avanzando progressivamente l’inizio del segnale positivo di comando anteriore al periodo di 120°, una volta che la zona 120° è arrivata al suo rapporto ciclico massimale.

Nel caso presente, si ottiene un anticipo di fase variabile variando il rapporto ciclico secondo la necessità, solamente dopo l'arrivo ad un punto di rapporto ciclico massimale della zona 120°, senza modificazione brutale di questo periodo di 120°.

Si arriva dunque ad un regolatore i cui arresti sono 0 % e 2 % e che si trova separato in due PWM standard che variano da 0 a 100 %.

Così come illustrato sulla figura 5, il montaggio di comando preferenziale del presente motore riprende un sottrattore 26 che rilascia un segnale di differenza di velocità εν poi dopo filtrazione con un regolatore 51 ed una messa in scala in funzione di una tensione di batteria Ubat, rilascia verso un calcolatore 60 un segnale di comando indicatore della differenza di velocità da accumulare. Questo primo ramo, anteriore a calcolatore 60, è con riferimento 100. Il calcolatore 60 determina il rapporto ciclico ed il modo di comando da applicare.

Si è rappresentato nelle figure da 6 a 8 le evoluzioni delie intensità di fasi ed una uscita di batteria ottenute con questo montaggio.

Si noterà anche che le correnti di fase di batteria sono più elevate nel modo «180°» con un’evoluzione più frammentata verso il basso quando il rapporto ciclico è diverso da 100 %.

Secondo una variante, si prevede che quando il PWM del modo 120° raggiunge il 100 %, si passa al modo di tipo 180° precedentemente descritto con un primo rapporto ciclico nella zona di PWM che è superiore allo 0 %. Si prevede vantaggiosamente un rapporto ciclico compreso tra 20 e 60 %, preferibilmente di circa 40 %.

Si considera così che una consegna in uscita del regolatore leggermente superiore al 100 % non fornisce un PWM dello 0 % nel modo di tipo 180° ma direttamente un PWM del 40 % per esempio.

In effetti, si nota che la variazione del rapporto ciclico del presente modo di tipo 180° tra 0 e 40 % ha generalmente poca influenza sul comportamento del motore. In effetti, in questa gamma, la tensione supplementare aggiunta in anticipo di fase è trascurabile. Si nota nella corrente di fase che la corrente generata è molto scarsa (alcuni Ampère) e discontinua.

Grazie al presente dispositivo, si guadagna inoltre in resa nelle zone a scarsa coppia e a forte velocità così come una buona stabilità al momento del passaggio di un modo nell’altro e ciò indipendentemente dalla tensione della batteria e dei parametri fisici del motore e dell’elettronica.

Claims (9)

1. RIVENDICAZIONI Motore a commutazione elettronica comprendente un insieme statorerotore (10, 12) provvisto di bobine (12) di trascinamento a tre fasi comprendente inoltre una serie di interruttori (20, 22) per l’alimentazione delle bobine e dei mezzi di comando (26, 28, 32) atti a regolare la velocità del motore su una velocità di consegna (Vc), questi mezzi di comando (26, 28, 32) comprendendo dei mezzi di sorveglianza di velocità (18, 26, 28) relativa dello statore (12) e del rotore (10), e dei mezzi per comandare delle aperture/chiusure di ogni interruttore (20, 22) secondo una sequenza che è ripetuta e che è scelta per alimentare le bobine di trascinamento in funzione dei segnali fomiti (Vc, Vm) con dei mezzi di sorveglianza di velocità (18, 26, 28), questa sequenza comprendendo una successione di impulsi di apertura/chiusura con un rapporto ciclico funzione della sorveglianza di velocità, caratterizzato dal fatto che i mezzi di comando sono atti a generare, in funzione dei segnali rilasciati dai mezzi di sorveglianza (18, 26, 28), due modi di comando degli interruttori (20, 22) la sequenza di comando degli interruttori secondo il secondo modo che presenta degli stati di chiusura di interruttori che comprendono gli stati di chiusura degli interruttori dell’ultimo funzionamento del primo modo, così come una chiusura o una successione di impulsi di chiusura in anticipo di fase che è prolungata direttamente da uno di questi stati di chiusura.
2. 2. Motore secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che al passaggio dal primo al secondo modo, le sequenze aperture/chiusure di interruttori sono identiche per il primo e secondo modo.
3. 3. Motore secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che al passaggio dal primo al secondo modo, la sequenza di apertura/chiusura del primo funzionamento del secondo modo presenta la suddivisione delle chiusure dell’ultimo funzionamento del primo modo, così come, durante un intervallo di tempo non nullo, una chiusura o una successione di impulsi di chiusura in anticipo di fase che è prolungata direttamente da uno di questi stati di chiusura.
4. 4. Motore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 3, caratterizzato dal fatto che i mezzi di comando sono atti a far variare la durata della chiusura o della successione di impulsi di chiusura in anticipo di fase in funzione dei segnali lasciati con dei mezzi di sorveglianza di velocità.
5. 5. Motore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che il primo modo è un modo dove ogni interruttore è chiuso o comandato con una successione di impulsi di chiusura durante il periodo di attivazione che dura per un terzo della sequenza di comando degli interruttori e dal fatto che il secondo modo è un modo in cui ogni interruttore (20, 22) è fermato o comandato da una successione di impulsi di chiusura durante un periodo di attivazione che comprendono detto periodo di un terzo di sequenza così come un periodo anteriore a detto periodo di un terzo di sequenza.
6. 6. Motore secondo la rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che il primo modo è tale che un primo terzo di ogni periodo di attivazione di interruttore (20, 22) e costituito da una serie di impulsi e i due terzi seguenti di questo periodo sono costituiti da uno stato di chiusura continua dell’interruttore (20, 22).
7. 7. Motore secondo la rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto che detto periodo anteriore dura per un sesto della sequenza.
8. 8. Motore secondo la rivendicazione 7 in combinazione con la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che al passaggio del primo al secondo modo, il periodo anteriore ha un intervallo di impulsi di chiusura di rapporto ciclico compreso tra 20 e 60 %.
9. 9. Motore secondo la rivendicazione 8, caratterizzato dal fatto che al passaggio dal primo al secondo modo, il periodo anteriore è un intervallo ad impulsi di chiusura il cui rapporto ciclico è di circa 40 %.