BRPI0714228A2 - processo e dispositivo para determinaÇço da posiÇço do rotor de um motor elÉtrico sem escova e sem sensor - Google Patents
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Abstract
PROCESSO E DISPOSITIVO PARA DETERMINAÇçO DA POSIÇçO DO ROTOR DE UM MOTOR ELÉTRICO SEM ESCOVA E SEM SENSOR. A presente invenção refere-se um processo que pode ser executado com meios simples para a determinação da posição do rotor de um motor (1) elétrico polif´stico sem escova e sem sensor, e um dispositivo especialmente bem apropriado para a execução do processo. De acordo com o processo é previsto que depois do fechamento por bornes de uma primeira fase de motor (V) dos potenciais de refer~encia (U~ z~, M) de um circuito intermediário (70, durante período de determinação (T~ E~) detectar uma tensão por fase (U~ v~) presente nesta fase de motor (V) no lado do bome, determinar duarnte o periodo de determinação (T~ E~) um valor de crista (U~ v~) da tensão por fase (U~ v~) obtida, comparar o valor de crista ( U~ v~) com um valor de crista (U~ v~) com um valor de comparação ( U~ c~) e de gerar um sinal de posição (S~ p~) quando o valor de crista ( U~ v~) ultrapassa o valor de comparação (U ~c~). O valor de comparação (U ~c~) é determinado numericamente de tal modo que corresponde ao valor da tensão por fase (U ~v~) em uma passagem por zero de uma tensão induzida ( U~ vind~) na primeira fase de motor (V) ou a um valor aumentado ou diminuido em comparação com este por um valor de cerreção ( <30><87>) predefinido.
Description
Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "PROCESSO E DISPOSITIVO PARA DETERMINAÇÃO DA POSIÇÃO DO ROTOR DE UM MOTOR ELÉTRICO SEM ESCOVA E SEM SENSOR".
A presente invenção refere-se a um processo e um dispositivo para determinar a posição do rotor de um motor elétrico sem escova e sem sensor.
A presente invenção refere-se a um processo para determinar a posição do rotor de um motor elétrico polifásico sem escova e sem sensor que é usado especialmente para a operação de um ventilador para um motor de um automóvel. A presente invenção refere-se ainda a um dispositivo para a execução do processo.
Em um chamado motor elétrico sem escova, a corrente de acio- namento é comutada eletronicamente. Para tal usualmente á conjugado ao motor elétrico um circuito de conversão de freqüência que é abastecido com tensão através de um circuito elétrico intermediário. O circuito de conversão de freqüência fornece às bobinas de estator do motor elétrico uma corrente elétrica trifásica que gera o campo magnético do estator que gira relativa- mente ao estator. O rotor do motor elétrico freqüentemente apresenta um ou mais ímã permanentes através dos quais é gerado um campo magnético de rotor que é estacionário relativamente ao rotor. Da ação recíproca do campo magnético do estator com o campo magnético do rotor resulta um torque que coloca o motor em movimento.
As fases da corrente trifásica gerada pelo circuito de conversão de freqüência e do campo magnético do estator pertencente são denomina- das de fases de motor. No sentido figurativo, este termo também denomina as bobinas de estator, respectivamente conjugadas a tal fase com as res- pectivas linhas de conexão. As fases de motor freqüentemente são interliga- das em uma conexão em estrela. A conexão de conversão de freqüência ativa as fases do motor em dependência da posição do rotor que para este fim pode ser determinada pela técnica de medição. Para a verificação da posição, isto é, a verificação do ângulo giratório, do rotor, freqüentemente são previstos sensores, tais como, por exemplo, sensores Hall. Muitas vê- zes, e não por último por motivos de custos, usam-se transmissores de ân- gulo de giro como alternativa. Por estes transmissores de ângulos de giro é feita a determinação de posição através da determinação da chamada força contra-eletromotriz (abreviado também denominado de contra EMK ou - com o termo inglês - como back EMF counterelectromotive force) do motor elétri- co. Com este termo é denominada a tensão que é induzida nas bobinas de rotor pelo campo magnético de rotor em rotação. Motores deste tipo de construção são denominados de motores elétricos sem sensor.
Os transmissores de ângulo de giro sem sensor convencionais, usualmente são executados como circuitos eletrônicos analógicos. Um cir- cuito desse tipo averigua a força contra-eletromotriz através da determina- ção e análise de todas as tensões por fase. Para evitar que flutuações das tensões por fase que surgem devido a processos de comutação ou uma mo- dulação por largura de pulso (PWM) causem uma determinação de posição errada, um transmissor de ângulo de giro compreende usualmente também circuitos de filtração apropriados que removem estas interferências por meio de filtração. A força contra-eletromotriz resultante é comparada por um com- parador com uma tensão de comparação, sendo que o comparador gera um sinal de posição, quando a força contra-eletromotriz ultrapassa um valor de comparação predefinido.
Convencionalmente, o sinal de posição é gerado em uma pas- sagem por zero positiva da força contra-eletromotriz (isto é, em uma mudan- ça de sinal da força contra-eletromotriz de negativo para positivo). Como alternativa para isso é comum operar um motor elétrico com avanço de igni- ção ou com ignição retardada. Para tal, a tensão de comparação é adaptada de tal modo que o sinal de posição é disparado antes ou depois da passa- gem por zero da força contra-eletromotriz.
A força contra-eletromotriz somente pode ser medida em uma fase do motor, onde a corrente de motor parou. A fim de medir em uma fase de motor a força contra-eletromotriz, também depois de fechar esta fase de motor do potencial de referência do circuito intermediário precisa ser espe- rado por um chamado período de comutação, dentro do qual a chamada cor- rente de roda livre diminui na fase de motor. Corrente de roda livre, no caso, é a corrente que é mantida temporariamente devido a inércia indutiva da fa- se de motor também depois de fechar a mesma. Para medir a corrente de roda livre, freqüentemente um circuito separado é conjugado a um transmis- sor de ângulo de giro convencional que somente dispara ou libera a determi- nação da posição somente quando a corrente de roda livre deixou de existir.
O sinal de posição emitido pelo transmissor de ângulo de giro usualmente é conduzido a um micro-controlador que ativa a conexão de conversão de freqüência, como "sinal de disparo" trigger. A presente invenção tem a tarefa de fornecer um processo que
pode ser implementado de modo construtivamente simples e barato para a determinação da posição em um motor elétrico sem escova e sem sensor, e de indicar um dispositivo especialmente apropriado para a execução do pro- cesso.
No que se refere ao processo , esta tarefa é solucionada de a-
cordo com a presente invenção com as características da reivindicação 1. De acordo com isto é previsto, depois de fechar uma fase de motor onde a força contra-eletromotriz deve ser analisada, durante um período de deter- minação averiguar a tensão por fase e determinar durante o período de de- terminação um valor de crista dessa tensão por fase. A dita fase de motor, cuja tensão por fase é explorada, a seguir será denominada de primeira fase de motor. Não obstante a essa denominação, porém, qualquer fase de motor do motor elétrico pode ser escolhida para este fim.
Esta fase é fechada através da sua separação dos dois potenci- ais de referência do circuito intermédio - isto é, usualmente um potencial de serviço selecionado positivo e massa. O valor de crista é o valor máximo, eventualmente livre de interferências, que a tensão por fase assume desde o início do período de determinação até um momento atual.
Em seguida, este valor de crista é comparado com um valor de comparação, sendo que é gerado um sinal de posição quando o valor de crista ultrapassa o valor de comparação. Este valor de comparação é de tal modo numericamente determinado que corresponde ao valor da tensão por fase em uma passagem por zero da tensão induzida na primeira fase de mo- tor, isto é, a força contra-eletromotriz. Para a realização de um avanço de ignição ou ignição retardada é previsto, como alternativa, que o valor de comparação diante do valor que corresponde à passagem por zero da força contra-eletromotriz é aumentado ou diminuído por um valor de correção pre- determinado.
A presente invenção é baseada no conhecimento de que o dis- pêndio construtivo necessário para a execução do processo de determina- ção de posição pode ser consideravelmente reduzido quando passos indivi- duais do processo não são executados através da técnica de circuito analó- gicos, eletrônicos, e sim, numericamente. Para a execução de algoritmos numéricos pode ser preparado pela técnica do programa e, por conseguinte, sem dispêndio adicional construtivo, o micro-controlador de qualquer modo previsto de acordo com o padrão em um controle de motor.
Uma simplificação decisiva do processo torna-se possível pelo reco- nhecimento de que para a determinação da força contra-eletromotriz na pri- meira fase de motor não é obrigatoriamente necessária uma medição da tensão por fase da demais fases de motor, e sim que pelo menos uma ten- são por fase de uma das outras fases de motor ou pode ser calculada ou a determinação dessa tensão por fase pode ser feita obsoletamente por meio de transformação matemática apropriada das equações de base e/ou por meio de medidas construtivas. De preferência, apenas uma única tensão por fase , precisamente a da primeira fase de motor, é determinada pela técnica de medição.
O valor de crista da tensão por fase determinada é formado de prefe- rência, através de um circuito eletrônico que, como é conhecido, pode ser realizada de maneira simples e barata, na forma de um sinal analógico, e colocado a disposição. A comparação do valor de crista com o valor de comparação, em contrapartida, é preferencialmente executada numerica- mente, de modo que um comparador separado não é necessário para este fim.
No contexto da determinação do valor de crista, apropriadamen- te as flutuações da tensão por fase, como são causadas por processos de comutação (as chamadas "sobre-oscilações de comutação") são eliminadas por meio de filtração, a fim de não distorcer o valor de crista e para excluir um erro de determinação de posição assim causado.
Em uma execução simples e apropriada do processo de acordo
com a presente invenção, o valor de comparação é determinado de acordo com a fórmula Uv = Uz/2 + ΔΩ. No caso, Uz significa um potencial de opera- ção do circuito intermediário, especialmente 15 volt contra massa. ΔΩ signi- fica em geral o valor de correção que para o ajuste do avanço de ignição ou a ignição retardada pode ter um valor negativo ou positivo ou também o va- lor zero. O potencial de operação preferencialmente é determinado pela téc- nica de medição, sendo que antes do início do período de determinação a primeira fase de motor é ligada ao potencial de operação. O potencial de operação também pode simplesmente ser deduzido do valor de crista da tensão por fase obtido neste período.
Ao período de determinação apropriadamente é conectado à frente um período de comutação cuja duração é determinada pelo desvane- cimento da corrente de roda livre que flui na primeira fase de motor. O final do período de comutação, no caso com vantagem por sua vez é determina- do pela determinação e análise repetida do valor de crista da tensão por fa- se. O período de comunicação é considerado como tendo terminado quando o valor de crista fica interior a um valor limite predefinido.
No que se refere ao dispositivo, a tarefa é solucionada de acordo com a presente invenção com as características da reivindicação 9. De a- cordo com isso, para determinar o valor de crista, é prevista uma avaliação eletrônica analógica que dá um sinal de medição do valor de crista obtido para a execução do processo numérico posterior em uma conexão analógica de um micro-controlador. Nisso, o micro-controlador é preparado pela técni- ca de programa para preparar o valor de crista com um valor de comparação e de gerar um sinal de posição quando o valor de crista supera o valor de comparação. O micro-controlador também é preparado para a determinação numérica do valor de comparação de acordo com o processo acima descrito. Em uma execução preferida e especialmente simples, o circuito de avaliação é essencialmente formado por um primeiro condensador e um primeiro diodo. O primeiro condensador, no caso, é conectado entre uma tiragem de tensão da tensão por fase da primeira fase de motor e massa. O diodo está interconectado entre a fase de motor e o condensador em direção de passagem. A fim de impedir uma sobrecarga da conexão analógica do micro-controlador em caso de um alto número de rotações do motor e valo- res respectivamente altos da força contra-eletromotriz, o circuito de avalia- ção utilmente é precedida por um circuito de divisão de tensão, por meio do qual uma tensão em essência proporcionalmente reduzida em relação á ten- são por fase é conduzido ao primeiro diodo.
Dentro do circuito de divisão de tensão com vantagem está dis- posto um segundo diodo conectado em paralelo ao primeiro diodo. Este se- gundo diodo, por um lado, serve para compensar tolerâncias condicionadas por fabricação, fadiga e temperatura da tensão do diodo do primeiro diodo que poderia falsificar o resultado da execução do processo número seguinte. Uma compensação especialmente boa é obtida pelo fato de que como se- gundo diodo é usada uma execução de diodo de construção idêntica ao pri- meiro diodo. Em especial é usada uma unidade construtiva eletrônica que contém os dois diodos, uma vez que os diodos de tal unidade construtiva integrada, via de regra, apresentam dados característicos altamente seme- lhantes.
Adicionalmente, o segundo diodo permite em uma execução es- pecialmente vantajosa do circuito de avaliação uma ativação ou desativação reversível do circuito de divisão de tensão. Para a desativação, a extremida- de do lado da massa em estado ativo do divisor de tensor é colocada em uma tensão que corresponde ao potencial operacional, e assim o segundo diodo é bloqueado. A ativação ou desativação do divisor de tensão, de modo construtivamente simples é feita pelo micro-controlador. Para esta finalidade, uma conexão digital do micro-controlador é ligada ao divisor de tensão.
Para separar por filtração as flutuações condicionadas pelo pro- cesso de comutação da tensão por fase, preferencialmente um segundo condensador é conectado em paralelo ao primeiro condensador e ao primei- ro d iodo.
Em uma execução preferida da presente invenção uma determi- nação da posição também é possível quando o motor elétrico encontra-se na chamada marcha livre. O termo "roda livre" (é um fenômeno completamente independente dos termos "diodo de roda livre" e "corrente de roda livre") descreve um estado operacional do motor onde o rotor é colocado em mo- vimento, sem que as fases de motor recebam corrente elétrica. Um motor elétrico encontra-se em regime de roda livre tipicamente no final de opera- ção depois de desligar da corrente do motor. Um motor elétrico usado para operar um ventilador também pode ser colocado no regime da roda livre a- través de uma corrente de ar que age sobre o ventilador. A determinação da posição na roda livre é permitida de maneira especialmente simples pelo fato de que as demais fases de motor em estado não determinado são colocadas em uma tensão de teste definida. Isto se realiza apropriadamente de um modo especialmente simples, conectando cada uma das demais fases do motor na tomada média de um circuito de divisão de tensão. O circuito de divisão de tensão, no caso, é executado com uma resistência suficientemen- te alta, de modo que não influência a ativação do motor de maneira signifi- cante.
Em um aperfeiçoamento vantajoso do dispositivo, a conexão analógica do micro-controlador ligado a um circuito de avaliação pode tanto ser configurado como entrada como também como saída. Na configuração como entrada, a conexão analógica serve para a receptação e digitalização do valor de crista trazido pelo circuito de avaliação. Em configuração como saída, a conexão analógica serve para a recolocação simples e apropriado do circuito de avaliação em um estado de partida. Em especial, para tal a conexão analógica é ocupada com um sinal zero como saída. Neste estado, a saída analógica é internamente ligada à massa, de modo que o condensa- dor do circuito de avaliação é descarregado através do micro-controlador.
A seguir, exemplos de execução da presente invenção são ex- plicados detalhadamente com a ajuda de um desenho. Ele mostra: a figura 1 mostra um diagrama em bloco de um motor elétrico polifásico sem escova e sem sensor com um circuito de conversão de fre- qüência e com uma unidade de controle para a determinação da posição do rotor e para a ativação do motor elétrico, compreendendo um circuito de ava- Nação e um micro-controlador que ativa o circuito de conversão de freqüên- cia,
a figura 2 mostra em um diagrama esquematicamente simplifi- cado cronológico, em confrontação parcial o decurso da tensão por fase em uma fase de motor selecionada e de um valor de crista do mesmo fornecido pelo circuito de avaliação,
a figura 3 mostra em um plano de conexão uma primeira forma de execução do circuito de avaliação,
a figura 4 mostra em um diagrama cronológico esquematicamen- te simplificado o decurso de uma tensão por fase na comutação a fase de motor pertencente,
a figura 5 mostra em um fluxograma um esquema do decurso do processo para a determinação da posição durante a ativação do motor,
a figura 6 mostra em um esquema de circuito elétrico um circuito de divisão de tensão através do qual uma tensão de teste definida pode ser aplicada nas demais fases de motor, para possibilitar uma determinação de posição também na roda livre do motor elétrico,
a figura 7 de acordo com a ilustração da figura 5 um esquema de um decurso de processo destinado à determinação de posição na roda livre, a figura 8 mostra em uma apresentação de acordo com a figura 2 uma forma de execução alternativa do circuito de avaliação,
a figura 9 mostra de acordo com a figura 2 uma outra forma de execução do circuito de avaliação.
Componentes e valores idênticos levam as mesmas referências em todas as figuras.
A figura 1 mostra um diagrama em bloco de um motor elétrico
sem escova e sem sensor (a seguir denominado de motor 1) ao qual é con- jugado um circuito de conversão de freqüência 2 para o abastecimento com energia. O motor 1 mostrado é trifásico e compreende três fases de motor U, VeW que possuem respectivamente um enrolamento do induzido disposto no estator do motor 1. As fases de motor U, V, W estão interconectadas em conexão em estrela e assim, em um ponto neutro P são interligados condu- zindo energia, mas o processo descrito a seguir também pode ser usado em motores elétricos com fases de motor conectadas de maneira diferente, em especial em conexão triangular.
A extremidade de conexão respectivamente oposta ao ponto neutro P de cada fase de motor U, V, W (que também é denominada de bor- ne de fase 3 da respectiva fase de motor U, V, W) é respectivamente ligada à tomada média de uma semi-ponte 4 pertencente do circuito de conversão de freqüência 2. Cada semi-ponte 4 compreende dois interruptores de po- tência 5 e 6, respectivamente executado de preferência, como MOSfet [tran- sistor de efeito de campo de semicondutor de óxido metálico]. Através do interruptor de potência 5 disposto em cada semi-ponte 4 a fase de motor U, V, W pertencente pode ser ligada a um potencial de serviço Uz. Através do respectivo outro interruptor de potência 6 a fase de motor U, V, W pode ser ocupada com potencial de massa (a seguir brevemente denominado de "massa Μ"). O potencial de serviço Uz e a massa M são conduzidos ao cir- cuito de conversão de freqüência 2 através de um chamado circuito interme- diário 7. Um chamado diodo de roda livre 8 ou 9 é conectado em paralelo a cada interruptor de potência 5 e 6.
Para a ativação dos interruptores de potência 5, 6, uma unidade de controle 10 é conjugada ao circuito de conversão de freqüência 2. A uni- dade de controle 10 compreende um micro-controlador 11 que ativa cada um dos interruptores de potência 5, 6 de tal modo que durante a operação do motor 1 os enrolamentos do induzido das fases de motor U, V, W geram um campo magnético rotativo que aciona um rotor (não mostrado) do motor 1.
A ativação dos interruptores de potência 5, 6 acontece em de- pendência da posição do rotor de acordo com um chamado esquema de comutação. Em especial é usada uma chamada comutação bipolar em blo- co. Nisso, durante um ciclo completo, isto é, uma rotação de rotor completa dentro de primeiro (positivo) bloco de comutação cada fase de motor U, V, W é comutada pelo menos temporariamente ao potencial de serviço U2. Duran- te um segundo (negativo) bloco de comutação, a fase de motor U, V, W é comutada para massa M. Cada bloco de comutação estende-se - relaciona- do à rotação do rotor - sobre uma faixa de um ângulo de giro denominado de ângulo de ativação que é inferior a 180 Entre os blocos de comutação são formadas faixas de ângulo intermediário onde a respectiva fase de motor U, V, W é separada por borne do circuito intermediário 7, isto é, onde nem o interruptor de potência 5 no lado do potencial alto, nem o interruptor de po- tência 6 no lado de massa da semi-ponte 4 pertencente está conectado con- duzindo eletricidade., para a geração de uma corrente elétrica trifásica, cada fase de motor U, V, W é ativada, relativamente à outra fase de motor U, V, W, defasada em 120°.
Para o controle da potência do motor, as fases de motor U, V, W são ativadas com modulação por largura de pulso. Nisso, cada fase de mo- tor U, V, W com o bloco de comutação positivo não é comutada em todo o ângulo de ativação para o potencial de serviço Uz, e sim, é operado de modo periodicamente pulsado.
Para sincronizar a ativação do motor com a rotação do rotor de fato, o decurso da comutação é "disparado" por um sinal de posição Sp. O sinal de posição Sp indica os momentos, quando o rotor passa por uma de- terminada posição do rotor. O sinal de posição Sp é detectado de modo des- crito detalhadamente mais adiante com a ajuda da tensão (força contra- eletromotriz) induzida em uma fase de motor selecionada pela rotação do rotor. A título de exemplo, de acordo com a figura 1, a fase de motor V é se- lecionada como referência para a determinação da força contra-eletromotriz.
O processo executado pela unidade de controle 10 para a de- terminação da posição está fundamentado nas seguintes bases eletrodinâ- micas:
Para o potencial elétrico no ponto neutro P (a seguir denominado
de tensão de comando UP) vale Uli + Uy ±UW
Ur---^-- , GLG 1
onde Uu,, Uv, e Uw significam s tensão por fase da fase de motor U1 V, W que pode ser tomada no respectivo borne de fase 3. Em geral vale para ca- da tensão por fase Ux (com X = U, V, W)
Ux = Up + Uxjnd
onde Uxind significa a tensão (ou força contra-eletromotriz) induzida na fase de motor X = U, V, W. Na passagem por zero da tensão induzida na fase de motor V, isto é, para Uvind = 0, vale de acordo
Uv = Up . GLG 3
Das equações 1 e 3 resulta
I ' —tf _ ^t ' r ,-·
U1 =Ui,---GLG 4
Para a passagem por zero da força contra-eletromotriz Uvind-
A passagem por zero da força contra-eletromotriz Uvind na fase de motor U, V, W V e a posição do motor que corresponde a esta passagem por zero pode ser reconhecido, de acordo com a equação GLG 4 pelo fato de que a tensão por fase Uv ultrapassa o valor médio das tensões por fase restantes Uu e Uw.
Nesta lei está fundamentado - de acordo com o princípio básico - o processo de determinação da posição executado pela unidade de controle 10. Depois, somente a tensão por fase Uv é determinada pela técnica de medição. O sinal de posição Sp é gerado quando a tensão por fase Uv ultra- passa uma tensão de comparação Uc que é determinada com a ajuda da equação GLG 4 (ou de uma equação deduzida dela) de tal modo que cor- responde à tensão por fase Uv em um determinado valor da força contra- eletromotriz Uvind , em especial, a passagem por zero. Em geral, a tensão de comparação Uc é selecionada de acordo com
As tensões por fase Uu e Uw que entram nas equações GLG 4 e
, no caso, não são medidas diretamente, e sim, determinados numérica- mente no micro-controlador 11 com a ajuda de informações disponíveis so- bre a ativação do motor. ΔΩ significa um fator de correção que é ocupado com o valor 0, quando o motor 1 o sinal de posição Sp na fase com a passa- gem por zero da força contra-eletromotriz Uvind deve ser gerado. Para um avanço de ignição ou uma ignição retardada, ΔΩ é ocupado com um valor negativo e positivo respectivamente.
Na realização prática do princípio básico acima é levado em consideração que a determinação da posição do rotor na base da equação GLG 4 é dificultado pela modulação por largura de pulso (PWM), já que a tensão por fase medida Uv e também as demais tensões por fase Uu , Uw com os pulsos da modulação por largura de pulso em alta freqüência variam com o tempo como pulso. Adicionalmente, é perturbado o decurso da tensão por fase Uv medida devido a flutuações condicionadas pelo processo de co- mutação (sobrecarga de comutação). O decurso da tensão por fase Uv pre- judicado por pulsos de modulação por largura de pulso e sobrecarga de co- mutação é mostrado, a título de exemplo, de modo esquemático na figura 2 em um diagrama cronológico.
Para a simplificação do processo de determinação de posição, não é usada a tensão por fase Uv real para a comparação, e sim, um valor de crista Uv* desta tensão por fase Uv que durante um período de determi- nação Te predefinido reflete o valor máximo da tensão por fase Uv livre da sobrecarga de comutação. Na figura 2 o decurso do valor de crista Uv* é confrontado ao decurso da tensão por fase Uv real.
A tensão por fase Uv é detectada dentro da unidade de controle 10 através de um circuito de avaliação 12 analógico eletrônico. O circuito de avaliação 12 gera de modo ainda a ser descrito detalhadamente mais adian- te um sinal de medição Suv* que corresponde ao valor de crista Uv* e o en- caminha para uma conexão analógica 13 do micro-controlador 11. Com a ajuda do valor de crista Uv* o micro-controlador 11 determina de modo a ser descrito detalhadamente mais adiante numericamente a posição do rotor e gera o sinal de posição Sp.
Em uma primeira forma de execução de acordo com a figura 3, o circuito de avaliação 12 compreende um circuito de divisão de tensão 30 em cujo escopo duas resistências R1 e R2 estão conectadas em série entre a massa M e uma tomada 31 (figura 1, 3) para a tensão por fase Uv . Com a resistência R2 é conectado em paralelo um primeiro capacitor Ci com um primeiro diodo Di conectado em série e polarizado em direção de passagem. No ramo do lado da massa do circuito de divisão de tensão 30 é disposto um segundo diodo D2 também polarizado em direção de passagem e, portanto, conectado em paralelo ao diodo D1. O circuito de avaliação 12 compreende ainda um segundo capacitor C2 conectado em paralelo com o diodo D1 e o CapaCitorC1.
Devido ao circuito de divisão de tensão 30, o diodo D1 não rece- be diretamente a tensão por fase Uv , e sim, uma tensão mais ou menos proporcional a esta, cujo valor corresponde a cerca de 20 % da tensão por fase Uv devido ao dimensionamento apropriado das resistências R1, R2. Sem levar em consideração a influência dos capacitores C1, C2 resulta por meio de cálculo para a tensão de saída aplicada na saída do diodo D1 de
-Trr-lt/v -^l+^-í/,,, , GLG 6
Λ í li.
onde UDi e Ud2 significam as tensões de fluxo dos diodos D1 ou D2. Em exe- cução preferida os diodos D1 e D2 apresentam a mesma construção e são executados especialmente como unidade construtiva 32 integrada, apresen- tando, portanto, em boa aproximação a mesma tensão de fluxo Ud = Udi = Ud2. A equação GLG 6 resulta em
U ~ -----Uv----——Ull . GLG ?
" R t A\ R i i R .
Através do diodo D1 é carregado o capacitor C1. Nisso, o diodo D1 impede a saída da carga, de modo que o estado de carga do capacitor C1 é armazenado. A tensão que cai através do capacitor C1 corresponde assim essencialmente ao valor máximo que a tensão de saída Ua assumiu durante o período de determinação TE. Mais os piques de tensão temporários como são causados tipicamente devido a processos de comutação são absorvidos ou filtrados pelo capacitor C2. A tensão que cai através do capacitor C1 é levada como sinal de medição Suv* até a conexão analógica 13 do micro- controlador 11.0 micro-controlador 11 determina através de digitalização o valor de tensão numérico do sinal de medição Suv* e calcula isso, com a aju- da de valores depositados para as resistências R1 e R2 e a tensão de d iodo UdO valor real do valor de crista Uv*.
O período de determinação Te começa com a última descarga do capacitor Ci (ou com a aplicação da tensão de saída Ua no capacitor Ci descarregado) e dura até o momento atual ou o máximo até o momento, on- de o capacitor Ci novamente é descarregado (veja a figura 2). A conexão analógica 13, durante o período de determinação Te , é configurado como entrada de tensão e apresenta uma resistência respectivamente alta, de modo que é impedida uma descarga do capacitor Ci através do micro- controlador 11.
Para a descarga, a conexão analógica 13 é reconfigurada como saída de tensão e operada com um potencial de O volt. Neste estado, a co- nexão analógica 13 é comutada para massa M dentro do micro-controlador 11, de modo que a carga armazenada no capacitor Ci pode sair através do micro-controlador 11.
O diodo D2 providência uma compensação pelo menos parcial de tolerâncias da tensão de fluxo Udi do diodo D1. Isto se torna reconhecível quando se compreende que sem o diodo D2 (U02 = 0) resultaria da equação GLG 6
U =-=--U1 -Ult. GLG B
' R + Λ\
Uma comparação das equações GLG 7 e GLG 8 mostra que através do uso da diodo D2 as tolerâncias da tensão de fluxo Ud = Udi ape- nas entram na relação de R2 : (R1 + R2) e que portanto a influência do diodo D1 é reduzido por este fator.
Reconhecimento de posição durante a ativação do motor.
A força contra-eletromotriz Uvind somente pode ser detectada na fase de motor V quando esta está sem corrente. Durante a ativação do mo- tor 1, um reconhecimento de posição somente é possível em uma das faixas de ângulo intermediário, onde a fase de motor V é separada do circuito in- termediário 7 por grampo. Nesse estado operacional sempre uma das outras fases de motor U ou W (pelo menos temporariamente) comutado para o po- tencial de serviço Uz, e a fase de motor remanescente W ou U é comutado para massa M. Assim a equação GLG 5 simplifica-se para
£·'.·-%- K> · GLG 9
O potencial de serviço Uz que entra na equação GLG 9 pode ser depositado no micro-controlador 11 como constante, mas, de preferência, o potencial de serviço Uz é detectado pela técnica de medição. Para tal, depois do término de um bloco de comutação, temporariamente para a duração de um tempo de medição Tm (figura 4), a fase de motor V é comutado para o potencial de serviço Uz, através da ativação do interruptor de potência 5 no lado do alto potencial pertencente. Nisso, o potencial de serviço Uz é deter- minado por meio do circuito de avaliação 12 através da detecção do valor de crista Uv* que neste estado operacional corresponde ao potencial de serviço Uz , e depositado no micro-controlador 11 para o uso posterior. A medição reposiciona o circuito de avaliação 12 através da descarga do capacitor Ci.
De preferência, durante a ativação do motor, somente a passa- gem por zero positivo da força contra-eletromotriz UVind, isto é, a mudança de sinais da força contra-eletromotriz UVind de negativo para positivo são detec- tados. A passagem por zero positivo pela força contra-eletromotriz Uvind o- corre cada vez depois do bloco de comutação negativo onde a fase de motor V á comutada para massa M.
Também depois da separação por grampo da fase de motor V a força contra-eletromotriz não pode ser detectada imediatamente. Antes pelo contrário, primeiro, para a duração de um tempo de desligamento Tf (figura 4), é preciso esperar até que a corrente de roda livre mantida na fase de mo- tor V através da indução própria e saindo através do diodo de roda livre 8 dissipou-se na fase de motor V.
Para determinar a duração do tempo de tempo de desligamento TF, é detectada a corrente de roda livre indiretamente através do valor de crista Uv*. Nisso, procede-se seguindo o princípio de medição ilustrado es- quematicamente com a ajuda da figura 4. A figura 4 mostra de modo es- quematicamente simplificado um recorte de tempo do decurso da tensão por fase Uv- A influência de pulsos de PWM e de sobrecarga de comutação so- bre o decurso da tensão por fase Uv foi negligenciada por motivos de melhor visibilidade.
Da figura 4 fica evidente que a fase de motor V até um momento t0 comuta negativamente e, portanto, é comutada para massa M, de modo que a tensão por fase Uv em essência apresenta o valor 0 volt. No momento to, a fase de motor V é separada de massa M. Em conseqüência da corrente de roda livre que sai através do diodo de roda livre 8 no lado da alta potên- cia, a tensão por fase Uv sobre rapidamente para um valor que corresponde em essência ao potencial de serviço Uz. A tensão por fase Uv somente rui novamente a um momento ti quando a corrente de roda livre acabou e, por- tanto, o tempo de desligamento Tf terminou.
O tempo de desligamento Tf é determinado - depois da determi- nação da tensão do circuito intermediário Uz - determinando-se por meio do circuito de avaliação 12 repetidas vezes o valor de crista Uv* e comparando o numericamente com um valor limite Us no micro-controlador 11. Enquanto o valor de crista Uv* ultrapassar o valor limite Us, isto é tomado como indica- ção de que a corrente de roda livre ainda não desvaneceu. Neste caso, a medição é repetida imediatamente ou depois de um tempo de retardação predefinido. Antes de cada medição, o circuito de avaliação 12 é zerado por meio de descarga do capacitor Ci. Tão logo, no escopo da comparação descrita for constatado que
o valor de crista Uv* fica abaixo do valor limite Us, isto é, tido como indicação de que a corrente de roda livre desvaneceu. Neste caso é iniciado o reco- nhecimento de posição.
Para o reconhecimento da posição do rotor, o circuito de avalia- ção 12 é colocado no estado de partida através da descarga do capacitor Ci e com isso é iniciado o período de determinação Te. No micro-controlador 6 o valor de crista Uv* trazido pelo circuito de avaliação 12 continuamente ou periodicamente é comparado com um valor de comparação Uc obtido de acordo com a equação GLG 9. Se o valor de crista Uv* ficar abaixo do valor de comparação Uc, então e medição é repetida imediatamente ou em um momento posterior predefinido. Tão logo em um momento t3 o valor de crista Uv* fique pelo primeira vez inferior ao valor de comparação Uc, é gerado o sinal de posição Sp e a comutação positiva da fase de motor V é iniciada (na figura 4, isto é, evidente em um aumento repentino da tensão por fase Uv até mais ou menos o valor do potencial de serviço Uz).
Dessa forma resulta para o reconhecimento de posição durante a ativação do motor um decurso do processo descrito mais detalhadamente com a ajuda de um fluxograma na figura 5 que por técnica de programa é implementado no micro-controlador 11.
O micro-controlador 11 começa no processo terminando o bloco de comutação negativo (passo 40), e, portanto no momento t0 de acordo com a figura 4. De qualquer maneira, o momento to é dado pelo micro- controlador 11 para a ativação do circuito de conversão de freqüência 2 e, portanto, é conhecido.
Nos passos seguintes 41 a 44, primeiro é determinado a valor do potencial de serviço Uz. Para tal, em passo 41 o micro-controlador ativa o interruptor de potência 5 conjugado à fase de motor V e comuta a fase de motor V para o potencial de serviço Uz Depois, o micro-controlador 11 reali- za uma medição do valor de crista Uv*, zerando o circuito de avaliação 12 por apagar o capacitor Ci (passo 42) e coletando o valor atual do valor de crista Uv* (passo 43). Em passo 44, o valor de crista Uv* é depositado como valor do potencial de serviço Uz.
Depois da determinação do potencial de serviço Uz, o micro- controlador 11 fecha o interruptor de potência 5 conjugado à fase de motor V (passo 45), a fim de separar a fase de motor V do potencial de serviço Uz, e determina nos passos seguintes 46 a 48 o tempo de desligamento TF. Para tal, o micro-controlador 11 apaga novamente o capacitor Ci (passo 46) e coleta o atual valor de crista Uv* (passo 47). O micro-controlador 11 verifica em seguida no passo 48 se o valor de crista Uv* obtido fica abaixo do valor limite Us-
Enquanto a comparação for negativa, isto é tomado como indi- cação de que a corrente de roda livre ainda não desvaneceu. Neste caso, os passos 46 a 48 são repetidos imediatamente ou depois de um tempo de re- tardamento predefinido.
Se a comparação for positiva, isto é, tomado como indicação de que a corrente de roda livre desvaneceu. Neste caso, o reconhecimento de posição propriamente dito é iniciado de acordo com os passos seguintes 49 a 52.
No início do reconhecimento de posição, no passo 49, o circuito
de avaliação 12 é zerado por apagar do capacitor Ci (passo 50). Em segui- da, o micro-controlador 11 coleta o valor atual do valor de crista Uv* (passo 51) e verifica se este ultrapassa o valor de comparação Uc, calculado de acordo com a equação 9. Enquanto a comparação for negativa, isto é tomado como indi-
cação de que a posição do rotor procurada ainda não foi alcançada. Os pas- sos 50 e 51 são repetidos, imediatamente ou depois de um tempo de retar- dação predefinido. Se a comparação for positiva, isto é tomado como uma indicação de que a posição do rotor procurada foi alcançada. Neste caso, o micro-controlador 11 gera o sinal de posição Sp (passo 52) e termina o pro- cesso (passo 53).
Determinação de posição no regime de roda livre:
Na roda livre a determinação de posição na base da equação GLG 5 não seria possível sem outras providências, já que neste estado as tensões por fase Uu e Uw são desconhecidas. Para assim mesmo, também no regime de roda livre, possibilitar uma determinação de posição com a medição exclusiva da tensão por fase Uv, as demais fases de motor U, W são colocadas em tensões de teste Un e UT2 definidas (veja a figura 1).
Para tal, estas fases de motor U, W são ligadas a um circuito de divisão de tensão 60 mostrado na figura 6 que para o fornecimento da ten- são de teste UTi compreende as resistências R3 e R4 e para o fornecimento da tensão de teste UT2 compreende as resistências R5 e R6. As resistências R3 a R6 são dimensionadas com resistência suficiente, que a comutação das fases de motor UeW não é prejudicada significativamente pelo circuito de divisão de tensão 60.
Com as relações Uu = Un e Uw = Uj2, a equação GLG 5 se tor-
na
Ur = Un iUj: l· AQ. GLG 10
A fim de não obter nenhuma medição errada em números de rotações baixas, uma passagem por zero positiva somente é aceita, segun- do o modo de histerese, quando o valor de crista Uv* antes não alcançou um valor de comparação Uc diminuída por uma tensão de histerese Uh predefi- nida.
Com isso resulta um decurso de processo descrito mais deta- lhadamente com a ajuda de um fluxograma na figura 7:
Depois do início do programa (passo 70), o micro-controlador 11 verifica em passo 71, especialmente através de uma solicitação de uma va- riável de controle (flagl), se existem os pré-requisitos para o teste de uma passagem por zero positiva. Se isto não for o caso, o micro-controlador 11 coleta no passo 72 do circuito de avaliação 12 o valor de crista Uv* atual. No passo 73 o micro-controlador 11 verifica se o valor de crista Uv* não alcança a valor de comparação Uc diminuída pela tensão de histerese UH. Se isto for o caso, o micro-controlador 11 sinaliza (colocando
flagl no passo 74) que os pré-requisitos para o teste de uma passagem por zero positiva estão compridos, zera o circuito de avaliação 12 por apagar o capacitor Ci (não mostrado detalhadamente) e termina a execução do pro- cesso (passo 75).
Se a comparação feita no passo 73 for negativa, então a execu-
ção do processo é terminada imediatamente.
Porém, se no passo 71 for constatado que o pré-requisito (flagl = 1) para o teste de uma passagem por zero positiva existe, então o micro- controlador 11 coleta no passo 76 analogamente ao passo 72 o valor de cris- ta Uv* atual e verifica em passo 77 se este valor de crista Uv* ultrapassa a valor de comparação Uc determinada de acordo com a equação GLG 10.
Um resultado de comparação positivo é tomado como indicação de que a posição do rotor procurada foi alcançada. Neste caso, o micro- controlador 11 gera no passo 78 o sinal de posição Sp, sinaliza (pela reposi- ção de flagl) que as condições para o teste para uma passagem por zero positiva já não existem mais, e termina a execução do processo.
Se a comparação realizada no passo 77 for negativa, isto é to- mado como indicação de que a posição do rotor procurada ainda não foi al- cançada. Neste caso a execução do processo é terminada imediatamente. O processo acima descrito de acordo com os passos 70 a 78 é repetido conti- nuamente ou periodicamente em curtos intervalos de tempo, enquanto o mo- tor estiver sem corrente elétrica, estando potencialmente em regime de roda livre.
Para melhorar a precisão de detecção, o processo acima descri- to é modificado opcionalmente de tal modo que alternadamente é detectada a passagem por zero positiva e negativa da força contra-eletromotriz Uvind A detecção de uma passagem por zero negativa, a princípio também acontece de modo acima descrito, sendo que deve ser levado em consideração que nas operações de comparação em passo 73 e em passo 77 as relações de comparação como base são usadas com sinais invertidos. Também é preci- so atentar para o fato de que imediatamente antes de cada coleta do valor de crista Uv* no passo 72 e 76 o circuito de avaliação 12 precisa ser zerado pela descarga do capacitor Ci.
Nas figuras 8 e 9 são mostradas duas formas de execução alter- nativas do circuito de avaliação 12. Estas formas de execução diferenciam- se da forma de execução de acordo com a figura 2 pelo fato de que o circui- to de avaliação 12 - como é indicado na figura 1 em linha pontilhada - é adi- cionalmente ligado a uma conexão digital 80 do micro-controlador 11, de modo que o circuito de divisão de tensão 30 pode ser ativado e desativado de modo reversível pelo micro-controlador 11 através da conexão digital 80.
Uma desativação do circuito de divisão de tensão 30 é reco- mendável especialmente em números de rotações do motor baixos, já que neste caso também a força contra-eletromotriz Uvind é pequena e que com isso a tensão por fase Uv nos arredores da passagem por zero da força con- tra-eletromotriz Uvind somente uma alteração por tempo fraca.
Na forma de execução de acordo com a figura 8, a saída no lado da massa da resistência R2 não é colocada diretamente em massa M, e sim, é ligada à conexão digital 80 do micro-controlador 11. Para ativar a circuito de divisão de tensão 30 nesta execução, a conexão digital 80 como saída é operada com um potencial de saída de 0 volt, de modo que a resistência R2 dentro do micro-controlador 11 é colocada em massa M. Neste caso, o cir- cuito de avaliação 12 funciona de acordo com a figura 8 analogamente ao exemplo de execução de acordo com a figura 2.
A fim de desativar o circuito de divisão de tensão 30, o potencial de serviço Uv é emitido através da conexão digital 80 operado como saída de tensão do micro-controlador 11. Devido a isto, o diodo D2 bloqueia com a conseqüência de que o sinal de medição Suv* contém o valor de crista Uv* na proporção de divisão 1:1.
Na variação mostrada na figura 9 do circuito de avaliação 12, a conexão digital 80 do micro-controlador 11 é ligada, em divergência, a um ponto de contato interligado entre o diodo D2 e a resistência R2. Nesta execução, para a ativação do circuito de divisão de tensão
30, a saída digital 80 é operada como entrada de tensão e, portanto, perma- nece sem influência para o modo de funcionar do circuito de divisão de ten- são 30. Para a desativação do circuito de divisão de tensão 30, em contra- partida, o potencial de serviço Uz é emitido através da conexão digital 80 agora operada como saída de tensão, fazendo com que novamente o diodo D2 bloqueie.
Claims (19)
1. Processo para a determinação de posição do rotor em um motor elétrico polifásico sem escova e sem sensor (1), - onde depois de fechar por borne uma primeira fase de motor (V) dos potenciais de referência (Uz, M) de um circuito intermediário (7), du- rante um período de determinação (Te) é determinada uma tensão por fase (Uv) aplicada no lado dos bornes nesta fase de motor (V); - onde durante um período de determinação (Te) é determinado um valor de crista (Uv* da tensão por fase (Uv) captada; -onde o valor de crista (Uv*) é comparado a um valor de compa- ração (Uc); e - onde é gerado um sinal de posição (Sp) quando o valor de cris- ta (Uv*) ultrapassa o valor de comparação (Uc), sendo que o valor de com- paração (Uc) é de tal modo determinado numericamente que corresponde ao valor da tensão por fase (Uv) em uma passagem por zero de uma tensão (Uvind) induzida na primeira fase de motor (V) ou a um valor aumentado ou diminuído em contrapartida por um determinado valor de correção (ΔΩ).
2. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pe- lo fato de que é determinada exclusivamente a tensão por fase (Uv) da pri- meira fase de motor (V).
3. Processo, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracteriza- do pelo fato de que o valor de crista (Uv*) é determinado como sinal analógi- co pela técnica de comutação.
4. Processo, de acordo com uma das reivindicações 1 a 3, ca- racterizado pelo fato de que no escopo da determinação do valor de crista as flutuações causadas pelo processo de comutação são separadas por filtra- ção da tensão por fase (Uv).
5. Processo, de acordo com uma das reivindicações 1 a 4, ca- racterizado pelo fato de que a comparação do valor de crista (Uv*) com o valor de comparação (Uc) é feita numericamente.
6. Processo, de acordo com uma das reivindicações 1 a 5, onde o valor de comparação (Ue) é determinado de acordo com a fórmula Uc = Uz/2 + ΔΩ, onde Uz é um potencial de serviço de circuito intermediário, e ΔΩ é um valor de correção livremente predefinido.
7. Processo, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pe- lo fato de que o potencial de serviço (Uz) de circuito intermediário é deduzido de uma medição do valor de crista (Uv*) da tensão por fase (Uv) feita antes do período de determinação (TE), sendo que para esta medição a primeira fase de motor (V) é ligada ao potencial de serviço (Uv) do circuito intermediá- rio.
8. Processo, de acordo com uma das reivindicações 1 a 7, ca- racterizado pelo fato de que um tempo de desligamento (Tf) que segue o fechamento por bornes da primeira fase de motor (V) é conectado em série antes do período de determinação (Te), tempo de desligamento (Tf) este cuja duração é determinada pelo desvanecimento de uma corrente de fase de motor que flui através da primeira fase de motor (V), sendo que o período de fechamento (Te) é terminado sob determinação e análise repetida do va- lor de crista (Uv*) da tensão por fase (Uv)1 quando o valor de crista (Uv*) não alcança um valor limite (Us) predefinido.
9. Dispositivo para a determinação da posição do rotor em um motor elétrico polifásico sem escova e sem sensor (1) com um micro- controlador (11) e um circuito de avaliação (12) eletrônico analógico, - onde o circuito de avaliação (12) é preparado para determinar uma tensão por fase (Uv) aplicada no lado do borne em uma primeira fase de motor (V) e para determinar um valor de crista (Uv*) dessa tensão por fase (Uv); - onde o circuito de avaliação (12) para a emissão do valor de crista (Uv*) obtido para o micro-controlador (11) é conectado a este por meio de uma conexão analógica (13); - onde o micro-controlador (11) é preparado para comparar o valor de crista (Uv*) com um valor de comparação (Uc), e para gerar um sinal de posição (Sp) quando o valor de crista (Uv*) ultrapassa o valor de comparação (Uc); - onde o micro-controlador (11) é preparado para determinar o valor de com- paração (Uc) de tal modo que corresponde ao valor da tensão por fase (Uv) em uma passagem por zero de uma tensão (UVjnd) induzida na primeira fase de motor (V) ou a um valor aumentado ou diminuído por um de correção (ΔΩ) predefinido em comparação com o mesmo.
10. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que o circuito de avaliação (12) compreende um primeiro capa- citor (Ci) comutado no lado do borne com a primeira fase de motor (V), e um primeiro diodo (D1) conectado em série na frente em direção de passagem.
11. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que ao primeiro diodo (D1) é levada uma tensão essencialmente proporcional à tensão por fase (Uv) através de um circuito de divisão de ten- são (30) conectado em série na frente.
12. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que dentro do circuito de divisão de tensão (30) um segundo diodo (D2) é conectado em paralelo ao primeiro diodo (D1).
13. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que o segundo diodo (D1) é construtivamente idêntico e integra- do em um componente junto com o primeiro diodo (D1).
14. Dispositivo, de acordo com uma das reivindicações 10 a 13, caracterizado pelo fato de que o circuito de divisão de tensão (30) pode ser ativado e desativado de modo reversível.
15. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que o circuito de divisão de tensão (30) para ativar ou desativar está ligado a uma conexão digital (80) do micro-controlador (11).
16. Dispositivo, de acordo com uma das reivindicações 10 a 15, caracterizado pelo fato de que ao primeiro capacitor (C1) e ao primeiro diodo (D1) está conectado em paralelo um segundo capacitor (C2) para separar por filtração flutuações da tensão por fase (Uv) condicionadas por processo de comutação.
17. Dispositivo, de acordo com uma das reivindicações 9 a 16, caracterizado pelo fato de que à fase de motor (V) ou em qualquer outra fase de motor é aplicada uma tensão de teste (Un, Uj2) definida.
18. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 17, caracterizado pelo fato de que para aplicar a tensão de teste (Uti, Uj2) a ou cada outra fase de motor (U, W) é ligada a um circuito de divisão de tensão (60).
19. Dispositivo, de acordo com uma das reivindicações 9 a 18, caracterizado pelo fato de que a conexão analógica (13) ligada ao circuito de avaliação (12) do micro-controlador (11) pode ser configurado como entrada para a determinação da valor de crista (Uv*), e para reposicionar o circuito de avaliação (12) em um estado de saída, pode ser configurado como saída.
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