MX2012000934A

MX2012000934A - Sistema y metodo digital de control de motores modulados por duracion de impulso.

Info

Publication number: MX2012000934A
Application number: MX2012000934A
Authority: MX
Inventors: Herbert S Kobayashi
Original assignee: Herbert S Kobayashi
Priority date: 2009-07-21
Filing date: 2010-06-16
Publication date: 2012-06-01
Also published as: US8427084B2; WO2011011128A1; WO2011011128A9; US20110018478A1

Abstract

Un sistema digital para control de motores utiliza al menos dos generadores de impulsos variables para producir dos corrientes de impulsos modulados por duración de impulso para controlar la velocidad del motor y la dirección de rotación de un motor. Una señal de control de entrada puede compararse con dos señales de referencia, tal como dos formas de onda que se invierten con respecto una de otra, para producir dos corrientes de señales moduladas por duración de impulso. Un circuito lógico combina las dos corrientes de impulsos. En una modalidad, dependiendo del nivel de la señal de control de entrada, en donde las dos corrientes no se sobreponen, se producen señales de reversa del control del motor y en donde las dos corrientes se sobreponen, se producen señales de avance de control del motor. A medida que las duraciones de impulsos de los impulsos modulados por duración de impulso cambian, el motor puede recibir energía continua en una dirección, desacelerar, detenerse y después incrementar la velocidad en la dirección opuesta hasta que reciba energía continua en la otra dirección. Los generadores de impulsos variables pueden ser de varios tipos incluyendo multivibradores de un impacto y comparadores. En una modalidad, pueden utilizarse dos conjuntos de interruptores de energía del canal N y del canal P para accionar el motor.

Description

SISTEMA Y MÉTODO DIGITAL DE CONTROL DE MOTORES MODULADOS POR DURACIÓN DE IMPULSO ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN 1. Campo de la Invención La presente invención se refiere en general a sistemas de control de motores y, más particularmente, a un sistema digital de control de motores por modulación de la duración de múltiples impulsos para controlar tanto la velocidad como la dirección da rotación del motor para motores eléctricos de CD o de CA. 2. Descripción de los Antecedentes Los sistemas de control de motores de la técnica anterior operan generalmente con significativas ineficiencias tales como alta disipación térmica y/o tienen problemas relacionados con el cambio de la dirección de rotación del motor. La circuitería mostrada en mi patente previa de E.U. No. 7,421,193, que se incorpora en su totalidad en la presente mediante la referencia, describe un control de motor con muy baja disipación térmica, que en una modalidad proporciona un controlador para la velocidad y la dirección del motor. Sin embargo, una desventaja de la circuitería mostrada en mi patente previa es que el impulso máximo de avance y de reversa solo tuvo un ciclo de trabajo de 50%.

Para que un sistema de control de servo energía opere de manera confiable sin fallas, el diseño del sistema debe considerar siempre la disipación de la energía y la flexibilidad del diseño para permitir su aplicación a motores grandes y pequeños. Esto puede ser especialmente importante en aplicaciones en donde la energía disponible puede ser limitada .

Los sistemas de control de velocidad de motor de circuito abierto han utilizado variaciones de las duraciones de tiempo de impulsos aplicadas al motor debido a su eficiente uso de la energía, lo cual es especialmente útil para dispositivos operados por baterías. Un ejemplo es en la aplicación a una barrena de velocidad variable, un destornillador o un desarmador de encastre en donde se utiliza un interruptor mecánico para controlar la dirección del motor. La inconveniencia de tener que cambiar mecánicamente la dirección del motor se ha aceptado como una necesidad, aunque sería deseable para algunos trabajadores que solamente tienen una mano para la operación, ser capaces de cambiar la dirección del motor sin operar manualmente un interruptor.

Sería deseable proporcionar un sistema de control de baja disipación de energía sin las desventajas de los sistemas tratados anteriormente. Consecuentemente, permanece una necesidad largamente sentida de un sistema mejorado de control de la velocidad y la dirección del motor. Los expertos en la técnica lo han buscado por mucho tiempo y apreciarán la presente invención que se dirige a estos y otros problemas .

SUMARIO DE LA INVENCIÓN Un objetivo de la presente invención es proporcionar un control de motor mejorado.

Otro objetivo de la presente invención es proporcionar un sistema de servo control estable, eficiente en energía.

Estos y otros objetivos, características y ventajas de la presente invención se harán evidentes a partir de los dibujos, las descripciones proporcionadas en la presente y las reivindicaciones anexas. Sin embargo, se entenderá que los objetivos y/o ventajas anteriormente listados de la invención se proponen solo como un auxiliar para entender rápidamente los aspectos de la invención y no pretenden limitar la invención en modo alguno y, en consecuencia, no forman una lista exhaustiva o restrictiva de objetivos y/o características y/o ventajas.

Por consiguiente, la presente invención proporciona un sistema de control operable para controlar la dirección y la velocidad de un motor eléctrico. El sistema de control puede comprender uno o más elementos tales como, por ejemplo, un generador de impulsos de reloj y/o un generador de forma de onda para producir impulsos de reloj y/o formas de onda y una pluralidad de generadores de impulsos de duración variable para producir impulsos de salida, que pueden sincronizarse con los impulsos de reloj y/o las formas de onda. De otra manera, los impulsos pueden producirse en intervalos escalonados uno con respecto al otro mediante algunos medios adecuados . Otros elementos pueden comprender un control de duración de impulsos para controlar los al menos dos generadores de impulsos de duración variable para variar así la duración de los impulsos de salida. Un control lógico que puede utilizar circuitería digital es operable para producir señales de control que contraían la dirección rotacional de avance y reversa y la velocidad del motor en respuesta a los impulsos de salida provenientes del generador de impulsos. Puede utilizarse una red de interruptores de energía para interconectar la salida de rotación de avance del motor y la salida de rotación de reversa del motor al motor eléctrico.

El sistema de control puede comprender un sistema de control de circuito abierto o un sistema de control de circuito cerrado. Cuando se utiliza en un sistema de control de circuito cerrado, el sistema puede comprender además un eje que puede girar por medio del motor y un elemento de salida variable que responde a la posición rotacional del eje. El elemento de salida variable proporciona retroalimentación al control de duración de impulsos para controlar la posición rotacional del eje.

En una modalidad, el control de duración de impulsos puede comprender una palanca de mando cargada por resorte de tal manera que el movimiento en una dirección, varía la velocidad del motor en la dirección de avance y el movimiento de la palanca de mando en la dirección opuesta controla la velocidad del motor en la dirección opuesta. El motor puede ser un motor de CD o un motor de CA.

En operación, se proporciona un método para controlar la dirección y la velocidad de un motor eléctrico. El método puede comprender una o más etapas tales como, por ejemplo, controlar la duración de una pluralidad de impulsos de salida y/o producir señales de control para controlar la dirección y la velocidad base.

El método puede comprender además la producción de una primera señal de control de dirección para la rotación del motor en una primera dirección rotacional, cuando la duración combinada de los impulsos de salida tiene una duración más corta que el ciclo de una forma de onda. El método puede comprender además la producción de una segunda señal de control de dirección para la rotación del motor en una segunda dirección rotacional, opuesta a la primera dirección rotacional cuando la duración combinada de los impulsos de salida tiene una duración más larga que un ciclo de la forma de onda.

El método puede comprender además proporcionar que el motor no gire cuando el ciclo de la forma de onda es igual o sustancialmente igual a la duración combinada de los impulsos de salida. El método puede comprender además proporcionar que la magnitud de la diferencia entre el ciclo o la duración de la forma de onda y la duración combinada de los impulsos de salida controle la velocidad del motor. El método puede comprender además aplicar las señales de control a relés de estado sólido o mecánicos para controlar al menos uno de un motor eléctrico de CD o un motor eléctrico de CA.

En otra modalidad posible, el sistema de control puede comprender un elemento de control variable y un circuito lógico de control operable para producir señales de control que controlan la dirección rotacional de avance y reversa y la velocidad del motor, respondiendo el control lógico al elemento de control variable. Otros elementos pueden comprender un suministro de energía eléctrica para suministrar energía eléctrica al motor eléctrico y una pluralidad de interruptores de energía que pueden cambiarse entre una primera configuración y una segunda configuración según se controle por medio del circuito lógico de control. La primera configuración conecta un primer conjunto de interruptores de energía a las bobinas, de manera que el motor eléctrico gira en la dirección de avance. La segunda configuración conecta un segundo conjunto de interruptores de energía a las bobinas, de manera que el motor eléctrico gira en una dirección de reversa. Por consiguiente, el motor eléctrico responde a los cambios en el elemento de control variable para controlar la dirección del motor eléctrico.

El sistema lógico es operable para controlar la velocidad rotacional del motor eléctrico en la dirección de avance o en la dirección de reversa controlando la duración del tiempo durante el cual la pluralidad de interruptores de energía aplica energía a las bobinas del motor.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS La Figura 1 es un diagrama esquemático de un control de motor operable para controlar la velocidad y la dirección del motor con dos generadores de impulsos de duración variable de acuerdo con una modalidad posible de la presente invención; La Figura 2 es un diagrama de señal para el control del motor de la Figura 1 cuando se utiliza con un generador de forma de onda triangular de acuerdo con una modalidad posible de la presente invención; La Figura 3 es un diagrama de señal para el control del motor de la Figura 1 cuando se utiliza con un generador de forma de onda sinusoidal de acuerdo con una modalidad posible de la presente invención; La Figura 4 es un diagrama esquemático de un control de motor operable para controlar la velocidad y la dirección del motor con al menos dos generadores de impulsos de duración variable de acuerdo con otra modalidad posible de la presente invención; La Figura 5 es un diagrama de señal para el control del motor de la Figura 4 cuando se utiliza con dos generadores de impulsos de duración variable de acuerdo con una modalidad posible de la presente invención; y La Figura 6 es un diagrama esquemático de un motor eléctrico de CD con un elemento de retroalimentación de acuerdo con una modalidad posible de la presente invención.

La Figura 7 es un diagrama esquemático de un accionamiento por motor eléctrico de CA de acuerdo con una modalidad posible de la presente invención.

Aunque la presente invención se describirá en conexión con las modalidades actualmente preferidas, se entenderá que ésta no pretende limitar la invención a esas modalidades. Por el contrario, se pretende cubrir todas las alternativas, modificaciones y equivalentes incluidos dentro del espíritu de la invención y según se definen en las reivindicaciones anexas .

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LAS MODALIDADES PREFERIDAS La presente invención proporciona el control lineal del motor utilizando la modulación de la duración del impulso. En una modalidad, se producen dos corrientes de impulsos modulados por la duración del impulso. Las corrientes de impulsos son escalonadas dado que comienzan en tiempos diferentes. Debido al circuito lógico que combina las dos corrientes de impulsos, a medida que las duraciones del impulso cambian de pequeña a grande, el motor gira a alta velocidad en una dirección, desacelera, se detiene y después incrementa la velocidad en la dirección opuesta. Pueden utilizarse diferentes tipos de generadores de impulsos de acuerdo con la presente invención. Pueden utilizarse diferentes tipos de disparadores para los generadores de impulso. El sistema proporciona baja pérdida de energía, bajo costo, bajo peso e incrementada eficiencia del sistema de control de la velocidad del motor.

Ahora con referencia a los dibujos y más particularmente a la Figura 1 y a la Figura 4, se muestran diagramas de circuito para los controles de motor 10A y 10B que utilizan dos tipos diferentes de generadores de impulsos de duración variable, pero que pueden utilizar tipos similares de controles lógicos y accionadores para el motor. Aunque se muestra solamente el circuito de circuito abierto en las Figuras 1 y 4, el circuito de circuito cerrado es igual con la adición de un elemento de control de retroalimentación como se trata en la patente previa. También puede utilizarse un procesador adecuadamente programado como un elemento de control de circuito cerrado muestreando la salida y produciendo una entrada apropiada hacia el circuito de control 10A y 10B. Por tanto, lo tratado en la presente se centrará en el circuito de circuito abierto con alguna descripción de las ecuaciones relevantes al diseño de circuito cerrado, pero entendiendo que el control de motor 10A y 10B puede utilizarse también en circuito cerrado como los diseños de circuito abierto.

En la Figura 1, el control de motor 10A utiliza un generador IC de forma de onda 1 para producir formas de onda repetitivas. En un ejemplo del control de motor 10A, se genera una forma de onda triangular 12, mostrada en la Figura 2. En otra modalidad ejemplar del control de motor 10A, se genera una forma de onda sinusoidal 14, tal como se muestra en la Figura 3. Por tanto, el control de motor 10A no se limita al uso de un tipo de forma de onda particular. Sin embargo, en una modalidad posible la forma de onda es preferentemente simétrica y repetitiva. El generador de forma de onda puede utilizar una señal de reloj, tal como la señal de reloj mostrada en las Figuras 2 y 3.

La salida del IC 1, ver la forma de onda triangular 12 en la Figura 2 o la forma de onda sinusoidal 14 en la Figura 3, se aplica a la entrada 16 del comparador IC4 y el inversor IC 2. La salida del inversor IC 2, ver la forma de onda triangular invertida 18 en la Figura 2 o la forma de onda sinusoidal invertida 32 en la Figura 3, se aplica a la entrada 20 del comparador IC5.

La señal de control 22 se utiliza para controlar la velocidad y la dirección del motor. En esta modalidad, la señal de control 22 es un nivel de voltaje variable como se muestra en la Figura 2 y en la Figura 3. Aunque en este caso la señal de entrada, que puede referirse como ein, se produce por medio de divisor o potenciómetro de voltaje 25, que está conectado a fuentes de voltaje más y menos en los extremos opuestos, otros medios para el control podrían incluir un procesador adecuadamente programable que produce niveles de voltaje programados en respuesta a la programación, la entrada de usuario, la retroalimentación, y lo similar.

En este ejemplo, cuando la señal de control 22 varía continuamente con respecto a la forma de onda triangular 12 de +5 voltios a la mitad del rango de voltaje como se indica en el 23, entonces el motor de CA o CD desacelera continuamente desde una alta velocidad hasta cero RP . Dado que la señal de control 22 varía con respecto a la forma de onda triangular 12 hasta el nivel de cero voltios desde el nivel medio 23, el motor está inicialmente a cero RPM y después se acciona en una primera dirección, que puede ser la dirección de avance, a una velocidad incrementadamente más alta. Dado que la señal de control 22 varía con respecto a la forma de onda triangular 12 desde la mitad del rango de voltaje 23 hasta +5 voltios, el motor se acciona en la dirección opuesta, tal como una dirección de reversa, a una velocidad incrementadamente más alta.

A los máximos niveles de voltaje con respecto a la forma de onda de referencia, en este ejemplo a +5 y 0 voltios, el motor se acciona de manera continua en la dirección de reversa o en la dirección de avance respectivamente. A la mitad del rango de voltaje, la velocidad del motor es de cero RPM. Se apreciará que los niveles de voltaje relativos pueden cambiar y que no necesariamente se requiere el uso de suministros de voltaje más y menos .

Si se desea, puede aplicarse la señal de control de entrada 22 a la ganancia y la estabilidad IC 3 que puede ajustar la servo ganancia del circuito abierto o cerrado relativa a la salida de IC 1 y tal vez también proporcionar estabilidad al servo circuito. También podrían utilizarse otros tipos de circuitería para controlar la ganancia y la estabilidad relativas en IC 1 y la señal de entrada 22 del servo circuito.

La salida de IC 3, referida como señal de control 22, se aplica a los comparadores IC4 e IC5, en las entradas 24 y 26 respectivas. Se aplica una señal de referencia, tal como una forma de onda, a las entradas 16 y 20 de IC4 e IC5. En este ejemplo, la señal de control 22 se compara con la forma de onda triangular 12 o con la forma de onda sinusoidal 14 en el comparador IC4 y se compara también con la forma de onda triangular invertida 18 o con la forma de onda sinusoidal invertida 32 en el comparador IC5.

La salida de IC4 o IC5, que se etiqueta SPWM(A) o SPWM(B) , respectivamente, en la Figura 2 y la Figura 3, es una salida positiva cuando la señal de control de entrada 22 es mayor que la referencia. De manera similar, la salida de IC4 e IC5 es de cero cuando la señal de control de entrada es menor que la señal de referencia.

Por consiguiente, cuando la forma de onda triangular 12 o la forma de onda sinusoidal 14 es mayor que la señal de control 22, entonces la salida de IC4, que se etiqueta SPWM(A) en la Figura 2 y en la Figura 3, es positiva. Debido a la naturaleza repetitiva de la forma de onda, se produce una primera serie de impulsos 28, como se muestra en las Figuras 2 y 3. A medida que disminuye la señal de control 22, se incrementa la duración o duración del impulso 30 de los impulsos 28. Esto se debe a que se incrementa el tiempo en el cual la forma de onda triangular 12 o la forma de onda sinusoidal 14 es mayor que la señal de control 22 a medida que disminuye la señal de control 22.

De manera similar, cuando la forma de onda triangular invertida 18 o la forma de onda sinusoidal invertida 32 es mayor que la señal de control 22, entonces la salida de IC5, que se etiqueta SP M(B) en la Figura 2 y en la Figura 3, es positiva. Debido a la naturaleza repetitiva de la forma de onda triangular invertida 18 o de la forma de onda sinusoidal invertida 32, se produce una segunda serie de impulsos 34. Se apreciará que a medida que disminuye la señal de control 22, se incrementa la duración o duración del impulso 36 de la segunda serie de impulsos 34. Esto se debe a que se incrementa el tiempo en el cual la forma de onda triangular invertida 18 o la forma de onda sinusoidal invertida 32 es mayor que la señal de control 22 a medida que disminuye la señal de control 22.

También se apreciará que la primera serie de impulsos 28 está escalonada con respecto a la segunda serie de impulsos 34. En este ejemplo, como se muestra en la Figura 2, el centro de impulso 38 de la primera serie de impulsos 28 está a 180 grados fuera de fase con el centro de impulso 40 de la segunda serie de impulsos 34 en comparación con la forma de onda triangular. Lo mismo es también verdadero cuando se utiliza la forma de onda sinusoidal de la Figura 3.

Las diferencias en la configuración de la forma de onda afecta las características de control hasta cierto grado. Por ejemplo, puede estar disponible un ajuste más fino de alta velocidad con una forma de onda triangular. También podrían generarse otras formas de onda además de las formas de onda sinusoidal o triangular para su uso con la presente invención si se desean para aplicaciones particulares .

La circuitería lógica que se utiliza para combinar la primera serie de impulsos 28 y la segunda serie de impulsos 34 incluye los inversores IC6 e IC7 y las compuertas ÑOR IC8 e IC9. Las salidas de impulso desde IC8, que pueden llamarse impulsos de control de avance, accionan el motor en una primera dirección, que se denomina la dirección de avance para lo tratado en la presente. Las salidas de impulso desde IC9, que pueden llamarse señales de control de reversa, accionan el motor en una segunda dirección opuesta a la primera dirección, que se denomina una dirección de reversa para lo tratado en la presente. Aunque pueden utilizarse circuitos lógicos relativamente simples para implementar la invención, se entenderá que la invención también puede implementarse con otros componentes lógicos, utilizando un procesador que se programa para operar de acuerdo con lo tratado en la presente, y lo similar.

Las salidas tanto de IC4 como de IC5 se aplican a la compuerta OR IC9. Las salidas invertidas tanto de IC4 como de IC5 se aplican a IC8.

En mayor detalle, la primera serie de impulsos 28 producida por el comparador IC4 se aplica a la entrada del inversor IC6 y a la entrada de la compuerta ÑOR IC8. La segunda serie de impulsos 36 producida por el comparador IC5 se aplica a la entrada del inversor IC7 y a la entrada de la compuerta OR IC8. La salida del inversor IC6 se aplica a la entrada de la compuerta ÑOR IC8. La salida del inversor IC7 se aplica a la compuerta OR IC9.

Observando primero la compuerta ÑOR IC9 y específicamente los impulsos 42 y 44, se apreciará que la compuerta OR IC9 producirá una salida lógica cero en los tiempos de impulso 42 y 44. Más generalmente, la compuerta OR IC9 producirá una salida lógica uno solamente cuando todas las entradas sean lógicas cero. Por tanto, mientras que las duraciones de impulsos combinadas de la primera serie de impulsos 28 y la segunda serie de impulsos 34 sea menor que el período de la forma de onda, habrá tiempos durante el período de la forma de onda en los que IC9 será uno. Por ejemplo, entre el impulso 42 y 44, se crea después un impulso de control de reversa 54. Se apreciará que los impulsos tales como el impulso de control de reversa 54 se crean cuando se presenta esta separación. Por tanto, los impulsos de control de reversa 56 se producirán por la compuerta OR IC9 para accionar el motor en la dirección de reversa. Directamente a continuación en el párrafo siguiente se encuentra un análisis más detallado.

Asumiendo que el control HABILITAR (ENABLE) para IC9 se encuentra a una lógica cero, la salida de IC9 será uno excepto cuando al menos una de las dos series de impulsos sea uno. Por ejemplo, considérense los puntos 42 y 44. Durante los impulsos 42 y 44, el IC9 producirá una lógica cero. Sin embargo, entre los impulsos 42 y 44, cuando SPWM(A) y SP M(B) son ambos cero, el IC9 producirá una salida lógica uno, que es el impulso de control de reversa 56. A medida que se incrementa el tamaño de las duraciones de impulso, disminuye el tiempo durante el cual la compuerta ÑOR IC8 produce una lógica uno. Por tanto, debido a que IC8 acciona el motor en la dirección de reversa, la velocidad de rotación en la rotación de reversa disminuye a medida que se incrementan las duraciones de impulsos 30 y 36. Esto continúa hasta que las duraciones de impulsos combinadas son mayores que el tiempo del ciclo de la forma de onda.

A medida que continúan incrementándose las duraciones de impulso, la rotación en la dirección de reversa cesa completamente como se indica en la salida de reversa cero 68. En este ejemplo, esto ocurre cuando la señal de control es cero como se indica en el 23. Después de que la duración del impulso alcanza esta duración, al menos una entrada a la compuerta ÑOR IC9 será siempre lógica uno, de manera que la salida es cero. Por otra parte, la velocidad de la rotación de reversa se incrementa a medida que disminuyen las duraciones de impulsos de la primera serie de impulsos 28 y de la segunda serie de impulsos 34. En algún punto en la dirección de reversa, la salida de la compuerta ÑOR IC9 permanece en una lógica uno como se indica en el 69.

Por tanto, la presente invención proporciona un medio para producir un ciclo de trabajo del 100% para la energía máxima aplicada al motor.

Después del análisis anterior, se apreciará que mientras que la duración total del impulso de la primera y segunda series sea menor que el período de la forma de onda la dirección del motor es de reversa. En consecuencia, la inversa de estas duraciones de impulsos será mayor que el período de la forma de onda. Por tanto, durante este tiempo la compuerta ÑOR IC9 siempre tendrá al menos una entrada que sea uno y en consecuencia siempre tendrá una salida de cero, como se indica en la salida cero de avance 66.

Sin embargo, cuando las duraciones de impulsos combinadas de la primera y segunda series de impulsos es mayor que el período de la forma de onda, entonces las duraciones de impulsos combinadas de las inversas de la primera y segunda series de impulsos serán menores que el período de la forma de onda. Debido a que las inversas de la primera y segunda series de impulsos se aplican a la compuerta ÑOR IC8, a medida que continúa el incremento de las duraciones de impulsos 30 y 36, el motor girará eventualmente en la dirección de avance y se incrementará con el incremento en la duración del impulso. Por ejemplo, entre la inversa de los impulsos 58 y 60, se producen entonces impulsos de avance tales como el impulso de control de avance 62, por la compuerta ÑOR IC9. Los impulsos de control de avance 64 se crean mediante esto para ocasionar la rotación del motor en la dirección de avance. Si la duración 38 y 40 se incrementa, entonces eventualmente la salida de la compuerta ÑOR IC8 permanece como una lógica uno como se indica en el 71. Por tanto, la presente invención proporciona un ciclo de trabajo del 100% en las direcciones tanto de avance como de reversa mediante lo cual la salida permanece en uno durante el ciclo completo de la forma de onda.

En caso de que el circuito o el hardware no funcione a la perfección, debido a las fluctuaciones de energía o lo similar, pueden utilizarse líneas anticoincidencia 46 y 48 para asegurar que cuando una de las compuertas OR este encendida y produciendo una lógica uno, esta lógica uno se aplique también a la otra compuerta ÑOR para asegurar que ésta se apague.

Cuando la señal de control 25 está en la posición central a cero voltios, como se indica en el 23 en la Figura 2 y la Figura 3, las duraciones de impulsos combinadas de la primera y la segunda serie de impulsos son iguales al período de la forma de onda y por tanto al menos una entrada tanto hacia la compuerta ÑOR IC8 como hacia la compuerta OR IC9 es siempre igual a uno. Por tanto, no se produce ningún impulso de control y el motor se detiene.

Para evitar la posibilidad de fluctuaciones menores de voltaje que creen algún impulso corto transitorio producido en la posición de paro, pueden utilizarse varios métodos. En una modalidad, pueden agregarse circuitos RC 50 y 52 a las lineas anti-coincidencia 46 y 48 de manera que se filtren impulsos de control muy estrechos. Si se utilizan controles computarizados , entonces en el punto nulo, la computadora puede aplicar una señal lógica uno a las entradas HABILITAR de las compuertas ÑOR para apagarlas . También se notará que puede utilizarse un interruptor hacia las entradas HABILITAR de las compuertas NCR para colocar el sistema en un modo inactivo ajustando las entradas HABILITAR a una lógica 1, que apaga el motor mientras que deja activos los circuitos de control, si se desea. El tiempo de respuesta hasta que el sistema es operacional es entonces algo más rápido en comparación con el apagado y encendido de la energía.

Pueden utilizarse diversos dispositivos para accionar el motor una vez que se producen los impulsos de control de avance 65 y los impulsos de control de reversa 56. La patente previa describe relés en estado sólido y mecánicos . Aunque se encuentran disponibles relés comerciales, la presente invención utiliza un accionador FET (transistor de efecto de campo) único de canal N y de canal P para el motor de CD de imán permanente 150 en donde se produce el cambio en la dirección mediante el cambio en la dirección actual . Se cree que el control de motor de la presente invención es más eficiente con menor pérdida de energía potencial. También podrían utilizarse otros tipos de dispositivos de canal N y de canal P, rectificadores de silicona, triacs para motores de CA y lo similar.

En esta modalidad, el FET de canal N 74 y el FET de canal P 76 se utilizan para accionar el motor en la dirección de avance. En este momento, el FET de canal N 78 y el FET de canal P 80 están apagados.

El FET de canal N 78 y el FET de canal P 80 se utilizan para accionar el motor en la dirección de reversa. En este momento, el FET de canal N 74 y el FET de canal P 76 están apagados.

Las terminales de motor 86 y 88 están conectadas al motor. En la dirección de avance, se aplican impulsos positivos al motor. En la dirección de reversa, las polaridades de los impulsos están invertidas, de manera que se aplican impulsos efectivamente negativos al motor.

Los impulsos de control de avance 65 se aplican al transistor de avance 70 y a la compuerta 82 del FET de canal N 74. Los impulsos de control de reversa 56 se aplican al transistor de reversa 72 y a la compuerta 84 del FET de canal N 78.

Sin ningún impulso producido por ninguna compuerta ÑOR IC8 o compuerta ÑOR IC9, todos los FETS y los transistores se apagan. En este caso, el motor está desconectado de todas las fuentes de energía y de tierra.

Cuando se produce un impulso de avance desde la compuerta OR IC8, el impulso en la compuerta 82 enciende el FET de canal N 74, que conecta la terminal de motor 86 a tierra en el drenaje 90 del FET de canal N 74 debido a que la fuente 102 está conectada a tierra. Al mismo tiempo, el impulso de avance también enciende el transistor de avance 70, el cual enciende el FET de canal P 76 conectando la compuerta 92 del FET de canal P 76 a tierra. Después se suministra el voltaje positivo conectado a la fuente 94 del FET de canal P 76 al drenaje 96 del FET de canal P 76. Este suministra un voltaje positivo a la terminal de motor 88 con la terminal de motor 86 a tierra. En consecuencia, el motor gira en la posición positiva.

Cuando se produce un impulso de reversa desde la compuerta ÑOR IC9, el impulso en la compuerta 84 enciende el FET de canal N 78, el cual conecta la terminal de motor 88 a tierra en el drenaje 98 del FET de canal N 78 debido a que la fuente 100 está conectada a tierra. Al mismo tiempo, el impulso de reversa también enciende el transistor de reversa 72, el cual enciende el FET de canal P 80 conectando la compuerta 104 del FET de canal P 80 a tierra. Después se suministra el voltaje positivo conectado a la fuente 106 del FET de canal P 80 al drenaje 108 del FET de canal P 80. Este suministra un voltaje positivo a la terminal de motor 86 con la terminal de motor 88 a tierra. En consecuencia, el motor gira en la posición negativa.

Aunque el FET de canal N 74 y el FET de canal P 80 nunca están encendidos al mismo tiempo, se utiliza un fusible de reconexión 110 para proteger a los FETs de daño en caso de un accidente. De manera similar, el fusible de reconexión de fusible 112 protege el FET de canal N 78 y el FET de canal P 76 .

Como se declaró anteriormente en la presente, el circuito de control de motor de la presente invención puede implementarse de diferentes formas. Ahora con referencia al control de motor 10B , mostrado en la Figura 4 , se muestra aún otra modalidad de la invención. La circuitería lógica y la circuitería de accionamiento de motor son idénticas a las tratadas previamente en la Figura 1 y en consecuencia no se repite .

En esta modalidad, puede utilizarse un generador de onda cuadrada 110 para accionar los impactos uno 112 y 114 en tiempos alternados de la onda cuadrada. En esta modalidad, el generador de onda cuadrada 110 produce una onda cuadrada en la salida 116 y una onda cuadrada inversa en la salida inversa 118 . También podrían utilizarse otras formas de onda tales como impulsos, ondas senoidal, o lo similar, para detonar los impactos uno.

La onda cuadrada 120 , mostrada en la Figura 5 es representativa de la salida 116 y se entenderá que también se produce una inversa a esta onda cuadrada, la cual no se muestra en la Figura 5. En esta modalidad, cada impacto uno se detona por el borde en elevación de la forma de onda una vez en cada período de la forma de onda. Por tanto, cada impacto uno se detona con una separación de 180 grados con respecto a la onda cuadrada 120.

Puede utilizarse un voltaje variable o lo similar para controlar las duraciones del impulso de los impulsos de impacto uno y puede conectarse a las entradas de impacto uno tanto 122 como 124. Por ejemplo, puede utilizarse un divisor de voltaje o potenciómetro, tal como el divisor de voltaje o potenciómetro 25, para controlar las duraciones del impulso producidas por los impactos uno. Sin embargo, se entenderá que las variaciones de los controles para los impactos uno son muy conocidas y que pueden utilizarse diferentes dispositivos, de los cuales algunos se tratan en la patente previa referida anteriormente en la presente.

Al variar las entradas de impacto uno 122 y 124, varía la duración del impulso de las salidas de impacto uno. Por tanto, en la salida de impacto uno 126, los impulsos de duración variable 130 como se indican en el SPWM(A) se producen y se aplican a la compuerta ÑOR IC9. De manera similar, en la salida de impacto uno 128, los impulsos variables 132 como se indican en el SPWM(B) se producen y se aplican a la compuerta ÑOR IC9.

Como se trató previamente., cuando todas las entradas hacia la compuerta ÑOR IC9 son de cero, se producen los impulsos de control de reversa 134. Por ejemplo, entre el impulso 136 y 138, se genera un impulso de control de reversa 140. Como se trató anteriormente, al variar las duraciones de estos impulsos variará la velocidad rotacional de reversa. Entre más estrecha sea la duración de los impulsos 130 y 132, es más rápida la velocidad rotacional de reversa. En la presente invención, el control de reversa puede permanecer constantemente encendido como se indica en el 135. Refiérase a lo tratado previamente para más detalles .

En esta modalidad, la inversa de las salidas de impacto uno 126 y 128 se produce en las salidas inversas de impacto uno 142 y 144. La operación de IC8 para producir impulsos de control de avance 146 se trató anteriormente en la presente. Cuando las entradas a IC8 son de cero, se producen impulsos de control de avance.

Como en lo anterior, cuando la salida de IC8 es de cero como se indica en el 148, los impulsos de control de reversa 134 pueden producirse entonces mediante el IC9. Cuando la salida de IC9 es de cero como se indica en el 150, el IC8 puede producir los impulsos de control de avance 146. Una vez que la duración del impulso combinada del impulso 130 y 132 es mayor que el ciclo de la onda cuadrada 120, solamente se producen impulsos de control de avance. Después de esto, entre más amplia sea la duración de los impulsos 130 y 132, será más rápida la velocidad rotacional de avance. En la presente invención, el control de avance puede permanecer constantemente encendido como se indica en el 147.

La operación de IC8 e IC9 y de los FETs es igual y puede hacerse referencia a lo tratado previamente en conexión con la Figura 2 y la Figura 3 para más detalles.

La Figura 6 muestra el motor 150 que puede tener un eje operablemente conectado al elemento de control de retroalimentación 148. En la patente previa se muestran detalles adicionales para cambiar un sistema de control de circuito abierto a un sistema de control de circuito cerrado.

La Figura 7 muestra un motor trifásico operado mediante los impulsos producidos en el 71 y 68 con el relé de avance y el relé de reversa remplazando el relé en estado sólido de doble polo de doble carrera mostrado en la Figura 1 y la Figura 4. En este ejemplo, los relés aplican la energía de CA trifásica al motor de CA trifásico cuando una señal de control de motor enciende los relés . Las bobinas del motor se renuevan de manera efectiva, con cualquiera de las fases invertida, para las direcciones de avance y de reversa dependiendo de cuál relé está activado. En este ejemplo, la conexión de las fases L2 y L3 al motor de CA cambia dependiendo de si está activado el relé de avance o el relé de reversa. Como se trató previamente, los relés pueden representar relés en estado sólido o mecánicos.

Una señal de energía de CA de fase única podría manejarse de manera similar, y también pueden utilizarse circuitos iniciadores del motor. La circuitería de generación de impulso para el control del motor de CA es la misma que la del control de motor de CD.

Un sistema general de control de motor de acuerdo con la presente invención puede describirse por las siguientes ecuaciones: Para la operación de circuito abierto: esalida = G ( S ) eentrada en donde een rada es la señal de entrada aplicada a los generadores de impulsos de duración de impulsos variable tratados anteriormente en la presente: G(s) es la función de transferencia del sistema de control . ds2 ds G(S)= F(s)» [M ( )+ F (— )+ K (s)],en donde dt dt F(s) representa la estabilidad del sistema, M F y K(s) representa el potencial del sistema.

Para la operación de circuito cerrado: Sentrada- ^salida = TGG?G en donde esauda se mióe en el elemento de control de retroalimentacion 148.

Entonces, puede demostrarse que: eSalida = [G(S) / (1+G(S) ) ] eentrada La compensación o estabilidad se utiliza para evitar que 1 + G(s) = 0.

El sistema de la presente invención se basa en el uso de duraciones de impulsos para accionar el motor hacia atrás o hacia adelante y de la ausencia de la duración de impulsos para ocasionar que el motor se encuentre estacionario o nulo. La invención puede aplicarse para el servo control de motores tanto pequeños como grandes con el mismo diseño básico y el uso de relés, transistores de energía, y FETs para accionar el motor.

También debe entenderse que las descripciones anteriores de las modalidades preferidas de la invención se han presentado para propósitos de ilustración y de explicación y no pretenden limitar la invención a las formas precisas descritas. En consecuencia debe apreciarse que los expertos en la técnica pueden efectuar los diversos cambios estructurales y de circuitos, muchos de los cuales se sugieren en la presente, sin apartarse del espíritu de la invención .

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un sistema de control operable para controlar la dirección y la velocidad de un motor eléctrico, que comprende : al menos dos generadores de impulsos de duración variable que producen impulsos de salida a intervalos escalonados uno con respecto al otro; un generador de forma de onda para producir una forma de onda, estando dichos al menos dos generadores de impulsos variables conectados de manera operativa a dicho generador de forma de onda; un control variable para controlar dichos al menos dos generadores de impulsos de duración variable para variar así la duración de dichos impulsos de salida; e interruptores de conmutación de energía que se interconectan a dicho motor, produciendo dicha red de conmutación de energía impulsos de energía que responden a una combinación de dichos impulsos de salida para su aplicación a dicho motor, siendo operables dichos interruptores de energía para producir impulsos de energía que comprenden una duración de impulsos de energía que varía con dicha duración de dichos impulsos de salida.

2. El sistema de control de la reivindicación 1, que comprende un circuito lógico operable para combinar dichos impulsos de salida y producir señales de control que controlan la dirección rotacional de avance y de reversa y la velocidad de dicho motor.

3. El sistema de control de la reivindicación 2, en donde dicho circuito lógico es operable para controlar de manera continua dicho motor de estar continuamente encendido en una dirección de avance o estar continuamente encendido en una dirección de reversa.

4. El sistema de control de la reivindicación 1, que comprende además dicho primero de dichos al menos dos generadores de impulsos variables que son operables para producir un primer impulso de salida que responde a dicho control variable y a una primera porción de dicha forma de onda, y siendo operable el segundo de dichos al menos dos generadores de impulsos variables para producir un segundo impulso de salida que responde a dicho control variable y a una segunda porción de dicha forma de onda, que se encuentra fuera de fase con dicha primera porción de dicha forma de onda .

5. El sistema de control de la reivindicación 1, en donde dichos al menos dos generadores de impulsos variables comprenden al menos dos comparadores que comparan el nivel de voltaje con dicha forma de onda.

6. El sistema de control de la reivindicación 3, en donde dicho generador de forma de onda comprende un generador de onda senoidal, un generador de onda triangular o un generador de onda cuadrada .

7. El sistema de control de la reivindicación 1, en donde dichos al menos dos generadores de impulsos variables comprenden al menos dos generadores de impulsos de un impacto.

8. Un método para controlar la dirección y la velocidad de un motor eléctrico, que comprende: producir una forma de onda de repetición a una tasa de repetición constante con una duración de ciclo constante; producir un primer grupo de impulsos modulados por duración de impulsos que se inician con respecto a una primera porción de dicha forma de onda de repetición; producir un segundo grupo de impulsos modulados por duración de impulsos que se inician con respecto a una segunda porción de dicha forma de onda de repetición; controlar la duración de dicho primer grupo de impulsos modulados por duración de impulsos y dicho segundo grupo de impulsos modulados por duración de impulso; combinar de manera lógica dicho primer grupo y dicho segundo grupo de impulsos modulados por duración de impulsos para producir señales de control para controlar la dirección y la velocidad de dicho motor eléctrico.

9. El método de la reivindicación 8, en donde cuando la duración combinada de dicho primer grupo y dicho segundo grupo de impulsos de modulación de duración de impulsos es mayor que dicha duración de ciclo constante de dicha forma de onda de repetición, entonces se acciona dicho motor eléctrico en una primera dirección rotacional, y cuando la duración combinada de dicho primer grupo y dicho segundo grupo de impulsos de modulación de duración de impulsos es menor que dicha duración de ciclo constante de dicha forma de onda de repetición, entonces se acciona dicho motor eléctrico en una segunda dirección opuesta a dicha primera dirección.

10. El método de la reivindicación 8, en donde cuando la duración combinada de dicho primer grupo y dicho segundo grupo de impulsos de modulación de duración de impulsos es igual a dicha duración de ciclo constante de dicha forma de onda de repetición, entonces dicho motor no gira .

11. El método de la reivindicación 8, que comprende además comparar un nivel de voltaje con dicha forma de onda de repetición para producir dicho primer grupo y dicho segundo grupo de impulsos modulados por duración de impulso .

12. El método de la reivindicación 8, que comprende además utilizar al menos dos circuitos de un impacto para producir el primer grupo y dicho segundo grupo de impulsos modulados por duración de impulso.

13. El método de la reivindicación 8, que comprende además controlar dicha duración de dicho primer grupo de impulsos modulados por duración de impulsos y dicho segundo grupo de impulsos modulados por duración de impulsos para encender dicho motor de manera continua en una duración de ciclo constante.

14. Un sistema de control operable para controlar la dirección y la velocidad de un motor eléctrico, comprendiendo dicho motor eléctrico una o más bobinas, que comprende : un elemento de control variable; un circuito lógico de control que responde a dicho elemento de control variable operable para producir impulsos de control de avance e impulsos de control de reversa que controlan la dirección rotacional de avance y de reversa y la velocidad de dicho motor eléctrico; un suministro de energía eléctrica para suministrar energía eléctrica a dicho motor eléctrico; y un primer par de interruptores de energía que responden a los impulsos de control de avance para aplicar impulsos relativamente positivos a dicho motor eléctrico, comprendiendo dicho primer par de interruptores de energía un primer interruptor de energía de canal N y un primer interruptor de energía de canal P, estando conectada una fuente de dicho primer interruptor de energía de canal P a un polo positivo de dicho suministro de energía eléctrica, estando conectada una fuente de dicho primer interruptor de energía de canal N a un polo negativo de dicho suministro de energía; y un segundo par de interruptores de energía que responden a los impulsos de control de reversa para aplicar impulsos relativamente negativos a dicho motor eléctrico, comprendiendo dicho segundo par de interruptores de energía un segundo interruptor de energía de canal N y un segundo interruptor de energía de canal P, estando conectada una fuente de dicho segundo interruptor de energía de canal P a un polo positivo de dicho suministro de energía eléctrica, estando conectada una fuente de dicho segundo interruptor de energía de canal N a un polo negativo de dicho suministro de energía .

15. El sistema de control de la reivindicación 14, en donde dicho circuito lógico de control es operable para controlar la velocidad rotacional de dicho motor eléctrico en dicha dirección de avance o dicha dirección de reversa, controlando la duración del tiempo en el cual dicho primer par de interruptores de energía o dicho segundo par de interruptores de energía se encienden.

16. El sistema de control de la reivindicación 14 que comprende al menos dos generadores de impulsos variables conectados de manera operativa a dicho circuito lógico de control que producen impulsos de salida respectivos a intervalos escalonados uno con respecto al otro.

17. El sistema de control de la reivindicación 16, que comprende además un generador de forma de onda operable para producir una forma de onda, comprendiendo dichos al menos dos generadores de impulsos variables al menos dos comparadores que comparar el nivel de voltaje con dicha forma de onda.

18. El sistema de control de la reivindicación 16, en donde dichos al menos dos generadores de impulsos variables comprenden al menos dos generadores de impulsos de un impacto.

19. El sistema de control de la reivindicación 16, en donde dicho circuito lógico es operable para combinar las duraciones de impulsos de dichos impulsos de salida respectivos de dichos al menos dos generadores de impulsos variables .

20. El sistema de control de la reivindicación 14, en donde dicho circuito lógico es operable para controlar dicho motor de manera continua de estar continuamente encendido en la dirección de avance o estar continuamente encendido en una dirección de reversa.