PT730156E

PT730156E - Metodo e aparelhagem para monitorizacao da velocidade de motores de corrente continua

Info

Publication number: PT730156E
Application number: PT96300537T
Authority: PT
Inventors: Harold Ryan Macks; Gregory J Dygert; Steven P Nimer
Original assignee: Ford Motor Co
Priority date: 1995-03-03
Filing date: 1996-01-25
Publication date: 2001-01-31
Also published as: US5524168A; CA2168908A1; DE69609645D1; EP0730156A1; EP0730156B1; DE69609645T2

Description

84 741 ΕΡ Ο 730 156/ΡΤ

DESCRICÃO “Método e aparelhagem para monitorização da velocidade de motores de corrente contínua” O presente invento refere-se ao campo dos motores de CC e, mais especialmente, à monitorização da velocidade e diagnósticos de motores de CC.

Os motores de corrente contínua (CC) são utilizados em numerosas aplicações. Em muitas dessas aplicações, é desejável saber qual a velocidade a que o motor está a funcionar. O conhecimento da velocidade do motor pode ajudar a facilitar o controlo em circuito fechado da velocidade do motor . Além disso, o conhecimento da velocidade do motor pode ser utilizado para ajudar a detectar condições de mau funcionamento do motor. Por exemplo, um motor pode ficar sujeito a sobrecargas mecânicas. Tais sobrecargas mecânicas podem reduzir a velocidade do motor, de modo que o mesmo não funcione como projectado, bem como podem fazer com que o motor consuma correntes eléctricas acima dos valores pretendidos.

Uma maneira de medir a velocidade do motor é monitorizar o sinal comutador do motor. A frequência deste sinal é proporcional à velocidade de um motor de CC com escovas. Além disso, a frequência do sinal é proporcional, em quase todos os casos, à velocidade de motores dc CC sem escovas. Contudo, a monitorização do sinal comutador requer que seja proporcionado um terminal adicional no motor (como uma saída para o sinal comutador) e no controlador do motor (como uma entrada para monitorização do sinal comutador). Um tal aumento do número de terminais aumenta o custo e diminui a fiabilidade do sistema. Em algumas aplicações, como seja em automóveis, as limitações de custos e as condições impostas à fiabilidade são especialmente restritivas. Especialmente em tais aplicações, um sistema de monitorização da velocidade para um motor de CC o qual não necessitasse dos terminais adicionais aqui descritos proporcionaria vantagens de custo e de fiabilidade.

Em DE-A-38 24 811 é descrito um aparelho para contagem das rotações de um motor de CC. O aparelho inclui um filtro passa baixo, ligado ao terminal negativo do motor, um circuito comparador, para produzir um sinal de onda quadrada e um contador para contar os impulsos do sinal de onda quadrada. A

84 741 ΕΡ Ο 730 156/ΡΤ 2 contagem é comparada com uma contagem pré-ajustável, para determinar quando se comutar a corrente para o motor.

Em DE-A-39 35 585 são descritos meios para medir a velocidade de um motor de CC, que utiliza a tensão que se estabelece airavés de uma resistência montada em série no motor. A tensão tem uma frequência que é filtrada e aplicada como uma entrada para um discriminador de fase. A outra entrada para o discriminador de fase é fornecida por um oscilador com controlo de tensão (OCV). A saída do discriminador de fase é utilizada como o controlo de entrada para controlar a frequência de oscilação do OCV. A oscilação de saída do OCV vai para um conversor de frequência para tensão, do qual deriva a medida da velocidade do motor. O presente invento proporciona um método para monitorização da velocidade de um motor de CC, que tem um terminal positivo e um terminal negativo, estando o terminal positivo ligado à fonte de energia de tensão positiva, e um terminal negativo ligado a uma tensão mais baixa do que a tensão da fonte de energia positiva, em que o método compreende o passo de detecção da frequência de um sinal no terminal negativo do motor; caracterizado por: o método ser aplicado a um motor sem escovas e o método incluir os passos adicionais de: comparar a dita frequência com um valor predeterminado que é atingido quando o rotor do dito motor está parado, e proporcionar indicação de um mau funcionamento, quando a dita frequência é maior do que o dito valor predeterminado. O presente invento proporciona também um aparelho para monitorização da velocidade de um motor de CC com um terminal positivo, acoplado a uma fonte de energia de tensão positiva e um terminal negativo, acoplado a um tensão mais baixa do que a tensão positiva da fonte de energia de tensão positiva; compreendendo o aparelho meios de detecção de frequência para detecção da frequência de um sinal no terminal negativo do motor;

84 741 ΕΡ Ο 730 156/ΡΤ 3 caracterizado por: ο aparelho estar adaptado para monitorização de um motor sem escovas, e o aparelho compreender adicionalmente: meios para comparação da dita frequência com um valor predeterminado, que é atingido quando o rotor do motor está parado, e meios detectores de mau funcionamento para proporcionarem uma indicação de mau funcionamento, quando a dita frequência é maior que o dito valor predeterminado. O presente invento facilita a monitorização da velocidade do motor de CC sem a adição do terminais ou ao motor ou ao controlador do motor. Ao proceder assim, o invento proporciona vantagens de custos e de fiabilidade em relação a sistemas alternativos e a processos para monitorização da velocidade do motor de CC. O invento será agora descrito adicionalmente, por meio de um exemplo, com referência aos desenhos anexos, nos quais: a Fig. 1 é um desenho esquemático de um sistema de acordo com uma concretização do presente invento; a Fig. 2 é uma ilustração de três sinais dentro do sistema da Fig. 1 e dentro do sistema da Fig. 3; e a Fig. 3 é um desenho esquemático de um sistema de acordo com uma segunda concretização do presente invento.

Referindo a Fig. 1, será descrita uma concretização do presente invento. A Fig. 1 ilustra o motor 12 e o controlador 1Ί. O motor 12 é um motor de CC sem escovas.

Na Fig. 1, o motor 12 está ligado no seu terminal positivo à tensão da ignição de um veículo a motor (nominalmente 12 volt). O terminal negativo do motor 12 está ligado à massa, através da resistência 20 dentro do módulo

84 741 ΕΡ Ο 730 156/ΡΤ 4 electrónico 14. Será reconhecido que o motor 12 se destina neste caso a funcionar a uma única velocidade, sempre destinado a ter uma tensão nominal constante (neste caso 12 volt) através de si. O módulo electrónico 14 pode proporcionar uma série de funções no veículo a motor, em que o mesmo está instalado. Uma dessas funções é a monitorização da velocidade do motor 12. Uma outra dessas funções é o registo e/ou a comunicação de uma indicação de mau funcionamento se a velocidade do motor 12 estiver fora da sua gama normal de operação. O módulo electrónico 14 monitoriza o sinal no terminal negativo do motor 12. Esse sinal (que está também no nó 21 dentro do módulo electrónico 14) está ilustrado como uma curva (a) na Fig. 2. Esta curva mostra que o sinal no nó 21 tem uma componente corrente alterna (CA) bem como um diferencial de corrente contínua (CC). A componente CA é uma consequência da comutação que ocorre dentro do motor 12.

Também dentro do módulo electrónico 14, o condensador 22 proporciona uma pequena quantidade de filtragem do filtragem passa baixo para retirar ruído de alta frequência do sinal no terminal negativo do motor 12. O condensador 24 proporciona então a filtragem do sinal pelo filtro passa alto, para extrair a componente corrente alterna (CA) do sinal. O sinal no nó 25 (isto é, a saída da filtragem passa alto, proporcionada pelo condensador 24) está ilustrado como uma curva (b) na Fig. 2. Esta curva mostra que a derivada de CC mostrada na curva (a) está agora substancialmente removida. O sinal é a seguir alimentado para a entrada de não inversão do comparador 26. A entrada de inversão do comparador 26 está ligada à massa. O comparador 26 converte o sinal no nó 25 numa onda quadrada, ilustrada como a curva |c) na Fig. 2. A onda quadrada tem uma amplitude “alta" (de preferência 5 volt), quando o sinal no nó 25 é maior do que zero volt, e uma amplitude “baixa” (preferivelmente próxima de zero volt) quando o sinal no nó 25 ó menor do que zero volt. O microprocessador 16 analisa a onda quadrada produzida pelo comparador 26 e mede a sua frequência. (Os peritos na arte reconhecerão que há numerosas maneiras para o microprocessador 16 medir a frequência, incluindo temporizadores tanto de suporte físico como temporizadores de suporte lógico. Qualquer desses

84 741 ΕΡ Ο 730 156/ΡΤ 5 métodos de medição da frequência funcionará no presente invento). Se um microprocessador da série 68HC11 for usado, a onda quadrada pode ser ligada a uma entrada “captura de entrada" do microprocessador 16. Quando ocorrer um bordo da onda quadrada, é gerada uma interrupção. O suporte lógico no microprocessador, determinando assim o tempo que passou desde o último impulso da onda quadrada, determinando assim a frequência do sinal. A frequência do sinal é proporcional à velocidade do motor 12 para todos os casos excepto quando o motor 12 está parado. Quando um motor de CC sem escovas estiver parado, o sinal de comutação produzido por circuitos electrónicos dentro do motor passa tipicamente para uma alta frequência. Essa frequência reflecte-se no sinal medido no nó 21. O microprocessador 16 compara a frequência medida com duas frequências predeterminadas. A primeira frequência predeterminada é um limite inferior para a velocidade aceitável do motor 12. Este limite é, de preferência, uma função da tensão de ignição, porque a velocidade do motor 12 é uma função da tensão de ignição. Se a frequência medida está abaixo deste limite inferior, o microprocessador 16 reconhece que o motor 12 está a rodar demasiado devagar. A causa mais provável para esta situação é uma obstrução que retarda a rotação do motor. O microprocessador 16 proporciona então uma indicação de mau funcionamento através (por exemplo) do acendimento de uma lâmpada avisadora que acende, o registo de um código de diagnóstico de problema na memória dentro do módulo electrónico 14, e/ou a comunicação o um outro dispositivo clectrónico no veículo que o motor 12 não está a rodar dentro da sua gama de velocidades pretendida. A segunda frequência predeterminada é um limite superior da frequência aceitável. Como com o limite inferior, o limite superior é, de preferência, uma função da tensão de ignição. Se a frequência medida está acima do limite superior, uma causa provável é o motor 12 estar parado, ponto em que os circuitos electrónicos no motor 12 gerarão tipicamente os impulsos de comutador de alta frequência. O microprocessador 16 fornece então uma indicação de mau funcionamento através (por exemplo) do acendimento de uma lâmpada avisadora, o registo de um código de diagnóstico de problema na memória dentro do módulo electrónico 14, e/ou a comunicação a um outro dispositivo electrónico no veículo que o motor 12 não está a rodar dentro da sua gama de velocidades pretendida. 84 741 ΕΡ Ο 730 156/ΡΤ 6

Uma segunda concretização do presente invento, está ilustrada na Fig. 3. Aqui, o motor 42 é um motor com escovas. O motor 42 está ligado pelo seu terminal positivo à tensão normal de 12 volt. O terminal negativo do motor 42 está ligado à saída do modulo de accionamento do motor 44, que será descrito com mais pormenor a seguir. O módulo de transmissão 44 está ligado ao controlador 46. O controlador 46 compreende o microprocessador 48. O microprocessador 48 controla a velocidade do motor 42, proporcionando um sinal modulado em largura impulso (PWM) ao conversor de digital para analógico (D/A) 50. A saída analógica do conversor D/A 50 é fornecida ao módulo de accionamento 44 do motor. Pode ser reconhecido que este sistema especial permite ao controlador 46 comandar o motor 42 com velocidades variáveis.

Dentro do módulo de accionamento 44 do motor, o sinal do conversor D/A 50 é fornecido ao transístor 52, cuja saída está ligada ao terminal negativo do motor 42. O transístor 52 ligará o motor 42 para rodar a uma velocidade determinada pela grandeza da tensão do sinal fornecido ao transístor 52 pelo conversor D/A 50. O sinal no terminal negativo do motor 42 é fornecido através da resistência 54 ao controlador 46. Dentro do controlador 46, o condensador 56 fornece uma pequena quantidade de filtragem passa baixo para reduzir o ruído de alta frequência. O sinal no nó 57 está ilustrado como a curva (a) da Fig. 2. Como foi explicado em relação à concretização da Fig. 1. o sinal ilustrado na curva (a) tem um componente CA e uma derivada de CC. O sinal é então fornecido ao condensador 58, que filtra em passa alto o sinal para extrair o componente CA. O sinal no nó 59 (a saída do condensador 58) está ilustrado como a curva (b) da Fig. 2. Aqui, a derivada de CC da curva (a) está reduzida ou é substancial mente removida. O sinal é fornecido a seguir à entrada de não inversão do comparador 60. A entrada de não inversão do comparador 60 está ligada à massa ou a um divisor de tensão que compreende as resistências 62 e 64. (Se for utilizada a massa ou um divisor de tensão, depende de quanto resta do ramal de CC no sinal de entrada de não inversão do comparador 60. A massa é utilizada, de preferência, se pouco ou 7 04 741 ΕΡ 0 730 156/ΡΤ nada restar da derivada de CC). A saída do comparador 60 é uma onda quadrada, preferivelmente com uma amplitude de 5 volt. Esta onda quadrada tem uma amplitude 5 volt, quando o sinal na entrada de não inversão para o comparador 60 é maior do que o sinal na entrada de inversão, e uma amplitude próxima de zero volt de modo contrário. O microprocessador 48 compara a frequência medida com uma frequência predeterminada. A frequência predeterminada é um limite inferior da velocidade aceitável do motor 42. (Este limite é, de preferência, uma função da tensão de ignição e da tensão de saída do conversor D/A 50, porque a velocidade do motor 42 é uma função destas duas variáveis). Se a frequência medida estiver abaixo deste limite inferior, o microprocessador 48 reconhece que o motor 42 está a rodar demasiado devagar. A causa provável para esta situação é uma obstrução, que impede ou faz parar completamente a rotação do motor. Uma tal situação é muito provavelmente acompanhada por um consumo excessivo de corrente pelo motor 42. Como um resultado disso, se a frequência medida estiver abaixo do limite inferior, o microprocessador 48 desliga o motor 42 como medida de protecção. O microprocessador 48 pode também proporcionar uma indicação de mau funcionamento através (por exemplo) do acendimento uma lâmpada avisadora que, do registo de um código de diagnóstico de problema dentro do controlador 46, e/ou da comunicação a outro dispositivo electrónico no veiculo que o motor 42 tem uma um mau funcionamento.

Lisboa, |2. uUT. 20bu

Por FORD MOTOR COMPANY - O AGENTE OFICIAL -

Claims

84 741 ΕΡ Ο 730 156/ΡΤ 1/2 REIVINDICAÇÕES 1 - Método para monitorização da velocidade de um motor de CC (12), que tem um terminal positivo e um terminal negativo, estando o terminal positivo ligado a uma fonte de energia de tensão positiva, e um terminal negativo, ligado a uma tensão mais baixa do que a tensão da fonte de energia positiva, em que o método compreende o passo de detecção da frequência de um sinal no terminal negativo do motor; caracterizado por: o método ser aplicado a um motor que não tem escovas e o método incluir os seguintes passos adicionais de: comparar a dita frequência a um valor predeterminado que é atingido quando o rotor do motor está parado, e proporcionar uma indicação de um mau funcionamento, quando a dita frequência for maior do que o dito valor predeterminado.
2 - Método de acordo com a reivindicação 1, que compreende os passos adicionais de: comparar a dita frequência com um valor predeterminado, e proporcionar uma indicação de mau funcionamento, quando a dita frequência é menor do que o dito valor predeterminado adicional.
3 - Método de acordo com a reivindicação 1 ou 2, em que o passo de detectar a frequência do sinal no terminal negativo do motor (12) compreende uma filtragem do sinal em passa alto para produzir um sinal filtrado em passa alto e amplificar o sinal filtrado em passa alto para produzir um sinal de onda quadrada.
4 - Aparelho para monitorização da velocidade do motor de CC (12) com um terminal positivo, acoplado a uma fonte de energia de tensão positiva, e um terminal negativo, acoplado a uma tensão mais baixa do que a tensão da fonte de energia de tensão positiva, compreendendo o aparelho meios de detecção de 84 741 ΕΡ Ο 730 156/ΡΤ 2/2 frequência (14) para detecção da frequência de um sinal no terminal negativo do motor; caracterizado por: o aparelho estar adaptado para monitorização de um motor (12) sem escovas e o aparelho compreender adicionalmente: meios (16) para comparação da dita frequência com um valor predeterminado, que é atingido quando o rotor do motor (12) está parado, e dispositivo detectores de mau funcionamento para proporcionarem uma indicação de mau funcionamento, quando a dita frequência é maior do que o dito valor predeterminado.
5 - Aparelho de acordo com a reivindicação 4, que compreende adicionalmente meios (16) para comparação da dita frequência com um valor predeterminado, proporcionando os ditos meios detectores de mau funcionamento uma indicação de mau funcionamento, quando a dita frequência é menor do que o dito valor predeterminado adicionalmente.
6 - Aparelho de acordo com a reivindicação 4 ou 5, em que os meios de detecção de frequência (14) compreendem um filtro passa alto (24) acoplado em comunicação eléctrica com o dito terminal negativo e um comparador (26) acoplado em comunicação eléctrica com uma saída do filtro passa alto para produzir um sinal de onda quadrada. Lisboa, 12. UUT. 2000 Por FORD MOTOR COMPANY

EMG.· ANTÓNIO JOÀO DA CUNHA FERREIRA Ag. Of. Pr. In d. R«a das Flores, 74 - 4.* ieeo usboa