MXPA99012006A - Control de maquinas de reluctancia conmutada - Google Patents

Abstract

La presente invención se refiere a una máquina de reluctancia conmutada polifásica controlada por un sistema de control que utiliza detección de posición sin censores. El controlador es robusto y confiable y opera en todo el intervalo de velocidad de la máquina. En el modo de corte, son inyectados impulsos de diagnóstico de enlace de flujo predeterminado en una fase desocupada. En el modo de un solo impulso, la predicción de la posición se efectúa utilizando una fase activa. Un método de arranque de la máquina utiliza impulsos de diagnóstico en dos fases para proporcionar un valorúnico para la posición, permitiendo que el dispositivo motor arranque o rearranque después de una torsión completa.

Description

CONTROL DE MAQUINAS DE RELUCTANCIA CONMUTADA DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN La presente invención se relaciona con el control de máquinas de reluctancia conmutada, particularmente aquellas máquinas las cuales son operadas sin un sensor para medir la posición del rotor. En general, una máquina de reluctancia es una máquina eléctrica en la cual la torsión es producida por la tendencia de su parte móvil para moverse a una posición donde la reluctancia del circuito magnético se minimice, es decir, donde la inductancia de la bobina excitadora se maximice. En un tipo de máquina de reluctancia, se proporciona el circuito para detectar la posición angular del rotor y energizar las bobinas de fase como función de la posición del rotor. Esta se conoce de manera general como una máquina de reluctancia conmutada y puede ser operada como un motor o un generador. Las características de tales máquinas de reluctancia conmutada son bien conocidas y se describe en, por ejemplo. "Las características, diseño y aplicación de motores y dispositivos motores de reluctancia conmutada" por Stephenson y Blake, PCUM' 93 Nürnberg, 21-24 de Junio de 1993, incorporada aquí como referencia. Ese documento describe con algún detalle las características de la máquina de reluctancia conmutada las cuales juntas producen la REF.: 32237 inductancia cíclicamente variable característica de las bobinas de fase. La Figura 1 muestra los componentes principales de un sistema motor de reluctancia conmutada típico. El suministro de energía de DC (Corriente Directa) de entrada 11 puede ser una batería o un suministro de AC (Corriente Alterna) rectificada y filtrada y puede ser de magnitud fija o variable. En algunos dispositivos motores conocidos, el suministro de energía 11 incluye un circuito resonante el cual produce un voltaje de DC el cual varía rápidamente entre cero y un valor predeterminado para permitir la conmutación del voltaje cero de los conmutadores de energía. El voltaje de DC proporcionado por el suministro de energía 11 es conmutado a través de las bobinas de fase 16 del motor 12 por medio de un convertidor de energía 13 bajo el control de la unidad de control electrónico 14. La conmutación debe se sincronizada correctamente al ángulo de rotación del rotor para la operación apropiada del dispositivo motor. Típicamente se emplea un detector de la posición del rotor 15 para suministrar señales que indican la posición angular del rotor. La salida del detector de posición del rotor 15 también puede ser utilizada para generar una señal de retroalimentación de velocidad. El detector de la posición del rotor 15 puede tomar muchas formas, por ejemplo puede tomar la forma de componentes físicos, como se muestra esquemáticamente en la Figura 1. En algunos sistemas, el detector de la posición del rotor 15 puede comprender un transductor de la posición del rotor que proporciona señales de salida que cambian el estado cada vez que el rotor gira a una posición cuando se requiere un arreglo de conmutación diferente de los dispositivos en el convertidor de energía 13. En otros sistemas, el detector de posición puede ser un algoritmo de programación el cual calcula o estima la posición de otros parámetros verificados del sistema motor. Esos sistemas son con frecuencia llamados "sistemas de detector de posición sin sensor" puesto que no utilizan un transductor físico asociado con el rotor que mide la posición. Como es sabido en la técnica, han sido propuestos muchos métodos diferentes sobre la cuestión de un sistema sin sensores confiable. Algunos de esos métodos se describen más adelante. La energización de las bobinas de fase en una máquina de reluctancia conmutada depende de la detección de la posición angular del rotor en relación al estator. Esto puede explicarse haciendo referencia a las Figuras 2 y 3, las cuales ilustran la conmutación de una máquina de reluctancia que opera como un motor. La Figura 2 generalmente muestra un rotor 24 con un polo del rotor 20 aproximándose a un polo del estator 21 de un estator 25 de acuerdo a la flecha 22. Como se ilustra en las Figuras 2 y 3, una porción 23 de una bobina de fase completa 16 se enrolla alrededor del polo del estator 21. Cuando la porción 23 de la bobina de fase 16 alrededor del polo del estator 21 se energiza, se ejercerá una fuerza sobre el rotor, que tiende a jalar el polo del rotor 20 hacia la alineación con el polo del estator 21. La Figura 3 muestra de manera general el circuito de conmutación típico en el convertidor de energía 13 que controla la energización de la bobina de fase 16, incluyendo la porción 23 alrededor del polo del estator 21. Cuando los conmutadores 31 y 32 son cerrados, la bobina de fase se acopla a la fuente de energía de DC y se energiza. Muchas otras configuraciones de la geometría de la alineación, topología de la bobina y circuito de conmutación son conocidas en la técnica: algunas de esas se discuten en documentos de Stephenson y Blake citado anteriormente. Cuando la bobina de fase de una máquina de reluctancia conmutada se energiza en la forma descrita anteriormente, el campo magnético establecido por el flujo en el circuito magnético da lugar a las fuerzas circunferenciales las cuales, como se describió, actúan para jalar los polos del rotor en línea con los polos del estator. En general, la bobina de fase es energizada para efectuar la rotación del rotor como sigue. En una primera posición angular del rotor (llamada el "ángulo de encendido", TENCENDIDO) , el controlador 14 proporciona señales de conmutación para encender ambos dispositivos de conmutación 31 y 32. Cuando los dispositivos de conmutación 31 y 32 están encendidos, la bobina de fase se acopla al conductor colectivo de DC, causando un incremento en el flujo magnético que debe establecerse en la máquina. El flujo magnético produce un campo magnético en el espacio de aire, el cual actúa sobre los polos del rotor para producir la torsión de verificación. El flujo magnético en la máquina es soportado por la fuerza magnetomotriz (mmf) que es proporciona por una corriente que fluye desde el suministro de DC a través de los conmutadores 31 y 32 y la bobina de fase 16. Únicamente se emplea la retroalimentación de corriente y la magnitud de la corriente de fase se controla cortando la corriente mediante la conmutación rápida de uno o ambos dispositivos conmutadores 31 y/o 32 encendiendo y apagando. La Figura 4 (a) muestra una forma de onda de corriente típica en el modo de operación de corte, donde la corriente es cortada entre dos niveles fijos. En la operación de verificación, el ángulo de encendido TENCENDIDO con frecuencia se elige de modo que sea la posición del rotor donde la línea central de un espacio polar interno sobre el rotor se alinea con la línea central de un polo del estator, pero puede ser algún otro ángulo. En muchos sistemas, la bobina de fase permanece conectada al conductor colectivo de DC (o conectada intermitentemente si se emplea el corte) hasta que el rotor gira de modo que alcance lo que se conoce como el "ángulo de rotación libre", TE_,. Cuando el rotor alcanza una posición angular que corresponde al ángulo de rotación libre (por ejemplo, la posición mostrada en la Figura 2) uno de los conmutadores, por ejemplo 31, se apaga. En consecuencia, la corriente que fluye a través de la bobina de fase continuará fluyendo, pero ahora fluirá únicamente a través de uno de los conmutadores (en este ejemplo 32) y únicamente a través de uno de los diodos 33/34 (en este ejemplo 34) . Durante el periodo de rotación libre, la caída de voltaje a través de la bobina de fase es pequeña, y el flujo sigue siendo sustancialmente constante. El circuito permanece en esta condición de rotación libre hasta que el rotor gira a una posición angular conocida como el "ángulo de apagado", TAPAGADO, (por ejemplo cuando la línea central del ángulo del rotor está alineada con la del polo de estator) . Cuando el rotor alcanza el ángulo de apagado, ambos conmutadores 31 y 32 se apagan y la corriente en la bobina de fase 23 comienza a fluir a través de los diodos 33 y 34. Los diodos 33 y 34 aplican entonces el voltaje de DC del conductor colectivo de DC en el sentido opuesto, haciendo que el flujo magnético en la máquina (y por lo tanto la corriente de fase) disminuya. En la técnica se conocen otros ángulos de conmutación y otros regímenes de control de corriente.

Cuando la velocidad de la máquina se eleva, existe menos tiempo para que la corriente se eleva a nivel de corte o supresión, y el dispositivo normal está normalmente funcionando en un modo de un "solo impulso" de la operación. En este modo, los ángulos de encendido, rotación libre y apagado se eligen como función de, por ejemplo, la velocidad y torsión de carga. Algunos sistemas no utilizan un periodo angular de rotación libre, es decir, que los conmutadores 31 y 32 son encendidos y apagados simultáneamente. La Figura 4 (b) muestra una forma de onda de corriente de un solo impulso típica donde el ángulo de rotación libre es cero. Es / bien sabido que los valores de los ángulos de encendido, rotación libre y apagado pueden ser predeterminados y almacenados en algún formato adecuado para ser recuperados por el sistema de control cuando se requiera, o pueden ser calculados o reducidos en tiempo real. Deberá comprenderse que los sistemas de detección de posición sin sensores tienen que ser capaces de proporcionar señales de posición del rotor en ambos modos de operación de corte o supresión y un solo impulso si se desea obtener toda la capacidad de la máquina de reluctancia conmutada. Aunque han sido propuestos muchos sistemas sin sensores, ellos tienden a limitarse a cualquiera de un modo de operación o a imponer severas restricciones sobre la operación del sistema. Un método propuesto que utiliza impulsos de diagnóstico en las fases ocupadas se describe en "Un detector de posición sin sensores novedoso para dispositivos motores SR" por Mvungi et al . Proc PEVD Conf, IEE Publicación No 324, Londres, 17-19 de Julio de 1990, pp 249 - 252. Típicamente este método es exitoso en el modo de corte o supresión, donde los tiempos de aumento y caída de la corriente son relativamente cortos en comparación con el ciclo de excitación total. El documento establece que se requiere un método diferente para la operación a alta velocidad (es decir de un solo impulso) . Un método para la operación a alta velocidad es el ejemplificado por la EP-A-0573198 (Ray), la cual describe un método de medición de flujo y corriente que conduce a predicciones de la posición del rotor. Muchos otros sistemas de detección de posición sin sensor han sido revisados y catalogados en "Métodos sin sensores para determinar la posición del rotor de motores de reluctancia conmutada", Ray et al . Proc Conferencia EPE'93, Brighton, EU, 13-16 Septiembre del 93, Vol 6, pp 7 - 13, y se concluyó en ese artículos que ninguno de esos métodos era enteramente satisfactorio para la operación sobre ambos intervalos de operación. De acuerdo a la invención se proporciona un método para determinar la posición del rotor en una máquina de reluctancia conmutada de polifase que comprende un rotor, un estator y dos o más fases de bobinas energizables, el método comprende: inyectar un primer impulso de diagnóstico de enlace de flujo predeterminado en una de las bobinas de fase; inyectar un segundo impulso de diagnóstico de enlace de flujo predeterminado en otra de las bobinas de fase de manera sustancialmente simultánea con la inyección del primer impulso de diagnóstico; determinar las primeras posibles posiciones del rotor a partir de una característica detectada del primer impulso; determinar las segundas posibles posiciones del rotor a partir de una característica detectada del segundo impulso; y resolver la posición del rotor ambiguamente por medio de una comparación de la primera y segunda posibles posiciones del rotor. La invención explota de manera útil la realización de que la ambigüedad de un punto sobre un ciclo de inductancia de fase está más cerca de un extremo del ciclo que el otro que puede ser resuelto comparando un par de tales impulsos en fases separadas. Existirá únicamente un punto en el ciclo donde las características detectadas de ambos impulsos coincidan. De manera preferible, la característica detectada es la corriente en la bobina. Los posibles valores de la posición del rotor pueden ser almacenados en una tabla de consulta. Debido a la relación simétrica que existe entre los modos de operación de verificación y generación en una máquina con simetría en sus características magnéticas únicamente necesita ser almacenado un conjunto de valores para cubrir ambos modos de .operación. La resolución de la ambigüedad es efectuada de manera conveniente comparando las posiciones del rotor indicadas y eligiendo una comúnmente indicada por las característica detectadas. La invención puede ser utilizada para hacer arrancar una máquina o cuando la posición del rotor se pierda durante el funcionamiento. En el último caso es preferible permitir el decaimiento de las corrientes o flujos sustancialmente a cero para evitar cálculos de posición erróneos . La invención también se extiende a una máquina de reluctancia conmutada que comprende una máquina de reluctancia conmutada que comprende un rotor, un estator y una pluralidad de fases de bobinas energizables, medios de conmutación accionables para energizar las fases, medios detectores de posición para derivar una posición del rotor en relación al estator, los medios detectores de posición comprenden: medios para inyectar un primer impulso de diagnóstico de enlace de flujo predeterminado en una de las fases; medios para inyectar un segundo impulso de diagnóstico de enlace de flujo predeterminado en otra fase de manera sustancialmente simultánea con la inyección del primer impulso de diagnostico; y medios para determinar las primeras posibles posiciones del rotor a partir de una característica del primer impulso y segundas posibles posiciones del rotor a partir de una característica del segundo impulso; y medios para resolver la ambigüedad de posición del rotor por medio de un análisis de la primera y segunda posibles posiciones del rotor. De manera preferible, la máquina comprende medios para accionar los medios de conmutación de acuerdo con la posición del rotor resuelta. La invención puede ser puesta en práctica de numerosas, algunas de las cuales serán ahora descritas con referencia a los dibujos acompañantes en los cuales: La figura 1 muestra los componentes principales de un sistema conector de reluctancia conectada; La Figura 2 muestra un diagrama esquemático de un polo de rotor aproximándose a un polo de estator-; La Figura 3 muestra el circuito de conmutación típico en un convertidor de energía que controla la energización de las bobinas de fase de la máquina de la figura 1; Las Figuras 4 (a) y 4 (b) ilustran formas de onda de corriente típicas de un dispositivo de reluctancia conectada que opera en los modos de corte y un solo impulso respectivamente; La Figura 5 es un diagrama esquemático de un sistema de reluctancia conectado que incorpora a la invención; La Figura 6 muestra los perfiles de inductancia idealizados, las regiones de excitación y las regiones de diagnóstico de una máquina operada en el modo de baja velocidad de acuerdo a la invención; La Figura 7 muestra los perfiles de inductancia idealizados y las posibles posiciones del ángulo de referencia para una máquina operada en un modo de alta velocidad de acuerdo a la invención; La Figura 8 muestra las posiciones determinadas durante el arranque de acuerdo a la invención; y La Figura 9 es un diagrama de flujo de acuerdo a la operación de la invención. Refiriéndose a la Figura 5, un sistema de máquina de reluctancia conmutado comprende una máquina de reluctancia 42 que tiene un rotor 44 montado para girar en un stator 46. El estator tiene dos o más (en este caso tres) bobinas de fase 48 las cuales son energizables como se hace referencia anteriormente . Un arreglo de colocación convencional 50 está conectado a cada bobina de fase. La conexión de solo una de las bobinas al arreglo de colocación representado esquemáticamente se muestra en las Figura 5 con el propósito de ser claros. El arreglo de colocación controla la aplicación del voltaje de suministro de d.c. (corriente directa) V de un suministro 52.

El arreglo de colocación está controlado por el controlador 54 que comprende un circuito integrado de aplicación específica (ASIC) que está programado para recibir información recurrente (i, i') de cada una de un par de bobinas 48, cada una por medio de un dispositivo detectado corriente 56, tal como el dispositivo de efecto de Hall. El ASIC es ilustrado notacionalmente como si estuviese conectado con un convertidor de analógico digital 58 y una memoria de tabla de consulta 60. En la práctica, el sistema puede utilizar un canal A/D multiplexado de las dos señales de corriente o puede utilizar dos canales dedicados, por cada transductor de corriente. Tales sistemas per se son conocidas en la técnica. Los transductores de corriente también pueden suministrar de manera conveniente señales útiles para otras funciones de verificación de corriente en el sistema. El convertidor A/D 58 está arreglado para digitar las señales representativas de los valores de corriente detectados por el dispositivo 56. La tabla de consulta es accedida por la ASIC para convertir los valores de la corriente detectada en águlos de rotor. Los valores del ángulo del rotor para una corriente dada son específicos de la máquina, pero deberán ser comunes a las corrientes detectadas en ambas fases sobre la suposición de que los arreglos de fase son sustancialmente similares. Sin embargo, pueden ser utilizadas tablas de consulta separadas por cada fase donde las características de la fase difieran en un mayor grado. El ASIC está programado para funcionar a un régimen de control de baja velocidad (cortado) y régimen de control de alta velocidad (de un solo impulso) como se discutió anteriormente y un método de arranque como será descrito más adelante. Se apreciará que la función de control del ASIC se basa en sistemas de programación programados en este punto. De este modo como la operación será descrita parcialmente por medio del diagrama de flujo de la Figura 9 (discutida más adelante) . Cuando la máquina este operando a una baja velocidad, la posición del rotor puede ser determinada inyectando un impulso de diagnóstico de enlace de flujo de una magnitud predeterminada en una bobina de fase inactiva (desocupada) . El enlace de flujo es de manera integral del tiempo de la fuerza electromotriz (emf) aplicada a la bobina, que está dada por: ? = .(V-iR)dt (1) en la cual ? es el enlace de flujo de la bobina, V es el voltaje de suministro efectivo (menos cualquier caída de voltaje en el convertidor de energía 50) , i es la corriente de la bobina y R es la resistencia de la bobina. La corriente es detectada por el dispositivo detector de corriente 56 en cada bobina de fase de acuerdo con los impulsos de enlace de flujo inyectados. La integración de (V-iR) puede efectuarse en la ASIC de acuerdo a los métodos conocidos. En consecuencia, se produce un impulso de diagnóstico: aplicando el voltaje del suministro 52; verificando el valor creciente de la integral; y removiendo el voltaje cuando se alcance el valor deseado del enlace de flujo. Conociendo los valores del enlace de flujo y la corriente, puede consultarse la posición del rotor en la .tabla 60 para dar el valor del ángulo del rotor que corresponde a esos valores. Deberá apreciarse que, si la resistencia de la bobina R es pequeña, el término iR en la ecuación puede ser ignorado para propósitos prácticos. El modo de baja velocidad utiliza un método para inyectar impulsos de diagnostico en una fase inactiva. Cuando el impulso de enlace de flujo alcanza el valor predeterminado, se registra la corriente y la fase se apaga. De una tabla de corriente contra el ángulo del rotor para este flujo fijo, puede leerse la posición. Cuando el enlace de flujo ha decaído a cero, puede iniciarse un impulso subsecuente y el proceso se repite. La velocidad de repetición de los impulsos en materia de elección para el diseñador del sistema: los impulsos pueden ser inyectados a una frecuencia fija o puede iniciarse un nuevo impulso tan pronto se complete la medición del anterior y el circuito este listo para comenzar una nueva división. En términos generales, el impulso del enlace de flujo tiene un valor pico del orden del 5% al 10% del enlace de flujo pico de la máquina. Valores particularmente bajos generalmente darán un aumento en la inexactitud debido al ruido de l medición. Los valores particularmente altos generalmente darán un aumento en el ruido acústico y/o salida reducida debida a la tensión negativa que está siendo generada. Además, a mayor impulso, más tiempo toma alcanzar el valor pico y menos certidumbre habrá en la posición calculada. El valor de enlace de flujo pico tiene que elegirse para ajustarse a las circunstancias.

Nótese que también es posible utilizar una lectura de impulso corriente fija y leer el enlace de flujo asociado con esta para leer la posición de una tabla de posición/enlace de flujo. Para la operación de verificación, los impulsos son colocados en la región de caída de la inductancia. Para la operación de generación, los impulsos son colocados en la región de aumento de la inductancia. Siempre que el perfil de la inductancia de la máquina sea simétrico, únicamente necesita almacenarse un conjunto de posición vs datos de corriente puesto que una reflección simple acerca del ángulo de inductancia máximo o mínimo dará la posición correcta para cada modo. El sistema se muestra esquemáticamente en la Figura 6, donde LA, LB y LC denotan los perfiles de la inductancia idealizados en la máquina de 3 fases, Exc A, Exc B y Exc C denotan los ángulos de excitación para la operación de verificación, las regiones D denotan los ángulos del rotor de los cuales pueden diagnosticarse las fases. Existen métodos alternativos para calcular el enlace de flujo. La integral dada en la ecuación (1) permite de manera correcta las caídas de voltaje a través de los conmutadores y para las caídas de voltaje a través de la resistencia de la bobina. Sin embargo, esta implica la detección de voltaje a través de cada bobina de fase. En muchas aplicaciones, es posible simplemente integrar el voltaje de enlace DC, controlando el integrador mediante el conocimiento de si los conmutadores están encendidos, rotando libremente o apagados. Aunque menos exacto que el método de la ecuación (1), reduce la cantidad de componentes físicos requeridos, puesto que únicamente es necesario un sensor de voltaje. De manera preferible, el pico del impulso del enlace de flujo deberá ocurrir en la región D indicado en la Figura 6 para cualquier velocidad de la máquina. Por supuesto, en reposo la duración del impulso no es una preocupación. Sin embargo, tiene que tomarse en cuenta el hecho de que, cuando se eleva la velocidad, el mismo ángulo indicado por la región D será cubierto en menor tiempo. De este modo, si el valor pico del impulso de diagnostico no varia con la velocidad de la máquina, debe ser suficientemente grande para establecer el nivel deseado del enlace de flujo, pero el suficientemente corto para ser útil a las velocidades de máquinas más altas. De manera preferible, existe suficiente tiempo para inyectar dos o tres impulsos en la región D, de modo que son posibles varias mediciones de posición en cada periodo de diagnostico. Puede ser utilizada en escrutinio de un conjunto de mediciones para disminuir el efecto de cualesquier inexactitudes significativas descritas más adelante. Las mediciones múltiples en el mismo periodo de diagnostico también proporcionan información de posición actualizado el cual puede ser utilizada para efectos benéficos cuando, por ejemplo, los cambios de velocidad de la máquina. El modo de alta velocidad, en contraste, interroga una fase activa y toma datos de la fase únicamente una vez por ciclo de inductancia. Se predetermina un punto de referencia angular y se mide la corriente del enlace de flujo en este punto. Cualquier error entre el enlace de flujo medido y esperado se utiliza para derivar un error de posición y en consecuencia una estimación revisada de la posición. El arreglo se muestra esquemáticamente en la Figura 7, donde LA, LB y LC denotan los perfiles de inductancia idealizados de una máquina de 3 fases y Ref A, Ref B y Ref C denotan los ángulos de referencia para las tres fases para la operación de verificación. Como para el modo de baja velocidad, la operación de verificación y generación puede ser efectuada explotando la simetría del perfil de la inductancia. En cualquiera de los modos de baja velocidad o alta velocidad, la estimación de la posición puede utilizarse como la base de un calculo de velocidad y/o aceleración. Ambos modos de baja velocidad y alta velocidad requieren al menos un conocimiento inicial aproximado de la posición del rotor para operar exitosamente. En el modo de baja velocidad, debe encontrarse la región apropiada para la inyección de los impulsos de diagnóstico: en el modo de alta velocidad, las mediciones de enlace de flujo y corriente deben tomarse suficientemente cerca al ángulo de referencia de modo que el error de posición sea pequeño. Sin embargo, cuando la máquina este en reposo, o haya disminuido la velocidad, o si una perturbación transitoria en la carga o el sistema de control causa pérdida de los datos de posición, no existe un conocimiento aproximado de la posición y es extremadamente poco probable que el sistema se resincronice por si mismo en consecuencia. Los métodos de control de la técnica anterior de baja y alta velocidades tienen varios inconvenientes, dado que no proporcionan un método confiable para arrancar la máquina ni de recuperar la operación si ocurre un evento transitorio que cause la perdida de detección de la posición. La invención proporciona técnicas para superar esas deficiencias. Si no existe conocimiento de la posición del rotor y se requiere iniciar (o reiniciar) la excitación de la bobina, pueden ser inyectados impulsos de diagnostico en una fase, por ejemplo la Fase A como se muestra en la Figura 8. Sin—embargo, existe ambigüedad debido a la medición de corriente y el cálculo subsecuente. Digamos que A2 correspondería también a la posición de Al. Si, sin embargo, se hace una medición simultánea de la fase B, se encuentran las posiciones Bl y B2. Puesto que debe existir una posición única a cualquier ángulo, únicamente los dos puntos que son iguales (A2 y Bl) pueden ser corregidos y por lo tanto determinarse la posición del rotor. Esto se basa en las mediciones que están siendo tomadas de manera prácticamente simultánea, de modo que es importante que cualesquier impulso de diagnostico que sea utilizado alcance su valor predeterminado substancialmente al mismo tiempo. Esta condición se satisface cuando se utilizan impulsos de enlace de flujo puesto que, cuando el dispositivo de conector es operado desde un conductor colectivo de DC substancialmente constante, el tiempo que toma a la bobina alcanzar un enlace de flujo dado es determinado efectivamente por el voltaje del conductor colectivo, siempre que las fases sean idénticas en número de vueltas y resistencia. Por esta razón, los sistemas de la técnica anterior utilizan impulsos de valor de corriente fijo no son adecuados, aún cuando arrancaron simultáneamente, alcanzarían su valor predeterminado a diferentes tiempos y en consecuencia introducirían errores en el calculo de la posición. El método para determinar la posición del rotor se ilustra en el diagrama de flujo de la Figura 9 el cual ilustra parte de los programas y sistemas de programación en el ASIC. Para que el método trabaje satisfactoriamente, el enlace de flujo y las fases debe ser inicialmente de cero y cualquier enlace de flujo residual hará que el proceso de integración comience desde un punto de arranque erróneo. El programa determina en el bloque 70 si la máquina esta recientemente operando teniendo acceso al tiempo desde el accionamiento del conmutador más reciente. Si se determina que ha transcurrido un periodo de tiempo suficiente desde la última actividad de conmutación para que las corrientes de la bobina (siguiendo enlace de flujo) sea cero, el programa procede del bloque 72. Si el tiempo transcurrido es insuficiente, se tiene un retraso del bloque 73 antes bloque 72 para permitir el tiempo para q.ue las corrientes y el flujo de las bobinas hayan decaído. En el bloque 72 los impulsos de enlace del flujo de diagnóstico son inyectados en dos de las fases de la máquina accionando el arreglo de conmutación apropiadamente. Los impulsos del enlace de flujo predeterminados son producidos mediante el accionamiento del arreglo de conmutación, de modo que el suministro de DC es aplicado a las dos bobinas simultáneamente y durante la misma duración. De acuerdo al mismo bloque 72, las corrientes de las dos bobinas de fase son detectadas por los dispositivos detectores de corriente y, al final del impulso de diagnóstico, convertidas por los convertidores A/D 58 y el controlador 54 en un par de valores digitales. La tabla de consulta 60 del controlador 54 es accionada por el ASIC en el bloque 74 con el valor de la corriente detectada para proporcionar las dos posiciones angulares sobre cada uno de los sitios de inductancia de fase para las fases verificadas a las cuales el valor detectado de la corriente ocurrirá para el valor del enlace de flujo dado del impulso. Para ahorrar espacio de almacenamiento, es posible almacenar únicamente un valor del ángulo por cada valor de corriente y utilizar la simetría de las características magnéticas para deducir los otros ángulos. Como se mencionó anteriormente, existe una posición única que corresponde a la combinación de pares de valores de corriente por cada una de las fases. De este modo, aunque una ambigüedad para la cual un par de las posiciones angulares es denotada por el valor de la corriente de una sola fase, la combinación de valores de corriente para un par de fases tendrá únicamente un ángulo de rotor el cual existe coincidencias substancial, puesto que los otros valores de la corriente denotarán posiciones dispares sobre los ciclos de posición del rotor respectivos. De este modo, el ASIC está programado para hacer una comparación de los posibles ángulos del rotor y para elegir el ángulo que es común a ambas lecturas de corriente. Puede ser presentado algún error en las lecturas. De este modo, el ASIC puede ser programado en cualquiera de una de las formas para aceptar ángulos de los cuales están cerca entre sí dentro de un nivel de tolerancia. En el bloque 75 el ASIC esta programado para determinar la fase apropiada para energizarse sobre la base del ángulo del rotor calculado. La determinación del cual fase energizada se basa en la posición de los polos del rotor los cuales están en la mejor posición productora de torsión (para la dirección de desplazamiento deseada) para una fase con preferencia sobre las otras. En base a la decisión, los conmutadores apropiados son accionados para aplicar el suministro de voltaje V a esa bobina de fase para su excitación en el bloque 76. El ASIC cede entonces el control normal del motor sobre otra rutina de programación en el ASIC en el bloque 77. Por medio de la invención, se establece ahora la posición del rotor. La posición del rotor puede ser establecida cuando el rotor está estacionado o funcionando en lo tanto haya transcurrido un intervalo de tiempo suficiente para que la corriente y el flujo en las bobinas decaigan para que sean tomadas las lecturas apropiadas, de manera exacta, de las fases verificadas. Los sistemas de detección de posición sin sensores generalmente tienen que operar en ambientes eléctricamente ruidosos cerca de dispositivos de conmutación de energía, y esto con frecuencia conduce a la corrupción de las mediciones del enlace de flujo y corriente, lo que conduce a cálculos de datos de posiciones purias. Para mejorar la robustez del sistema, ha sido desarrollado un método para verificar la validez de los datos de posición calculados. Cada vez que se calcula una nueva posición, pueden ser almacenados los valores de posición, tiempo y velocidad. Utilizando los últimos n valores almacenados, puede extrapolarse una posición destinada en comparación con la recién calculada. Si los valores recién calculado y estimado no concuerdan con una cantidad predeterminada, se incrementa el control del error y se utiliza el valor estimado en lugar del calculado: si no concuerdan, cualquier conteo de errores disminuye y se utiliza el valor calculado. En el reposo el número de interacciones puede ser limitado, pero pueden utilizarse aún para verificar la posición del rotor. Particularmente bajo el funcionamiento normal durante ciclos sucesivos de medición, se crea un cuadro de confiabilidad de los datos de posición. Si el conteo de errores excede un cierto valor representativo de, digamos 5 cálculos consecutivos sin concordancia, el sistema de control puede decidir que ha perdido la sincronización con la posición real del rotor y previene (o interrumpe) la excitación de la máquina antes de que ocurran eventos más serios. El almacenamiento y exploración de los valores pueden efectuarse por cualesquier medios convenientes como pero típicamente mediante el almacenamiento digital en lugares de la memoria. Se ha encontrado que utilizando n=8 da un buen compromiso entre la estabilidad del sistema y el espacio de almacenamiento . Se observarán que este punto del método de la invención se lleva a cabo durante una repetición de los bloques 72 y 74 mediante una reiteración de acuerdo al bloque 78. Como se indicó anteriormente, este proceso interactivo puede ser implementado en el diagnóstico de la posición del rotor en la máquina funcionando así como cuando se establece o restablece la posición del rotor. De este modo, la serie de n medidas puede ser utilizada para construir las bases para verificar la confiabilidad de la (n+l) tésima medición antes de aplicar la excitación a las fases. Esas medidas pueden ser tomadas de pulsos sucesivos. Deberá comprenderse que este método de la invención puede ser utilizado cuando ocurra una situación de pérdida de datos de posición y estén disponibles dos fases para el diagnóstico. Cuando se comienza de la velocidad cero o cuando se este funcionando de manera inicial, esas condiciones son inmediatamente satisfechas. Si ocurre una perturbación transitoria en la carga o el sistema de control que produzca una pérdida súbita de los datos de posición, las condiciones pueden ser satisfechas removiendo la excitación de todas (o al menos dos de) las fases y permitiendo un tiempo suficiente para que las corrientes de la fase decaigan a cero. Por ejemplo, puede estimarse el enlace de flujo pico y darse tiempo para que este decaiga al cero estimado o la corriente sea verificada por medio de transductores de corriente. Las dos fases pueden entonces ser diagnosticadas de acuerdo a lo descrito para producir los datos de posición requeridos y la excitación apropiada aplicada a las dos fases para producir la torsión requerida a la dirección requerida. Alternativamente, si está siendo utilizado un sistema de verificación de confiabilidad de datos mientras la máquina está funcionando, como se describió anteriormente, entonces el arranque puede ser anulado y efectuarse únicamente un par de mediciones sobre las dos fases de acuerdo a lo descrito. De manera alternativa, si la bobina es puesta en la condición de rotación libre después de que se alcanza el enlace de flujo requerido, pueden tomarse mediciones sucesivas del impulso extendido.

La descripción anterior se ha basado en un sistema el cual utiliza una tabla de consulta de ángulos de rotor para los valores de corriente. Esta es conveniente en una implementación digital del sistema de control. Sin embargo, es igualmente posible utilizar métodos analíticos para determinar la posición insertando el valor de corriente medido en una fórmula que describa la relación entre la corriente y el ángulo del rotor al enlace de flujo que está siendo utilizado para el diagnóstico. Tal método puede ser preferible para la tabla de consulta si el espacio de almacenamiento digital es limitado y el uso de una tabla pequeña da lugar a errores de cuantización altamente inaceptables. Cualquiera de las expresiones analíticas podría ser utilizada, por ejemplo la relación de Frohlich descrita por Miller et al en "Teoría no lineal del motor de reluctancia conmutada para un diseño rápido ayudado por computadora" en Proc IEE Pt B. Vol 137, No 6. Noviembre de 1990, pp 337 - 347 o el uso de curvas de calibración de acuerdo a lo descrito por Pirón en "La aplicación de curvas de calibración magnéticas a accionadores de solenoide de movimiento lineal y máquinas de reluctancia de doble saliente giratorios" en ICEM'98. International Conference on Electrical Machines, Septiembre 2-4, 1998, Istanbul, Turquía, Vol 3, pp 1674 - 1679.

Deberá comprenderse que, aunque los ejemplos anteriores han sido descritos en relación a una máquina de tres fases, la invención puede ser aplicada a- cualquier máquina de reluctancia conmutada polifásica con cualquier número de polos. De manera similar, la invención podría ser aplicada a una máquina lineal donde la parte móvil (con frecuencia conocida como "rotor") se desplaza linealmente. De este modo, un experto en la técnica apreciará que son posibles variaciones a los arreglos descritos sin apartarse de la invención. En consecuencia, la descripción anterior de las diferentes modalidades se hizo a manera de ejemplo no con el propósito de limitar. La presente invención pretende ser limitada únicamente por el espíritu de las siguientes reivindicaciones .

Se hace constar que con relación a esta fecha, el mejor método conocido por la solicitante para llevar a la práctica la citada invención, es el que resulta claro de la presente descripción de la invención.

Claims (19)

REIVINDICACIONES Habiéndose descrito la invención como antecede, se reclama como propiedad lo contenido en las siguientes reivindicaciones:

1. Un método para determinar la posición del rotor en una máquina de reluctancia conmutada polifásica que comprende un rotor, un estator y dos o más fases de bobinas energizables, el método se caracteriza porque comprende: inyectar un primer impulso de diagnóstico de enlace de flujo predeterminado en una de las bobinas de fase; inyectar un segundo impulso de diagnóstico de enlace de flujo predeterminado en otra de las bobinas de fase de manera sustancialmente simultánea con la inyección del primer impulso de diagnóstico; determinar las primeras posibles posiciones del rotor a partir de una característica detectada del primer impulso; determinar las segundas posibles posiciones del rotor a partir de una característica deseada del segundo impulso; y resolver la ambigüedad de posición del rotor mediante una comparación de la primera y segunda posibles posiciones del rotor.

2. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la característica detectada del primer y segundo impulsos es la corriente en la bobina.

3. El método de conformidad con la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque incluye almacenar en una tabla de consulta pares de posibles valores de posición del rotor por cada uno de un intervalo de valores de características del primer y segundo impulsos.

4. El método de conformidad con la reivindicación 3, caracterizado porque la tabla de consulta almacena un solo conjunto de valores de posiciones del rotor para valores de la característica detectada para la verificación y generación.

5. El método de conformidad con la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque la tabla de consulta almacena un solo valor de la posición el rotor por cada uno de un intervalo de valores de las características del primer y segundo impulsos, el método incluye derivar los otros posibles valores mediante el cálculo de la simetría de las características magnéticas de la máquina.

6. El método de conformidad con la reivindicación 5, caracterizado porque la tabla de consulta almacena un solo conjunto de valores de posiciones del rotor para valores de la característica detectada para la verificación o la generación.

7. El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque resolver la ambigüedad incluye comparar las posibles posiciones del rotor indicadas por las características del primer y segundo impulsos y seleccionar la posición del rotor comúnmente indicada por las características detectadas.

8. El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque el primer y segundo impulsos de diagnóstico son inyectados mediante el accionamiento de los medios de conmutación.

9. El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque los pares sucesivos de impulsos de diagnóstico son inyectados a una frecuencia fija.

10. El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque los pares sucesivos de impulsos de diagnóstico son inyectados a una frecuencia variable.

11. El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, caracterizado porque el primer y segundo impulsos de diagnóstico son inyectados únicamente cuando el flujo en las bobinas respectivas es sustancialmente cero.

12. El método de conformidad con la reivindicación 11, caracterizado porque incluye retardar la inyección de los impulsos para permitir el decaimiento de los flujos sustancialmente a cero.

13. El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12, caracterizado porque incluye verificar la posición del rotor comparando una primer determinación con al menos una segunda determinación de la posición del rotor.

14. El método de conformidad con la reivindicación 13, caracterizado porque la máquina es energizada o desenergizada dependiendo de la verificación de la posición del rotor.

15. El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 14, caracterizado porque la determinación se hace mientras el rotor está estacionario.

16. El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 14, caracterizado porque la determinación se hace mientras el rotor está en movimiento.

17. El método de conformidad con la reivindicación 16, caracterizado porque incluye desenergizar las bobinas y, posteriormente, retardar la inyección del primer y segundo impulsos para permitir que las corrientes de la bobina recaigan a cero.

18. Un dispositivo motor de reluctancia conmutada que comprende una máquina que tiene un rotor, un estator y una pluralidad de fases de bobinas energizables, medios de conmutación accionables para energizar las fases, medios detectores de posición para derivar una posición del rotor en relación al estator y medios para accionar los medios de conmutación de acuerdo con la posición del rotor, los medios detectores de posición se caracterizan porque comprenden: medios para inyectar un primer impulso de diagnóstico de enlace de flujo predeterminado en una de las fases; medios para inyectar un segundo impulso de diagnóstico de enlace de flujo predeterminado en otra fase sustancialmente simultánea con la inyección del primer impulso de diagnóstico; medios para determinar las primeras posibles posiciones del rotor a partir del primer impulso y la segunda posible de las posiciones del rotor a partir de una característica del segundo impulso; y medios para resolver la ambigüedad de la posición del rotor por medio de un análisis de la primera y segunda posibles posiciones del rotor.

19. El dispositivo motor de reluctancia conmutada de conformidad con la reivindicación 18, caracterizado porque incluye al menos un verificador de corriente arreglado para detectar la corriente en una bobina de fase correspondiente y en la cual la característica del primer y segundo impulsos es la corriente.