ITTO960937A1 - Dispositivo per il controllo di un elettromagnete di innesto per l'avviamento di un motore a combustione interna, in particolare per - Google Patents

Description

DESCRIZIONE dell'invenzione industriale dal titolo: "Dispositivo per il controllo di un elettromagnete di innesto per l'avviamento di un motore a combustione interna, in particolare per un autoveicolo"

DESCRIZIONE

La presente invenzione fa riferimento in generale ai dispositivi di innesto e più specificamente fa riferimento ad un dispositivo di controllo per un elettromagnete di innesto suscettibile di essere associato a motorini d'avviamento impiegati per l'avviamento di motori a combustione interna.

Come è noto è ampiamente diffuso l'uso di motori elettrici per effettuare l'avviamento di motori termici, in particolare motori a combustione interna. Nel caso dei motori a combustione interna degli autoveicoli tale sistema d'avviamento è diventato ormai di fatto uno standard.

Per effettuare l'avviamento di un motore a combustione interna tramite un motorino elettrico d'avviamento i due motori vengono accoppiati mediante ruote dentate. Sull'albero del motorino d'avviamento è calettata una ruota dentata, comunemente denominata pignone, mentre sull'albero del motore a combustione interna è calettata un'altra ruota dentata, denominata corona, avente un diametro decisamente superiore al diametro del pignone.

Alimentando il motorino di avviamento questo, tramite il pignone e la corona che ingranano tra loro, pone in movimento l'albero del motore a combustione interna permettendone l'avviamento. E' evidente tuttavia che pignone e corona non possono essere permanentemente in presa tra loro, infatti, se così fosse, il motore a combustione interna, una volta avviato, trascinerebbe in rotazione a velocità elevata il motorino di avviamento determinando sicuramente il danneggiamento delle due ruote dentate e/o del motorino d'avviamento. A tale scopo il motorino d'avviamento viene quindi provvisto di un elettromagnete destinato a provocare l'innesto del pignone, il quale può scorrere in direzione assiale, con la corona, in modo che i rispettivi denti ingranino solamente durante la fase di avviamento.

Tale sistema, anche se collaudato ed universalmente adottato nel settore autoveicolistico, non è tuttavia privo di inconvenienti. I sistemi di avviamento di tipo convenzionale, infatti, non prevedono alcun controllo per l'alimentazione dell'elettromagnete, per cui pignone e corona si trovano ad essere soggetti ad elevate sollecitazioni dovute alla eccessiva velocità con cui il pignone entra in contatto con la corona. Tale eccessiva velocità provoca anche un rumore acustico fastidioso specie nel caso in cui i denti del pignone urtino contro quelli della corona. Inoltre, poiché il motore a combustione interna tende a fermarsi sempre in posizioni predeterminate i denti della corona interessati da tali urti tendono ad essere sempre gli stessi, provocando usure localizzate .

Ulteriori problemi si possono verificare ad esempio nel caso in cui l'utente del veicolo, nel comandare la fase di avviamento, mantenga chiuso il contatto di avviamento per un periodo di tempo superiore al necessario determinando quindi un'eccessiva usura e surriscaldamento del motorino di avviamento.

Sono note nella tecnica alcune soluzioni proposte per ovviare a tali inconvenienti. Ad esempio, nella domanda di brevetto italiana n. T095A000116, depositata il 17 febbraio 1995 a nome Industrie Magneti Marelli S.p.A., è descritto un sistema di avviamento comprendente un dispositivo di controllo della velocità di traslazione dell'elettromagnete di innesto impiegante un sensore tachimetrico allo scopo di rilevare tale velocità di traslazione. Nella domanda di brevetto italiana T095A000115, depositata anch'essa il 17 febbraio 1995 a nome Industrie Magneti Marelli S.p.A., è descritto un sensore tachimetrico elettromagnetico atto ad essere impiegato in tale sistema di avviamento.

Questa soluzione consente di effettuare un efficace controllo della velocità di traslazione dell'elettromagnete di innesto, tuttavia, non è priva di inconvenienti. Infatti l'impiego di un sensore tachimetrico comporta un aumento non indifferente del costo e della complessità del sistema. Sono anche note soluzioni in cui tale controllo viene effettuato senza sensore tachimetrico ma mediante la misura della corrente nell'avvolgimento dell'elettromagnete di innesto. Ad esempio, nella domanda di brevetto italiana n. T092A000250, depositata il 24 marzo 1992 a nome industrie Magneti Marelli S.p.A., è descritto un sistema di avviamento comprendente un'unità di controllo elettronica atta a rilevare la corrente nell'avvolgimento dell'elettromagnete, mediante un resistore di misura (o shunt), ed a controllare tale corrente. Tale resistore di misura è inserito nell'avvolgimento dell'elettromagnete in quanto è costituito da una porzione di filo di rame costituente appunto tale avvolgimento. Tale soluzione presenta tuttavia l'inconveniente di non consentire un controllo sufficientemente accurato della velocità di traslazione dell'elettromagnete per vari motivi che verranno discussi più dettagliatamente nel seguito.

Lo scopo della presente invenzione è quello di realizzare un dispositivo di controllo per un elettromagnete di innesto che permetta di risolvere in modo soddisfacente tutti i problemi sopra indicati.

Secondo la presente invenzione, tale scopo viene raggiunto grazie ad un dispositivo di controllo avente le caratteristiche indicate nelle rivendicazioni che seguono la presente descrizione.

Ulteriori vantaggi e caratteristiche della presente invenzione risulteranno evidenti dalla seguente dettagliata descrizione, effettuata con l'ausilio degli annessi disegni, forniti a titolo di esempio non limitativo, in cui:

la figura 1 è una rappresentazione schematica a blocchi di un sistema di avviamento comprendente un dispositivo secondo la presente irivenzione,

- la figura 2 è una rappresentazione schematica a blocchi del dispositivo di controllo secondo la presente invenzione,

- la figura 3 è una rappresentazione schematica circuitale di un componente del sistema di avviamento di figura 1, illustrante il principio di funzionamento del dispositivo di controllo secondo la presente invenzione ,

- la figura 4 è un diagramma cartesiano illustrante una caratteristica di funzionamento del componente di figura 3,

- la figura 5 è una rappresentazione schematica a blocchi più dettagliata del dispositivo di controllo di figura 2.

La presente invenzione consiste quindi sostanzialmente in un dispositivo di controllo di un elettromagnete di innesto avente la funzione di controllare la velocità di azionamento dell'elettromagnete stesso al fine di eliminare gli inconvenienti descritti in precedenza.

in figura 1 è rappresentato uno schema a blocchi di un sistema di avviamento per un motore a combustione interna comprendente un dispositivo di controllo del tipo secondo la presente invenzione.

Il sistema comprende naturalmente un motorino d'avviamento elettrico MA sul cui albero è calettato un pignone P. Il pignone P può scorrere sul suo asse in modo da ingranare o meno con una corona C. La corona C è collegata all'albero del motore a combustione interna da avviare (non illustrato) . Normalmente il pignone P e la corona C sono collegati, cioè in presa tra loro, solamente durante la fase di avviamento mentre per il resto del tempo sono scollegati, cioè non in presa.

Tipicamente il pignone P viene fatto scorrere sul suo asse, in modo da ingranarsi con la corona C, tramite una leva comandata da un elettromagnete EM. L'elettromagnete EM di solito è del tipo a nucleo mobile risucchiato. Il nucleo mobile dell'elettromagnete EM comanda inoltre un interruttore INT attraverso il quale viene alimentato il motorino d'avviamento MA. In questo modo l'elettromagnete EM, dopo avere provocato la corsa di lavoro con possibile ingranamento del pignone P con la corona C, determina anche l'alimentazione del motorino d'avviamento MA. Naturalmente sia l'elettromagnete EM che il motorino d'avviamento MA, come del resto tutti i componenti del sistema d'avviamento, sono alimentati da una batteria di accumulatori elettrici BAT. Tale tipo di sistema d'avviamento è ampiamente noto ed è classico dei veicoli mossi da un motore a combustione interna.

Nel caso della presente invenzione l'elettromagnete EM non viene più alimentato, come nella tecnica nota, semplicemente chiudendo un interruttore, ad esempio tramite la chiave di accensione del veicolo, ma viene alimentato tramite un dispositivo interruttore DC. Il dispositivo interruttore DC, il quale è controllato da un'unità di controllo elettronica UC, ha la funzione di controllare la corrente di alimentazione dell'elettromagnete EM. in tal modo l'unità di controllo UC può controllare la velocità di azionamento dell’elettromagnete EM e di conseguenza l'operazione di innesto del pignone P con la corona C.

Nella presente forma di attuazione l'unità di controllo UC è costituita da un circuito elettronico ed il dispositivo interruttore DC è costituito da un dispositivo interruttore a semiconduttori, ad esempio un transistore del tipo MOSFET.

L'unità di controllo UC, secondo l'invenzione, è configurata in modo da attuare un procedimento di controllo del tipo ad anello chiuso. L'unità di controllo UC deve quindi essere provvista di un modulo CR atto a fornire un segnale di reazione indicativo della velocità di azionamento dell'elettromagnete EM. L'obiettivo dell'unità di controllo UC infatti è quello di controllare la velocità a cui si muove il nucleo mobile dell'elettromagnete EM per cui il segnale di reazione fornito dal modulo CR deve essere un segnale indicativo della velocità di traslazione del nucleo mobile stesso.

verrà ora descritta in maggior dettaglio l'unità di controllo UC. Come si è detto in precedenza l'unità di controllo UC opera ad anello chiuso. L'unità di controllo UC regola la corrente attraverso l'elettromagnete EM in modo che il suo nucleo mobile trasli ad una velocità predeterminata. Tale tipo di controllo ad anello chiuso è ben noto nella tecnica e richiede, come già detto, un segnale indicativo della velocità effettiva del nucleo mobile dell'elettromagnete EM.

La velocità effettiva del nucleo può essere stimata mediante un modello. In figura 2 è rappresentato uno schema a blocchi funzionale di una forma di attuazione del dispositivo secondo la presente invenzione impiegante uno stimatore.

in tale forma di attuazione l'unità di controllo UC comprende un modulo di controllo della tensione CDT, alimentato mediante la tensione di batteria VBAT, atto a controllare la tensione di alimentazione Ve di un avvolgimento A dell'elettromagnete EM. il modulo di controllo della tensione CDT opera in base ad un segnale di errore ER generato da un nodo di sottrazione SUB. Nel nodo di sottrazione SUB entra un segnale SI indicativo della velocità desiderata per il nucleo cui viene sottratto un segnale di reazione SE indicativo della velocità effettiva del nucleo. Tale tipo di controllo, noto nella tecnica, permette quindi di impostare la velocità desiderata per il nucleo (segnale SI) che il sistema provvede quindi a raggiungere e mantenere.

Per generare il segnale di reazione SE viene impiegato uno stimatore MOD impiegante un modello atto a stimare la velocità effettiva del nucleo mobile.

in serie all'avvolgimento A dell'elettromagnete EM è disposto un resistore di misura RMIS (denominato anche shunt) tramite il quale è possibile prelevare un segnale i indicativo della corrente attraverso l'avvolgimento A. Tale segnale i viene fornito in ingresso al modulo stimatore MOD, insieme ad un segnale Vc indicativo della tensione di alimentazione dell’avvolgimento A. Il modulo stimatore MOD impiega un modello dell'elettromagnete EM, ed è configurato in modo da elaborare, a partire dai segnali i e Ve, la velocità effettiva del nucleo. Il modulo stimatore MOD genera quindi il segnale SE indicativo della velocità effettiva del nucleo. Tale segnale SE viene fornito al nodo di sottrazione SUB.

Allo scopo di poter realizzare la presente invenzione è stato necessario eseguire una caratterizzazione dell'avvolgimento A dell'elettromagnete di innesto EM associato al motorino di avviamento MA. L'obiettivo di tale caratterizzazione è stato quello di determinare un circuito equivalente elettrico dell'avvolgimento A, necessario per la successiva elaborazione di una metodologia di controllo.

A tale scopo è stata eseguita una mappatura del flusso magnetico totale statico, e quindi anche dell'induttanza statica, dell'avvolgimento A per differenti correnti di eccitazione e per differenti posizioni del nucleo mobile dell'elettromagnete EM. Il circuito equivalente in condizioni statiche è costituito da una resistenza ideale e da un'induttanza ideale collegate in serie, come illustrato in figura 2

in condizioni dinamiche, ad una variazione di posizione del nucleo e ad una variazione di corrente i nell'avvolgimento A corrisponde una variazione di flusso inferiore ai valori statici riferiti alle suddette posizione e corrente i dato che una parte del flusso magnetico stesso è "cortocircuitata” da correnti parassite che si formano, in regime dinamico, nella massa del nucleo e nello "statore" dell'avvolgimento A.

Le prove eseguite hanno permesso di rilevare, con buona approssimazione, le componenti dinamiche dell'avvolgimento A. Il circuito equivalente risultante è quindi quello rappresentato in figura 3, nella quale:

- R è la resistenza dell'avvolgimento A,

- La è l'induttanza dovuta al flusso in aria e nella pellicola esterna del sistema magnetico,

- L2 è l'induttanza più profonda del sistema magnetico, associata ad una resistenza R2 su cui si chiudono le relative correnti parassite,

- L3 è un'induttanza relativa alla parte più interna del sistema magnetico, associata ad una resistenza R3 SU cui si chiudono le relative correnti pa-rassite.

Le induttanze L1( L2, L3 sono funzioni della posizione del nucleo mobile, della corrente i e, in una certa misura, del tempo t. Si nota dal circuito che la corrente i che produce un flusso magnetico Φ = Li attraversa completamente l'induttanza L2 ma non le induttanze L2 ed L3. Si ha quindi che:

lente è stato basato sul rilievo e sull'analisi della forma d'onda di tensione che si genera ai capi dell'avvolgimento A come risposta ad una rampa di corrente a differenti valori di di/dt.

Una tensione v, rilevata ai capi dell'avvolgimento A, è la sommatoria di tre tensioni v2, v2, v3 ed è stata scomposta nelle sue tre componenti, determinando i valori di L3, L2, L3 e di due costanti di tempo τ2, τ3 e quindi, indirettamente, delle resistenze

La determinazione è stata eseguita per diverse correnti e posizioni "statiche", con escursioni piccole della di/dt per alterare di poco il valore della corrente di partenza. E' stata eseguita una rampa di corrente sia in salita che in discesa, lasciando assestare sufficientemente i fenomeni dinamici relativi fra una rampa e la successiva.

Questa serie di prove ha permesso di determinare L3 L2, L3 e R2, R3 per ogni combinazione di corrente i e posizione. Il flusso magnetico totale istantaneo

per una eccitazione di/dt = K e una corrente istantanea i, essendo K una costante.

Come si è detto il dispositivo di controllo opera ad anello chiuso utilizzando come retroazione un segnale SE indicativo della velocità del nucleo dell'elettromagnete EM. Tale velocità può essere stimata mediante il modello del flusso magnetico totale istantaneo <J>dln.Dalla parametrizzazione dell'avvolgimento A possono venire ricavate le mappe del flusso magnetico totale istantaneo. Il trasferimento di tali mappe in forma analitica fornisce un'equazione generale del flusso:

in cui x è la posizione del nucleo.

Applicando all'avvolgimento A in ogni istante una tensione Ve, ad opera del dispositivo interruttore DC, tale tensione Ve viene equilibrata da una caduta di tensione resistiva e da una caduta di tensione dinamica:

ove iR è la caduta di tensione, o componente, resistiva e Vd è la caduta di tensione, o componente, dinamica .

Se si chiama w la velocità effettiva del nucleo. si ha che:

La w è quindi il termine che lo stimatore MOD deve calcolare istante per istante e che deve essere utilizzato come segnale di retroazione SE nel dispositivo di controllo. In prima approssimazione, trascurando la dipendenza da di/dt del modello si ha:

Tale metodo comporta tuttavia vari problemi. Occorre, ad esempio, inserire un valore plausibile della posizione x nel modello. In prima approssimazione, .supponendo che il dispositivo di controllo lavori in modo soddisfacente, la velocità w dovrebbe essere ragionevolmente costante. Dovrebbe quindi essere possibile stimare la posizione x integrando il segnale di riferimento per la velocità w. E' però necessario un punto di taratura della posizione x per superare l'incertezza di valori dovuta alle diversità tra i singoli avvolgimenti prodotti.

il dispositivo di controllo deve inoltre trattare molte grandezze complesse e variabili nel tempo. La resistenza ohmica R dell'avvolgimento A è conosciuta in modo approssimativo ed inoltre varia con la temperatura. Sono necessari calcoli di derivazione, moltiplicazione,divisione che non possono essere effettuati in modo preciso e veloce simultaneamente. Ciò è ancora aggravato nel caso in cui la corrente i attraverso l'elettromagnete EM venga controllata in modulazione ad ampiezza di impulsi, come si fa tipicamente oggigiorno allo scopo di ridurre i costi.

Inoltre, data la velocità molto bassa a cui si desidera controllare il nucleo dell'elettromagnete EM, il termine dinamico Vd della tensione ve risulta essere sicuramente molto piccolo per cui la stima della velocità w effettuata rischia di essere molto imprecisa.

Allo scopo di risolvere tali inconvenienti si è deciso di stimare la velocità w mediante la derivata della posizione x, stimata.Lo spazio percorso,o posizione, x dal nucleo può venire stimato mediante la misura di un parametro sensibile allo spazio percorso x stesso.

Data la relativa facilità di misura ipotizzabile, si è deciso di utilizzare un'induttanza L1, prossima all'induttanza L1 del circuito equivalente descritto in precedenza. L'andamento dell'induttanza L1 (i, x), ad una frequenza di misura di 5 kHz, è rappresentato in modo indicativo, per alcuni valori della corrente i, in figura 4. La misura dell'induttanza L1 può essere fatta, in modo pressoché continuo, negli intervalli inattivi in caso di comando in modulazione ad ampiezza di impulsi dell'elettromagnete EM.

A tale scopo una pompa di corrente può iniettare una corrente dell'ordine di 100 mA efficaci alla frequenza di 5 kHz nell'avvolgimento A. A tale frequenza l'induttanza interessata è praticamente solo l'induttanza L1. Tramite le mappe definenti l'induttanza L1=f(i, x), e dalla corrente i misurata mediante il resistore di misura RMIS, è quindi possibile determinare la posizione x. La posizione x derivata fornisce la velocità w stimata.

Come si può osservare dal diagramma di figura 4, l'induttanza L1 varia molto poco nella prima parte della corsa del nucleo, in tale zona della corsa è quindi necessario effettuare la stima della velocità w raggiunta in altro modo. Poiché tuttavia in tale zona il nucleo è ancora lontano dalla fine corsa è possibile accettare un controllo meno preciso della sua velocità w.

Il sistema impiegato è il seguente: si alimenta con una tensione Ve data l'avvolgimento A, che presenta una resistenza R, e nel quale conseguentemente passa una corrente i. In ogni istante la tensione è data da Vc = iR+Vd, tale tensione Vc è data dalla caduta resistiva iR più una tensione di reazione, o dinamica, Vd. Tale tensione di reazione vd è costituita da due componenti essenzialmente: una componente è quella dovuta all’autoinduzione, cioè all'induttanza della bobina dell'avvolgimento A, ed è una tensione di induzione, e l'altra componente è dovuta alla forza controelettromotrice originata dal fatto che il nucleo si muove, ed è una tensione cinetica.

Nei motori elettrici tale fenomeno è utilizzato in una tecnica denominata di compensazione resistiva, o IR compensation , per regolare la velocità dei motori stessi. In tali motori, tuttavia, la forza controelettromotrice è prevalente rispetto alla caduta di tensione induttiva che è praticamente trascurabile.

In questo caso invece si ha una caduta di tensione induttiva molto grande. Sorge quindi un problema dovuto al fatto che la componente cinetica, denominata nel seguito Ve, cioè il parametro che è necessario isolare ed estrarre dal sistema per poterlo utilizzare nel controllo della velocità, è molto piccola.

Si supponga ad esempio di avere una tensione di alimentazione Ve di 12 volt, si ha una caduta di tensione resistiva iR che è di circa 6-7 volt (o più), si ha una caduta di tensione induttiva di circa 3 volt ed una caduta di tensione cinetica Ve di circa 2 volt. Si nota quindi come la componente cinetica ve sia molto piccola, essendo piccola è difficile da controllare.

Una possibilità per eliminare tale inconveniente è quella di non pretendere che il nucleo dell'elettromagnete EM si sposti molto piano, si può accettare il fatto che il nucleo si sposti ad una velocità più elevata di quella che si potrebbe ottenere in una soluzione che utilizza un sensore tachimetrico. Se il nucleo si sposta ad una velocità più elevata si ottiene una tensione cinetica Ve dovuta alla forza controelettromotrice più elevata e quindi si può realizzare un sistema più controllabile.

Un inconveniente è dato dal fatto che la caduta di tensione resistiva iR è sempre alta. Ciò vuol dire che la compensazione resistiva deve essere molto affidabile, altrimenti qualunque errore comporta un grosso errore nella velocità stimata, in pratica il nucleo dell'elettromagnete EM non si muove del tutto, se il controllo è sovracompensato, oppure, se il controllo è sottocompensato il nucleo si muove troppo velocemente. Ciò avviene poiché un piccolo errore nella compensazione resistiva comporta un grande errore sulla componente cinetica Ve anche se tale componente è relativamente grande, ad esempio 3 volt invece di 2 volt.

In figura 5 è illustrato, in maggior dettaglio, il sistema di controllo utilizzato nella presente invenzione. Come si può notare sono presenti gli stessi elementi illustrati nello schema sintetico del sistema di controllo di figura 2. Tali elementi sono il modulo di controllo della tensione CDT, l'avvolgimento A dell'elettromagnete EM ed il resistore di misura RMIS. E’ invece illustrato in maggior dettaglio il modulo stimatore MOD.

L'avvolgimento A è alimentato da una tensione di controllo Vc ed attraverso di esso scorre quindi una corrente i. Tale corrente i viene misurata tramite il resistore di misura RMIS collegato in serie all'avvolgimento A. La tensione rilevata sul resistore di misura RMIS viene amplificata da un amplificatore AMP avente guadagno pari al rapporto tra la resistenza R dell'avvolgimento A e la resistenza del resistore di misura RMIS. All'uscita dell'amplificatore AMP si ha quindi un segnale pari alla caduta di tensione resistiva iR che si verifica sull'avvolgimento A.

Tale segnale iR, indicativo della caduta resistiva sull'avvolgimento A, viene sottratto dalla tensione di controllo Ve, rilevata sull'avvolgimento A, in un nodo di sottrazione SUBÌ. In uscita dal nodo di sottrazione SUBÌ vi è quindi un segnale Vc-iR corrispondente alla caduta di tensione dinamica, o componente dinamica, che si verifica sull'avvolgimento A.

Il controllo viene effettuato proprio su tale componente dinamica vc-iR. Infatti il segnale di riferimento in ingresso al sistema di controllo è proprio un segnale vd indicativo della caduta di tensione dinamica, o componente dinamica, desiderata. Tale componente dinamica Vd entra in un secondo nodo di sottrazione SUB2 dove le viene sottratto il segnale Vc-iR per generare in uscita un segnale di errore ER. il segnale di errore ER viene mandato in ingresso, come descritto in precedenza, al modulo di controllo CDT . Il modulo di controllo CDT essenzialmente amplifica notevolmente il segnale di errore ER e genera in uscita la tensione di controllo ve in modo tale da cercare di annullare il segnale di errore ER, secondo lo schema classico dei sistemi di controllo ad anello chiuso, il sistema di controllo tende quindi ad imporre l'equazione:

Vd = Ve - iR

ossia a rendere la componente dinamica Vc-iR rilevata uguale al segnale di riferimento Vd indicativo della componente dinamica desiderata. L'equazione è infatti verificata esattamente quando il segnale di errore ER, che il sistema di controllo cerca di azzerare, è nullo. Il sistema di controllo in pratica agisce sulla componente dinamica Vd in quanto il termine resistivo iR viene eliminato. Il sistema effettua quindi una compensazione resistiva.

Tuttavia, come si è visto in precedenza, la componente dinamica Vd è a sua volta formata da una componente induttiva e da una componente cinetica Ve. La componente cinetica Ve è quella che interessa controllare in realtà, in quanto è indicativa della velocità di traslazione w del nucleo dell'elettromagnete EM. Tale componente cinetica Ve può essere isolata, o ricavata, mediante le equazioni differenziali discusse in precedenza. Tuttavia, anche utilizzando un modello matematico accurato come quello descritto in precedenza,,la componente cinetica Ve non può comunque essere isolata con precisione, in pratica non è possibile stimare con precisione la componente cinetica Ve.

Tuttavia, il sistema di controllo appena descritto è configurato in modo tale per cui vi è una compensazione intrinseca delle due componenti, cinetica Ve ed induttiva. Se infatti una delle due componenti è preponderante rispetto all'altra il controllo, che viene effettuato sulla componente dinamica vd, data dalla somma delle due componenti, tende a ridurre in maggior misura la componente preponderante rispetto all'altra. Il sistema di controllo così configurato tende quindi ad effettuare in modo intrinseco un bilanciamento delle due componenti.

Allo scopo di risolvere l'inconveniente, relativo alla scarsa precisione con cui è rilevabile la componente cinetica Ve, il sistema di controllo secondo la presente invenzione impiega un segnale di riferimento vd, per la componente dinamica, variabile nel tempo .

In figura 5 è quindi illustrato un modulo RDT atto a generare un segnale di riferimento Vd, indicativo della componente dinamica complessiva desiderata, variabile nel tempo. Tale segnale di riferimento corrisponde quindi al segnale Si indicato nello schema a blocchi di base del dispositivo di controllo illustrato in figura 2. Più specificamente il segnale di riferimento Vd generato dal modulo RDT è una rampa di tensione, ossia un segnale che aumenta gradualmente nel tempo.

In tal modo si supera l'inconveniente dato dal-l'imprecisione con cui è ricavabile la componente cinetica Ve facente parte della componente dinamica complessiva Vc-iR. Infatti se il segnale di riferimento vd avesse un valore troppo piccolo, per una data componente cinetica Ve, esso non sarebbe sufficiente a far muovere il nucleo dell'elettromagnete EM che rimarrebbe fermo. Se invece al contrario il valore scelto per la componente dinamica Vd fosse troppo grande il nucleo dell'elettromagnete EM.si muoverebbe bruscamente ad una velocità eccessiva.

Utilizzando invece un segnale di riferimento Vd a rampa si è sicuri che il nucleo cominci a muoversi in modo graduale. Ciò avviene quando il valore del segnale vd è sufficientemente alto da determinare il movimento del nucleo. Poiché la rampa del segnale di riferimento Vd ha una pendenza ridotta si può essere certi che il nucleo dell'elettromagnete EM comincia a muoversi in modo graduale e non raggiunge velocità eccessive. In pratica, data l'imprecisione con cui è nota la componente cinetica Ve della caduta di tensione dinamica Vc-iR, la rampa del segnale di riferìmento Vd consente alla tensione di controllo Ve di attraversare tutti gli stati possibili fino a raggiungere quello in cui il nucleo comincia a muoversi. In tal modo si possono quindi evitare impuntamenti e velocità eccessive del nucleo stesso.

La rampa è naturalmente dimensionata intorno ad un valore ideale che il segnale di riferimento Vd dovrebbe avere nel caso di un sistema perfetto. La pendenza della rampa è invece scelta in modo tale per cui, anche nel caso peggiore, la velocità del nucleo non diventi mai eccessiva.

Un'ulteriore caratteristica della presente invenzione è data dal modo in cui è realizzato il resistere di misura RMIS. Tale resistore di misura RMIS deve essere sensibile alla temperatura della bobina dell'avvolgimento A. infatti al variare della temperatura dell'avvolgimento A varia la sua resistenza R e quindi il termine resistivo iR.

In alcuni dispositivi secondo la tecnica nota il resistore di misura viene collocato, al fine di ottenere una rilevazione più precisa, nella bobina del-1'avvolgimento A. Tuttavia il resistore di misura, per motivi di ordine pratico, deve essere collocato in prossimità della superficie della bobina dell'avvolgimento A. In tale posizione esso è in grado di rilevare solamente la temperatura iniziale della bobina dell'avvolgimento A, cioè la temperatura a cui si trova, la bobina prima di essere alimentata. Infatti quando la bobina comincia a scaldarsi la temperatura al suo interno sale molto più rapidamente che non nelle zone superficiali per cui il resistore di misura collocato in tale posizione non è più in grado di rilevare con precisione la temperatura della bobina dell'avvolgimento A. Conseguentemente la compensazione resistiva risulta poco precisa e le prestazioni del dispositivo di controllo degradano. Infatti dopo un breve periodo di alimentazione della bobina dell'avvolgimento A la sua temperatura è superiore a quella a cui si trova il resistore di misura RMIS la cui rilevazione diventa quindi imprecisa.

Nel dispositivo di controllo secondo la presente invenzione il resistore di misura RMIS è inserito nell'elettronica di controllo che è vicina all'avvolgimento A. Il resistore di misura RMIS assume quindi la temperatura dell'ambiente in cui si trova l'avvolgimento A. Inoltre il resistore di misura RMIS è realizzato in modo tale per cui, quando viene alimentato, esso si scalda come la bobina dell'avvolgimento A. Il resistore di misura RMIS è quindi realizzato in modo da essere un modello termico della bobina dell'avvolgimento A.

Ciò può essere fatto, ad esempio, dimensionando il resistere di misura RMIS (spessore del filo, numero di spire, lunghezza, diametro, etc.) e/o dotandolo di un rivestimento isolante, ad esempio in materiale ceramico, in modo tale che esso simuli il comportamento termico dell'avvolgimento A, quando entrambi vengono alimentati. Si realizza quindi il resistore di misura RMIS in modo tale per cui la curva con cui sale la temperatura nel resistore di misura RMIS ricalchi la curva con cui sale mediamente la temperatura dell'avvolgimento A.

Tale resistore di misura RMIS può inoltre venire utilizzato per realizzare un dispositivo interruttore che agisca quando l'avvolgimento A raggiunge una certa temperatura interrompendo l'alimentazione dell'elettromagnete EM. Tale accorgimento serve a disinserire il motorino di avviamento MA, come nel caso precedente, per evitare danneggiamenti per surriscaldamento nel caso di avviamenti eccessivamente prolungati, e al tempo stesso evitare la scarica completa della batteria BAT nel caso in cui il motore a combustione interna stenti ad avviarsi, ad esempio a causa di anomalie di carburazione, e l'utente insista nell’avviamento in modo eccessivo.

Lo stesso resistore di misura RMIS viene inoltre utilizzato per misurare una corrente di tenuta, o di hold, indicata con ihold in figura 5, a motorino di avviamento MA ormai innestato ed in moto. Ciò è utile in quanto, una volta che il nucleo mobile è giunto a fine corsa, è sufficiente che il dispositivo di controllo mantenga il nucleo nella posizione raggiunta controllando la corrente nell'avvolgimento A, e limitando la dissipazione di potenza nel medesimo, specie in avviamenti prolungati.

Questo è vantaggioso in quanto permette di utilizzare elettromagneti EM ad avvolgimento singolo al posto degli elettromagneti a doppio avvolgimento impiegati nella tecnica nota, in cui il secondo avvolgimento interviene a fine corsa con una forza di mantenimento corrispondente ad una corrente (e quindi ad una dissipazione) relativamente bassa.

In una forma di attuazione al momento considerata preferenziale l'unità di controllo UC è inoltre collegata ad un sensore PUT, visibile in figura 1, atto a fornire un segnale indicativo della velocità di rotazione del motore a combustione interna. Il sensore PUT può essere ad esempio un sensore elettromagnetico associato ad un ruota fonica, tipicamente già presente nei motori a combustione interna instailati sui veicoli attualmente in produzione. Tale segnale permette all'unità di controllo UC di rilevare l'avviamento del motore a combustione interna, che si può considerare avvenuto quando la velocità di rotazione supera, per un certo tempo, un valore di soglia predeterminato, ad esempio 1000 giri al minuto. Una volta rilevato l'avvenuto avviamento del motore a combustione interna l'unità di controllo UC interrompe l'alimentazione dell'elettromagnete EM per disattivare il motorino di avviamento MA e disinserire il pignone P dalla corona C.

L'unità di controllo UC può inoltre essere interfacciata con una centralina di gestione (non illustrata) del motore a combustione interna. Tale collegamento può servire per molteplici scopi, ad esempio per lo scambio di segnali ed informazioni tra la centralina di gestione del motore e l'unità di controllo UC, per automatizzare l'operazione di avviamento, per implementare funzioni di diagnosi, per integrare la centralina di gestione del motore e l'unità di controllo UC, ecc.

Il dispositivo di controllo secondo l'invenzione inoltre può convenientemente essere realizzato in modo da operare in modulazione ad ampiezza di impulsi. Per effettuare tale tipo di controllo della corrente i nell'avvolgimento A dell'elettromagnete EM è possibile, ad esempio, utilizzare un transistore di tipo MOSFET come dispositivo interruttore DC. Il transistore MOSFET può essere pilotato, ad esempio, da un circuito comparatore con isteresi il quale provvede ad effettuare il controllo in modulazione ad ampiezza di impulsi. Il comparatore con isteresi opera naturalmente in base al segnale di errore ER.

Il dispositivo secondo l'invenzione permette quindi di ottenere numerosi vantaggi di cui i principali sono 'la bassa velocità di impatto del pignone P sulla corona C e la notevole economicità del dispositivo dovuta all'assenza di sensori di velocità ed altri componenti aggiuntivi rispetto alla tecnica nota. Ciò limita conseguentemente la rumorosità e l'usura meccanica di tali componenti migliorando nel complesso affidabilità e durata del sistema di avviamento.

Il dispositivo secondo l'invenzione consente anche la possibilità di automatizzare l'operazione di avviamento con conseguente miglioramento complessivo dell'immagine del prodotto e vantaggi tecnici dovuti ad esempio a riduzione di emissioni causate da falsi avviamenti possibili con i sistemi secondo la tecnica nota .

Come già detto inoltre il dispositivo secondo l'invenzione permette di semplificare la realizzazione dell'avvolgimento A dell'elettromagnete EM eliminando l'avvolgimento dì tenuta, comunemente impiegato per mantenere il nucleo mobile nella sua posizione di fine corsa. Ciò permette una riduzione dei costi dell'elettromagnete EM ed una maggiore insensibilità verso i parametri produttivi grazie anche al fatto che è possibile l'impiego di correnti di tenuta maggiori.

Naturalmente, fermo restando il principio dell'invenzione, i particolari di realizzazione e le forme di attuazione potranno essere ampiamente variati rispetto a quanto descritto ed illustrato, senza per questo uscire dall'ambito della presente invenzione .

Claims (22)

1. RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo per il controllo in velocità di un elettromagnete di innesto (EM) atto a determinare 1'ingranamento di una prima ruota dentata (P) con una seconda ruota dentata (C) mediante una traslazione di detta prima ruota dentata (P) comprendente: - mezzi rilevatori (CR) atti a generare un segnale (SE) indicativo della velocità di traslazione effettiva dell'elettromagnete (EM) in base a parametri elettrici (ve, i) rilevati su detto elettromagnete (EM), - mezzi di elaborazione (UC), riceventi in ingresso detto segnale (SE) indicativo di detta velocità di traslazione effettiva, ed un segnale (SI) indicativo di una velocità di traslazione di riferimento predeterminata , - mezzi interruttori (DC), pilotati da detti mezzi di elaborazione (UC), atti a controllare il passaggio di corrente in detto elettromagnete (EM), detti mezzi di elaborazione (UC) essendo configurati per controllare la corrente di alimentazione di detto elettromagnete (EM) in modo da rendere detta velocità di traslazione effettiva sostanzialmente uguale a detta velocità di riferimento predeterminata, caratterizzato dal fatto che comprende mezzi generatori (RDT), atti a generare detto segnale di riferimento (SI) indicativo di detta velocità di traslazione predeterminata, configurati in modo tale da generare detto segnale di riferimento (SI) con un andamento gradualmente crescente nel tempo.
2. 2. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detti mezzi generatori (RDT) sono configurati per generare detto segnale di riferimento (SI) con un andamento a rampa crescente.
3. 3; Dispositivo secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che detti mezzi generatori (RDT) sono configurati per generare detto segnale di riferimento (SI) a rampa con una pendenza ed un'ampiezza tali da determinare una velocità di traslazione di detto elettromagnete (EM) compresa in un intervallo predeterminato .
4. 4. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1 a 3, caratterizzato dal fatto che detti mezzi rilevatori (CR) comprendono uno stimatore (MOD) atto a generare un segnale in tensione (SE) indicativo della velocità di traslazione effettiva di un nucleo mobile di detto elettromagnete (EM).
5. 5. Dispositivo secondo la rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che detto stimatore (MOD) opera in base a detti parametri elettrici {Ve, i), detti parametri elettrici comprendendo una tensione di alimentazione (ve) di un avvolgimento (A) di detto elettromagnete (EM) ed una corrente (i) passante in detto avvolgimento (A).
6. 6. Dispositivo secondo la rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che detto stimatore (MOD) è configurato in modo da rilevare una componente cinetica (Ve), di detta tensione di alimentazione (Ve), indicativa di detta velocità di traslazione effettiva.
7. 7. Dispositivo secondo la rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto che detto stimatore (MOD) è configurato in modo da rilevare detta componente cinetica (Ve) mediante un modello dinamico di detto avvolgimento (A), mappato in funzione del tempo (t) e della posizione (x) assunta da detto elettromagnete (EM), rilevato in modo sperimentale in una fase preliminare .
8. 8. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 5 a 7, caratterizzato dal fatto che detto stimatore (MOD) è configurato in modo da effettuare una compensazione della resistenza ohmica (R) di detto avvolgimento.
9. 9. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 5 a 8, caratterizzato dal fatto che detti mezzi rilevatori (CR) comprendono un resistore di misura (RMIS) , collegato in serie a detto avvolgimento (A), atto a rilevare detta corrente (i) passante in detto avvolgimento (A).
10. 10. Dispositivo secondo la rivendicazione 9, caratterizzato dal fatto che detto resistore di misura (RMIS) è formato e dimensionato in modo tale da simulare il comportamento termico di detto avvolgimento (A).
11. 11. Dispositivo secondo la rivendicazione 10, caratterizzato dal fatto che detto resistore di misura (RMIS) è formato e dimensionato in modo tale per cui la sua temperatura ha un andamento nel tempo sostanzialmente identico all'andamento nel tempo della temperatura di detto avvolgimento (A), quando entrambi vengono alimentati.
12. 12. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 9 a 11, caratterizzato dal fatto che detto resistore di misura (RMIS) è collocato in prossimità di detto avvolgimento (A), in modo tale per cui, in condizioni di stabilità termica, essi abbiano la stessa temperatura media.
13. 13. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 9 a 12, caratterizzato dal fatto che detto resistore di misura (RMIS) è realizzato con lo stesso materiale elettricamente conduttivo con cui è realizzato detto avvolgimento (A).
14. 14. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 10 a 13, caratterizzato dal fatto che detto resistore di misura (RMIS) comprende un rivestimento isolante al fine di simulare il comportamento termico di detto avvolgimento (A).
15. 15. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1 a 14, caratterizzato dal fatto che è configurato in modo a operare in modulazione ad ampiezza di impulsi.
16. 16. Dispositivo secondo la rivendicazione 15, caratterizzato dal fatto che comprende un circuito comparatore atto a pilotare detti mezzi interruttori (DC) in modulazione ad ampiezza di impulsi.
17. 17. Dispositivo secondo la rivendicazione 16, caratterizzato dal fatto che detto circuito comparatore è un circuito comparatore con isteresi.
18. 18. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1 a 17, in cui detto elettromagnete (EM) è un elettromagnete di innesto di un motorino di avviamento elettrico (MA) per un motore a combustione interna, caratterizzato dal fatto che detti mezzi di elaborazione (UC) ricevono in ingresso un segnale indicativo dell' avvenuto avviamento di detto motore a combustione interna e sono configurati per interrompere l'alimentazione di detto elettromagnete (EM) al verificarsi di tale situazione.
19. 19. Dispositivo secondo la rivendicazione 18, caratterizzato dal fatto che detto segnale indicativo del-1'avvenuto avviamento è un segnale indicativo della velocità di rotazione di detto motore a combustione interna e detti mezzi di elaborazione (UC) sono configurati in modo da rilevare il superamento di un valore di soglia predeterminato di detta velocità di rotazione.
20. 20. Dispositivo secondo la rivendicazione 18 o la 19, caratterizzato dal fatto che detti mezzi di elaborazione (UC) ricevono in ingresso un segnale indicativo della temperatura di detto motorino d'avviamento (MA) e sono configurati per interrompere l'alimentazione di detto elettromagnete (EM) quando detta temperatura supera un valore di soglia predeterminato.
21. 21. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1 a 20, caratterizzato dal fatto che detti mezzi di elaborazione (UC) ricevono in ingresso un segnale indicativo del raggiungimento di una posizione di fine corsa di detta prima ruota dentata (P) e sono configurati per controllare l'alimentazione di detto elettromagnete (EM) in modo da mantenere detta prima ruota dentata (P) in tale posizione al verificarsi di tale condizione.
22. 22. Dispositivo secondo la rivendicazione 21, caratterizzato dal fatto che detto segnale indicativo del-1'avvenuto raggiungimento di detta posizione di fine corsa è un segnale indicativo dell'avvenuta alimentazione di detto motorino d'avviamento (MA). Il tutto sostanzialmente come descritto ed illustrato e per gli scopi specificati.