ES2201692T3

ES2201692T3 - Regulador de velocidad por modulacion del ancho de impulsos para motores corriente continua.

Info

Publication number: ES2201692T3
Application number: ES99913320T
Authority: ES
Inventors: Herminio Navalon Carretero
Original assignee: Nagares SA
Current assignee: Nagares SA
Priority date: 1999-04-15
Filing date: 1999-04-15
Publication date: 2004-03-16
Anticipated expiration: 2019-04-15
Also published as: WO2000064040A1; DE69908825D1; ATE242935T1; EP1168592B1; EP1168592A1; DE69908825T2; US6831441B1

Abstract

Se presenta un regulador electrónico basado en la modulación del ancho de los impulsos (PWM) de una señal de onda rectangular de baja frecuencia, con el que se controla la velocidad de un motor de corriente continua. El objeto de la invención es el de simplificar el diseño del regulador eliminando el clásico elemento inductivo, de modo que el propio motor de continua hace las funciones de filtro de la señal de salida proporcionada por el componente de conmutación. Es igualmente objetivo de la invención evitar los ruidos producidos por la conmutación, para lo cual se trabaja con frecuencias de conmutación subsónicas, por debajo de los 50Hz.

Description

Regulador de velocidad por modulación del ancho de Impulsos para motores de corriente continua.

Objeto de la invención

En la presente invención se ha desarrollado un regulador electrónico para controlar la velocidad de un motor eléctrico de corriente continua, con el que se consigue simplificar el diseño respecto a los reguladores de velocidad conocidos.

Es igualmente objeto de esta invención, reducir los ruidos producidos por la conmutación, de forma que el funcionamiento del motor sea lo más silencioso posible, y obtener un nivel de interferencias electromagnéticas aceptable.

Antecedentes de la invención

Son ampliamente conocidos los reguladores PWM (Modulación de Anchos de Impulsos), que superan en eficacia a los reguladores lineales. En estos últimos se controla la velocidad de un motor de continua variando la corriente inducida mediante la modificación del valor de un elemento resistivo (por ejemplo un transistor funcionando en modo lineal) en serie con el motor, y que presentan el inconveniente de la grandes pérdidas que se producen en dicho elemento resistivo.

Los reguladores por modulación del ancho de impulso (PWM) posibilitan una regulación más eficaz. Estos reguladores basan su funcionamiento en un dispositivo de conmutación, como puede ser un transistor de potencia, al que se le aplica una señal de frecuencia fija y al cual se le hace trabajar siempre en uno de dos estados: conducción o no conducción. Para variar la corriente o la tensión de salida, se modifica la anchura del pulso que determina el tiempo de conducción del elemento de conmutación. Después de la etapa de conmutación se debe colocar un filtro para eliminar en la medida necesaria las fluctuaciones de corriente y/o tensión provocadas por la conmutación.

El uso de los reguladores PWM no se ha implantado definitivamente en el sector del automóvil, ya que es una solución que implica un coste económico elevado. El motivo de la presente invención es presentar un producto apto para este y otros mercados en los que el coste es un factor clave.

La patente alemana DE-196.17.947 describe un circuito de alimentación para motor que minimiza la reacción de la red de suministro eléctrico. El circuito comprende un rectificador, un conmutador controlado y un potenciómetro de ajuste del punto de referencia. El motor tiene un diodo de marcha con rueda libre, en paralelo con su armadura y otro bobinado del estator. Un bobinado adicional del estator cumple el papel de una bobina de choque amortiguadora conjuntamente con un condensador.

En esta disposición de circuito, se requiere el uso independiente de varios bobinados del estator, por lo que se necesita un motor modificado.

La patente europea EP-655.835 describe un procedimiento y un dispositivo para controlar un aparato eléctrico por medio de un dispositivo de modulación de la anchura de impulso, en el cual el aparato eléctrico se conecta y desconecta a una baja velocidad cíclica dentro del rango de 20 Hz a 10 kHz, y en el cual cada señal (a) de ciclo de baja frecuencia está seguida por un cierto número de señales (b) de alta frecuencia en un intervalo de 10 kHz a 100 kHz lo que retrasa la caída de corriente.

En este procedimiento, se impide el ruido de interferencia de baja frecuencia debido a la caída de corriente senoidal en el extremo de la señal cíclica de baja frecuencia.

Descripción de la invención

El regulador de velocidad para motores de corriente continua en el que consiste esta invención, presenta un diseño simplificado con el que se reduce considerablemente los costes, al mismo tiempo que se reducen los ruidos provocados por la conmutación del motor, haciendo que la conmutación se a lo más suave posible.

De este modo, la invención consiste en que el regulador no necesita ningún elemento inductor para filtrar la salida del dispositivo de conmutación, ya que el bobinado del motor y su propia inercia mecánica hacen las funciones de filtro, con lo cual se consigue un ahorro económico significativo al eliminar dicho elemento inductivo.

La clave para poder eliminar el inductor habitual en los circuitos de PWM y sustituirlo por el propio motor consiste en utilizar una frecuencia de conmutación por debajo de 50 Hz, y hacer las conmutaciones de forma suave. Pero puesto que los motores de corriente continua actúan como transductores sonoros, la frecuencia de conmutación se puede oír si está en el rango audible. En el caso de una frecuencia de modulación subsónica, lo que se oye son las transiciones, las mismas conmutaciones, que contienen frecuencias audibles. Para reducir este efecto se ha recurrido a redondear la forma de onda de corriente, eliminando las transiciones abruptas habituales en los circuitos PWM.

Al quedar eliminado el inductor del circuito PWM, este se presta a ser integrado completamente en una pastilla semiconductora, cosa imposible de otra forma (el inductor no se puede integrar).

Una consecuencia adicional de utilizar la conmutación suave es que, en muchos casos, se puede prescindir, además del inductor, también del diodo volante ("flyback diode") asociado normalmente a todo circuito PWM. Esto comporta un abaratamiento adicional muy importante y la posibilidad de que el circuito soporte una inversión de la tensión de alimentación sin ser destruido.

Descripción de los dibujos

Para completar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características del invento, se acompaña a esta memoria descriptiva, como parte integrante de la misma, un conjunto de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:

- La figura 1, representa esquemáticamente el regulador de velocidad objeto de esta invención.

- La figura 2, representa la señal de modulación original en la onda superior, y la señal de modulación que se aplica al dispositivo conmutador, convenientemente redondeada, en la onda inferior.

- En la figura 3 se presenta una realización alternativa a la firma 1, esta vez con el motor en el lado de masa. En las dos figuras 1 y 3 el funcionamiento es el mismo.

Realización preferente de la invención

En la figura 1 se observa una representación del regulador de velocidad, en el que no se emplea ningún elemento inductivo para filtrar la señal de salida, ya que se ha conseguido que el propio motor de continua (M) haga las funciones de elemento de filtro amortiguando la señal, obteniéndose así una notable simplicidad en el diseño y un ahorro económico significativo, ya que el elemento inductivo es un componente que encarece notablemente el producto.

El elemento de conmutación en esta realización práctica es un transistor (Q) tipo "mosfet", cuya conmutación se gobierna mediante la variable de control (Vi) que es una tensión de continua y que en función de su valor determina el ancho del impulso de la señal (A) que proporciona el generador de onda rectangular (G). Esta señal rectangular (A) opcionalmente también puede estar generada directamente por un microcontrolador.

Esta señal (A) es de frecuencia fija y ancho de impulso variable, y se pasa por el filtro (F) que la redondea e inclina los flancos de subida y de bajada para hacer el paso de conducción a corte y viceversa del transistor (Q) sea suave. El filtro (F) elimina así las componentes de alta frecuencia en dicha señal (A). El filtro, junto con el transistor Q y el sensor de corriente, actúa sobre la corriente que pasa por el motor y le impone transiciones suaves. Para ello necesita conocer en todo momento el valor de esta corriente, lo cual consigue mediante una resistencia "shunt" R o cualquier otro tipo de sistema de sensado de corriente. En la figura se ha dibujado una resistencia "shunt" por simplicidad, no por ser el único método de sensado de corriente posible.

Controlando la duración de los tiempos de conducción y corte del transistor (Q), se regula la velocidad del motor (M) que se alimente mediante la tensión de continua (B+).

La frecuencia de la señal (A) generada por (G) es fija y tiene un valor por debajo de los 50 Hz, de modo que la frecuencia de conmutación está en el rango subsónico, es decir que no es audible, ya que en el caso de estar por encima de dicha frecuencia sería audible debido a que los motores de corriente continua actúan como transductores sonoros.

Sin embargo, en la conmutación a una baja frecuencia subsónica, sí son audibles las propias conmutaciones que contienen frecuencias en el rango audible, lo cual se encarga de suprimir el propio filtro (F) al redondear la señal (A).

Claims

1. Regulador de velocidad para motor de corriente continua, en el cual la regulación se realiza por modulación de la anchura de impulsos, cuyo funcionamiento se controla mediante un componente de conmutación, tal como un transistor de potencia, dispuesto en serie con el motor de c.c., el cual, a su vez, está gobernado por un generador de onda rectangular, en el cual se modula la anchura de impulsos mediante una tensión de control, caracterizado porque el bobinado del propio motor se utiliza como elemento inductivo para filtrar la señal de salida proporcionada por el componente de conmutación, y porque la frecuencia de la señal de modulación proporcionada por el generador de onda rectangular es inferior a 50 Hz, con el objeto de trabajar con frecuencias de conmutación en el rango subsónico, estando curvada la mencionada señal de modulación por un filtro activo provisto entre el generador de onda rectangular y el dispositivo de conmutación, filtro activo que suaviza los flancos de subida y bajada de la señal y elimina los componentes de alta frecuencia.

2. Regulador de velocidad para motor de corriente continua, según la reivindicación 1, caracterizado porque no utilizar un diodo volante ("flyback diode"), lo que permite soportar la inversión de la tensión de alimentación sin ser destruido.

3. Regulador de velocidad para motor de corriente continua, según la reivindicación 1, caracterizado porque está integrado en una pastilla semiconductora debido a la ausencia de un componente inductor convencional.