ITTO990104A1 - Circuito di pilotaggio per carichi induttivi. - Google Patents

Description

DESCRIZIONE dell'invenzione industriale.dal titolo: "Circuito di pilotaggio per carichi induttivi"

DESCRIZIONE

La presente invenzione riguarda un circuito di pilotaggio per carichi induttivi.

Più specificamente l'invenzione ha per oggetto un circuito di pilotaggio comprendente

almeno un commutatore elettronico operativamente collegato essenzialmente in serie ad un carico induttivo ed atto, in una condizione abilitata, ad accoppiare il carico ad una sorgente di tensione di alimentazione·continua; detto commutatore essendo destinato ad essere pilotato mediante un segnale di tipo on-off;

almeno un ramo circuitale di ricircolo comprendente un diodo ed atto a consentire il ricircolo della corrente transitoria che fluisce attraverso il carico ogni volta che il commutatore viene disabilitato, e

un circuito di filtraggio collegato fra il catodo di detto diodo e la sorgente di tensione e comprendente un condensatore-parallelo connesso al catodo del diodo ed un induttore-serie connesso<' >tra il catodo del diodo e la sorgente di tensione.

Nella figura 1 dei disegni allegati è mostrato lo schema di un siffatto circuito di pilotaggio secondo la tecnica anteriore. In tale figura un carico induttivo, quale l'avvolgimento di rotore di un motore elettrico in corrente continua con spazzole, è indicato con W. Il circuito di pilotaggio comprende un commutatore elettrico Q, quale un transistore MOSFET a canale n, collegato essenzialmente in serie al carico W, fra tale carico e la massa GND. Il terminale del carico W opposto al commutatore Q è collegato al polo positivo di una sorgente di tensione continua, quale una batteria B, attra-verso<- >un circuito di filtraggio -complessivamente indicato con FC. Il circuito di pilotaggio comprende inoltre un ramo circuitale di ricircolo FB includente un diodo D avente l'anodo collegato al terminale del carico W che è connesso al commutato-re Q, ed il catodo collegato all'altro terminale del carico W.

Il ramo circuitale di ricircolo è atto a limitare le extra-tensioni che si creano quando il commutatore viene aperto, ed a contenere le perdite di potenza come si richiede nella tecnica di pilotaggio con un segnale ad ampiezza di impulso modulata (PWM).

Il circuito di filtraggio serve a limitare l'ampiezza delle componenti variabili'della corrente sulla linea dì alimentazione, come è richiesto dalle normative vigenti per le apparecchiature a bordo di autoveicoli al fine di non trasmettere disturbi ad altri carichi collegati alla stessa linea di alimentazione.

Il circuito di filtraggio FC nella sua attuazione più generale comprende un condensatoreparallelo C connesso fra il catodo del diodo D e la massa, un induttore-serie LF, ed un condensatore CF essenzialmente in parallelo alla sorgente di ten-Sione B.

Nel circuito secondo la tecnica anteriore mostrato nella figura 1, il ramo circuitale di ricircolo FB è connesso in parallelo al carico W. Il parallelo fra il carico ed il ramo circuitale di ricircolo FB è connesso essenzialmente in serie con il circuito di filtraggio FC.

Nel funzionamento all'ingresso di comando (gate) del commutatore Q viene applicato un segnale di pilotaggio di tipo on-off ad esempio del tipo ad ampiezza di impulso modulata (PWM).

La topografia del circuito secondo la tecnica anteriore sopra descritto è tale per cui nel funzionamento nell'induttore LF del circuito di filtraggio FC fluisce essenzialmente l'intera corrente che operativamente circola nel carico W. Tale induttore presenta una componente resistiva e pertanto nel funzionamento esso dissipa in calore una potenza elettrica elevata. Ciò comporta una riduzione del rendimento di funzionamento e problemi dal punto di vista dell'ubicazione fisica dell'induttore di filtro LF che in talune applicazioni deve essere disposto preferibilmente lontano dal resto del.circuito, oppure deve essere dotato di un idoneo dissipatore del calore.

E' dunque uno scopo della presente invenzione di realizzare un circuito di pilotaggio del tipo inizialmente definito, nel quale la dissipazione di potenza nell'induttore del circuito di filtraggio sia considerevolmente ridotta.

Questo ed altri scopi vengono realizzati secondo l'invenzione con il circuito di pilotaggio le

cui caratteristiche salienti sono definite nell'annessa rivendicazione 1.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell'invenzione appariranno dalla descrizione dettagliata che segue, effettuata a puro titolo di esempio non limitativo con riferimento ai disegni allegati, nei quali :

la figura 1, già descritta, è uno schema di un circuito di pilotaggio per carichi induttivi secondo la tecnica anteriore;

la figura 2 è uno schema di un circuito di pilotaggio secondo l'invenzione;

la figura 3 è uno schema di un circuito di pilotaggio per un motore elettrico senza collettore secondo la tecnica anteriore;

la figura 4 è una serie di grafici che mostrano qualitativamente l'andamento in funzione del tempo di alcune correnti elettriche nel circuito secondo la figura 3;

la figura 5 è lo schema elettrico di un circuito di pilotaggio per un motore elettrico senza collettore secondo l'invenzione; e

la figura 6 è una serie dì grafici che mostrano qualitativamente in funzione del tempo l'andamento di correnti elettriche nel circuito secondo la figura 5.

Nella figura 2 è mostrato un circuito di pilotaggio secondo 1'invenzione per un carico induttivo W quale un avvolgimento di rotore di un motore elettrico a corrente con continua con collettore. Nella figura 2 a parti ed elementi già descritti in relazione alla figura 1 sono stati attribuiti nuovamente gli stessi riferimenti letterali.

Nel circuito secondo la figura 2, il circuito di filtraggio FC è collegato essenzialmente in serie al diodo di ricircolo D, in un ramo circuitale FB connesso in parallelo al carico W. Il terminale del carico W opposto al commutatore elettronico Q è collegato direttamente al polo positivo della sorgente di tensione continua di alimentazione B.

Il circuito di pilotaggio secondo la figura 2 consente di ridurre in modo sostanziale la potenza dissipata nel funzionamento nell'induttore LF del filtro FC come verrà ora spiegato.

Con riferimento alla figura 1, se con I,, si indica la corrente che nel funzionamento fluisce dalla sorgente di tensione B verso il carico attraverso il filtro FC, e se con Iw si indica la corrente effettivamente fluente nel carico W, la potenza PT,r dissipata per effetto Joule nella componente resistiva RLF dell'induttore LF ha sostanzialmente la seguente espressione:

Tale espressione vale se i valori dei componenti del filtro sono tali a rendere sostanzialmente trascurabile l'ondulazione della corrente nell'induttore LF.

Se il segnale PWM applicato all' ingresso di comando del commutatore elettronico Q ha un dutycycle DC = ton/T, l'espressione (1) sopra riportata può essere riscritta nel modo seguente:

Nell'espressione di cui sopra con T è indicato il periodo del segnale PWM applicato al gate del commutatore elettronico Q, e con ton è indicato il tempo, per cui il commutatore Q è reso conduttivo nell'ambito di ciascun periodo T.

Nel circuito secondo 1'invenzione, _mostrato nella figura 2, la potenza dissipata per effetto Joule nella componente resistiva RLt· dell'induttore di filtro LF è data da

in cui IFB è la corrente fluente nel ramo circuitale di ricircolo FB, come indicato nella figura 2.

Anche la relazione (3) vale nell'ipotesi sopra

indicata con riferimento alla relazione (1).

Poiché nel circuito della figura 2 si ha

in cui t0fi è il tempo, nell'ambito di ciascun periodo T, per cui il commutatore Q è disabilitato, la relazione (3) dì cui sopra può essere

nel modo seguente:

Nel confronto fra le relazioni (2) e (5) di cui sopra, risulta evidente che il circuito di pilotaggio secondo la figura 2 consente di ridurre la potenza dissipata PTF, essenzialmente secondo il fattore (toff/to n).

La potenza P;,;.· risulta in effetti ridotta se toff è minore di ton.

Tale condizione è invero in genere soddisfatta in particolare, nel caso di un carico costituito da un motore, quando il motore viene pilotato ad alta velocità, e dunque con tempi di conduzione ton, elevati per il commutatore elettronico Q.

Come è facilmente verificabile, la comparsa di una forza elettromotrice indotta sull' induttore tende a diminuire il valore di toff/ton.

La soluzione sopra descritta con riferimento alla figura 2 consente dunque dì ridurre la dissipazione termica e rende non critica l'ubicazione dell'induttore del circuito di filtraggio.

Nella figura 3 è illustrato un circuito secondo la tecnica anteriore per il pilotaggio di un motore elettrico senza collettore. In particolare lo schema della figura 3 mostra un circuito di pilotaggio secondo la tecnica anteriore per un motore elettrico brushless trifase a semionda.

Con Wl, W2 e W3 sono indicate le fasi od avvolgimenti di statore di un tale motore elettrico, collegate secondo una configurazione a stella il cui terminale comune è collegato al polo positivo della sorgente di tensione continua di alimentazio-ne B attraverso un circuito di filtraggio FC del tipo già descritto in precedenza. Gli altri terminali delle<’ >fasi Wl, W2 e W3, indicati con A1, A2 ed A3, sono collegati agli elettrodi di. drain di tre rispettivi commutatori di fase Ql, Q2, Q3, costi-tuiti ad esempio da transistori MOSFET a canale n. Gli elettrodi di source di tali transistori sono collegati alla massa GND.

Rispettivi rami circuitali di ricircolo FBI, FB2, FB3 sono disposti parallelamente a ciascun avvolgimento di fase e comprendono ciascuno un diodo di ricircolo DI, D2, D3, il cui anodo è connesso al terminale Al, A2, A3 della corrispondente fase.

Nella realizzazione mostrata nella figura 3, che è dettagliatamente descritta nella precedente domanda di brevetto italiana T098A000502 della stessa Richiedente, ciascun ramo circuitale di ri-circolo FBI, FB2, FB3 comprende inoltre un rispettivo transistore di ricircolo Q4, Q5, Q6 in serie al diodo DI, D2, D3.

I transistori di ricircolo possono essere realizzati come transistori MOSE<’>ET del tipo a canale p, i cui elettrodi di source sono connessi in serie al catodo del corrispondente diodo, ed i cui elet-trodi di drain sono accoppiati alla sorgente di tensione di alimentazione B attraverso il circuito di filtraggio FC.

Gli elettrodi di gate dei transistori di base Q1 , Q2, Q3 e dei transistori di ricircolo Q4, Q5, Q6 sono accoppiati alle uscite di un circuito di pilotaggio 10, alimentato dalia stessa sorgente B attraverso il circuito di filtraggio FC ed atto a fornire a detti transistori sognali di abilitazione per renderli selettivamente e ciclicamente condut-tivi secondo modalità predeterminate. In particola-re, i segnali di pilotaggio applicati ai gate dei transistori di fase Ql, Q2 e Q3 sono segnali di ti-po on-off ad ampiezza di impulso modulata (PWM). Tali segnali vengono selettivamente applicati ai gate dei transistori di fase Ql, Q2 e Q3 quando il rotore (non illustrato) del motore brushless passa in una determinata posizione angolare. L'applica-zione del segnale PWM di pilotaggio al gate di un transistore di fase può essere interrotta in anti-cipo rispetto all 'applicazione del segnale PWM di pilotaggio al successivo transistore di fase. Peraltro il segnale PWM di pilotaggio può essere applicato contemporaneamente a due transistori di fase, per un breve intervallo di tempo, al fine di ridurre le perdite di coppia che si verificano in corrispondenza delle commutazioni di fase.

I transistori di ricircolo Q4, Q5, Q6, se pre-senti, vengono selettivamente <' >comandati <" >in condu-<' >zione per consentire il flusso di corrente da cia-scun avvolgimento di fase alla sorgente di tensione B nel corso di ciascuna semionda della forza elet-tromotrice indotta nel corrispondente avvolgimento, durante la quale l'associato commutatore elettroni-co dr fase è pilotato con il segnale PWM, così come descritto nella precedente domanda di brevetto sopra citata.

Il circuito di pilotaggio secondo la tecnica anteriore illustrato nella figura 3, per quanto riguarda la dissipazione di potenza nell'induttore LF del circuito di filtro FC, è afflitto dagli stessi inconvenienti precedentemente evidenziati con rife-rimento al circuito della figura 1.

Nella figura 3 con IL è indicata la corrente erogata dalla sorgente B al motore elettrico brushless trifase e con I'L è indicata ia corrente a valle del filtro FC. Con IWi sono indicate le cor-renti fluenti nei singoli avvolgimenti di fase a seguito dell'applicazione di un segnale PWM di pi-lotaggio al gate degli associati commutatori di fase Ql, Q2, Q3 (QL; I = 1 a 3). Con IQl è indicata la corrente corrispondentemente fluente nel transisto-re di fase Qj . Con IFBi sono indicate le correnti fluenti nei rami circuitali di ricircolo associati alle singolo fasi.

Andamenti esemplificativi di tali grandezze sono mostrate nella figura 4.

Come si può vedere osservando tali diagrammi la corrente di fase IWi fluente nella singola fase Wj è sostanzialmente rappresentata dalla sovrappo-sizione della corrente IOi fluente nell'associato commutatore di fase e della corrente di ricircolo IFBI fluente nell'associato ramo circuitale di ricircolo.

La corrente IL che la sorgente B eroga al carico rappresentato dal motore e dall'associato circuito di pilotaggio presenta un modestissimo npple.

E' da notare che in assenza del filtro induttivo in serie alla linea di alimentazione, la corrente assorbita avrebbe l'aspetto indicato con I'L nella figura 4, cioè un andamento ad onda quadra con un ripple molto elevato. Il ripple rimarrebbe comunque assai elevato se si usasse un filtro pura-mente capacitivo. Pertanto nei circuiti secondo la tecnica anteriore si deve accettare un compromesso, non favorevole, tra l'ondulazione o ripple residuo e le dimensioni e la dissipazione termica del l'induttore del filtro.

Nella figura 5 è mostrato un circuito secondo l'invenzione per il pilotaggio di un motore elet-trico brushless trifase ad una semionda.

Nello schema della figura 5 è immediato con-statare che ì terminali delle fasi Wl, W2, W3 opposti ai terminali di fase Al, A2, A3 sono collegati direttamente al polo positivo della sorgente di tensione B. Inoltre, il circuito di filtraggio FC è disposto fra i diodi di ricircolo DI, D2, D3 (e gli eventuali commutatori elettronici di ricircolo Q4, Q5, Q6) ed il polo positivo della sorgente B.

Anche nella figura 5 con Iwi sono state indica-te le correnti nei singoli avvolgimenti di fase Wl, W2, W3. Con IQi sono state indicate le correnti nei commutatori dì fase Ql, Q2, Q3 e con IFBi le corrispondenti correnti nei rami circuitali di ricirco-lo. Con IL è stata nuovamente indicata la corrente erogata dalla sorgente di tensione B verso il carico rappresentato dal motore e dall'associato circuito di pilotaggio.

Con ILF è stata indicata invece la corrente fluente nell'induttore LF del circuito di filtrag-gio FC.

Corrispondenti andamenti esemplificativi delle suddette <'>correnti sono mostrati nella figura 6.

Si osserva che nel funzionamento la corrente fluente nell'induttore dì filtro LF è pari alla componente continua della corrente di ricircolo IFBi di volta in volta presente, la componente alternata di tale corrente di ricircolo IFBi richiudendosi verso la massa attraverso il condensatore-parallelo C del circuito di filtraggio FC.

Come si può rilevare, l'intensità della corrente IFL fluente nell'induttore di filtro LF è nettamente inferiore a quella della corrente IL. Pertanto la dissipazione nell'induttore di filtro LF è corrispondentemente ridotta.

La disposizione del circuito di filtraggio FC mostrata nella figura 5 consente dunque di risolvere efficacemente il problema evidenziato all'inizio della presente descrizione. Tale disposizione ha, come "prezzo", un "ripple" lievemente incrementato della corrente IL, come si può constatare dal con-fronto diretto dei corrispondenti diagrammi delle figure 4 e 6.

Tale inconveniente è peraltro più che ampiamente bilanciato dal vantaggio rappresentato dalla consistente riduzione della dissipazione termica.

Naturalmente, fermo restando il principio del trovato, <“>le forme<' ">di <">attuazione ed i particolari di realizzazione potranno essere ampiamente variati rispetto a quanto è stato descritto ed illustrato a puro titolo di esempio non limitativo, senza per questo uscire dall'ambito dell'invenzione, come definita nelle annesse rivendicazioni.

Claims (6)

1. RIVENDICAZIONI 1. Circuito di pilotaggio per carichi induttivi (W; WJ , comprendente almeno un commutatore elettronico (Q; Qi.)operativamente collegato essenzialmente in serie ad un carico induttivo (W; WJ e destinato ad essere pilotato mediante un segnale di tipo on-off, quale ad esempio un segnale ad ampiezza di impulso modulata (PWM) ed atto, in una condizione abilitata, ad accoppiare il carico (W; WJ ad una sorgente di tensione di alimentazione continua (B); almeno un ramo circuitale di ricircolo (FB; FBt) comprendente un diodo (D; Di) ed atto a consen-tire il ricircolo della corrente transitoria che fluisce attraverso il carico (W; VP) ogni volta che il commutatore (Q; QJ viene disabilitato; e un circuito di filtraggio (FC) collegato fra <">detto diodo (D; Di) e la sorgente di tensione (B) e comprendente un condensatore-parallelo (C) connesso al diodo (D; Di ed un induttore-serie (LF) con-nesso tra il diodo (D; DJ e la sorgente di tensione (B); caratterizzato dal fatto che il ramo circuitale di ricircolo (FB, FBJ ed il circuito di fil-traggio (FC) sono collegati essenzialmente in serie fra loro in un ramo circuitale che è operativamente connesso in parallelo al carico (W; Wi).
2. 2. Circuito secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che il ramo circuitale di ricircolo <'>(FB, FBi) è collegato, tramite il circuito di filtraggio (FC), ad un punto che operativamente è ad un potenziale elettrico sostanzialmente coincidente con la tensione della sorgente (B) a cui è collegato il carico induttivo (W; Wt ).
3. 3. Circuito secondo una delle rivendicazioni precedenti, per il pilotaggio delle fasi (Wi) di un motore elettrico brushless con rotore a magneti permanenti, in cui nel funzionamento sulle fasi (Wi) si generano elettromotrici alternate; a eiascuna fase (Wi) essendo associato un rispettivo ra-mo circuitale di ricircolo (FB,) comprendente un diodo (Di) che è collegato a detto circuito di fil-traggio (FC) tramite un associato commutatore elettronico di ricircolo (C4, C5, Q6)·
4. 4. Circuito secondo una qualsiasi delle rivendi-cazioni precedenti, in cui il o ciascun segnale di comando è un segnale ad ampiezza di impulso modula-ta (PWM) avente in almeno una condizione di lavoro un duty-cycle (ton/T) maggiore di 0,5.
5. 5. Impiego di un circuito secondo la rivendicazione 1 per il pilotaggio di un motore in corrente continua con collettore.
6. 6. Impiego di un circuito secondo la rivendicazione 1 o 2 per il pilotaggio di un motore brush- less. Il tutto sostanzialmente secondo quanto descritto ed illustrato, e per gli scopi specificati.