Brevet FR2634959A1 — publié le 19900202

CIRCUIT ELECTRONIQUE DE COMMANDE DE MOTEUR La présente invention concerne la commande de moteurs electriques, tout particulierement des moteurs de puissance moyenne (quelques centaines de watts). L'application envisagée dans la suite pour bien montrer les problèmes que l'on peut avoir å résoudre est la commande d'un moteur électrique dit "pulseur d'air", fournissant un débit d'air variable dans un systeme de chauffage et/ou conditionnement de l'air de l'habitacle d'un véhicule automobile. Dans le système de conditionnement d'air d'une automobile, on rencontre trois ou quatre fonctions principales. La première est la fonction de réglage de la température de chauffage; elle utilise en général un volet de mixage pour doser les proportions d'air chaud chauffé a partir du circuit de refroidissement du moteur et d'air frais issu de l'extérieur de l'habitacle et amené a travers le pulseur d'air.La deuxième fonction est le réglage du débit d'air frais en amont du volet de mixage; elle utilise le pulseur d'air, c'est-à-dire un moteur électrique entraînant une turbine; la rotation de la turbine provoque l'aspiration d'air frais à travers un auvent ouvert sur l'extérieur et chasse cet air vers l'intérieur du circuit de conditionnement d'air et notamment vers le volet de mixage servant au réglage de température; le débit d'air est réglé en agissant sur la vitesse de rotation du moteur. La troisième fonction est la distribution de l'air depuis le circuit de conditionnement jusque vers l'habitacle du véhicule; cette fonction utilise des volets de répartition actionnes par des tirettes, des câbles, etc., pour orienter l'air soit vers le haut, soit vers le bas, soit vers les deux à la fois.Enfin, la quatrième fonction, pas toujours presente, est une fonction de réfrigération lorsqu'on veut pouvoir obtenir un air plus froid qu'à l'extérieur; elle utilise un évaporateur place entre le pulseur d'air et le volet de mixage servant au réglage de température. La fonction du pulseur d'air est très importante pour le confort thermique de l'utilisateur; elle vient par ordre d'importance immédiatement apres la fonction de réglage de température par le volet de mixage. Pour que l'utilisateur ressente un confort aussi grand que possible dans le réglage du systeme de conditionnement d'air, on s'aperçoit qu'il faut: - un moteur électrique de puissance relativement élevée, de plusieurs centaines de watts, typiquement 250 watts à 400 watts, voire plus; - une possibilité de réglage continu de la vitesse de rotation du moteur. Actuellement, les commandes de pulseurs d'air sont de plusieurs types. Certaines utilisent pour le réglage de débit un commutateur pour mettre en série avec le moteur des résistances de dissipation de puissance, refroidies par l'air refoulé par la turbine du moteur. On dispose alors d'un réglage discontinu de débit, avec trois ou quatre vitesses possibles seulement. Comme solution de réglage continu, on a proposé d'utiliser un transistor bipolaire placé en série avec le moteur, le tout étant alimenté entre les bornes de la batterie d'accumulateurs du véhicule. La commande se fait par un potentiomètre accessible sur le tableau de bord du vehicule et monté électriquement dans le circuit de polarisation de la base du transistor bipolaire. Le transistor est en fait monté en émetteur suiveur de tension. Selon la position du potentiomètre de commande, on règle la tension aux bornes du moteur donc sa vitesse et le débit d'air. I1 s'agit d'un montage avec transistor "ballast", ctest-å-dire un transistor en série avec le moteur à commander, ce transistor absorbant une partie importante de la puissance fournie par la batterie. La figure 1 représente ce montage de commande continue d'un moteur électrique M à travers un transistor bipolaire ballast T; une batterie BAT alimente l'ensemble en série du moteur et du transistor; le transistor est ici de type PNP (å titre d'exemple); son émetteur est relié au moteur; une résistance R1 de polarisation de base est placée entre le pôle positif de la batterie et la base du transistor; une résistance variable est placée entre la base et le collecteur du transistor, cette résistance variable comprend de préférence d'une part un potentiomètre de réglage POT pour régler la puissance consommée par le moteur, et d'autre part, en série avec ce potentiomètre, une thermistance CTP, à coefficient de température positif, pour limiter le courant lorsque le transistor chauffe trop.La thermistance est placée matériellement sur le transistor ou sur son radiateur de refroidissement. Elle constitue une sécurité contre la destruction du transistor lorsque la commande impose une consommation de puissance importante dans le transistor. L'avantage de ce circuit de commande continue de moteur est d'abord sa simplicité; il ne requiert que peu d'éléments. Mais la puissance que l'on peut commander est limitée car la puissance que doit dissiper le transistor devient prohibitive dans certains modes de fonctionnement; on arrive à commander avec un seul transistor un moteur de 250 watts par exemple mais pas au delà sans risque d'altérer la fiabilité du produit. D'autre part, on perd une partie de la puissance disponible à cause de la tension de saturation élevée des transistors bipolaires de puissance : la tension minimale que l'on obtient entre le collecteur et l'émetteur est d'au moins 2,5 volts même lorsque le transistor est saturé. Pour une batterie de 12 volts, on n'arrive donc au maximum qu'à appliquer environ 9,5 volts au moteur.La perte de puissance est de 20 à 30 pour cent. La figure 2 représente un circuit amélioré qui a été proposé pour remédier à cet inconvénient de perte de puissance: par rapport à la figure 1, on a rajouté en parallèle sur le circuit émetteur-collecteur du transistor un relais REL qui vient court-circuiter le transistor; ce relais est commandé par un circuit électronique DET qui détecte par mesure d'impédance la fin de la plage de reglage du potentiomètre POT et qui ferme le relais lorsque la mesure indique que la puissance maximale est demandée au moteur. On supprime donc la tension résiduelle aux bornes du transistor et on regagne les 20 à 30 pour cent de puissance perdue. L'inconvénient de ce circuit reside dans la nécessité d'un relais qui est un élément de circuit relativement fragile, sensible à l'environnement sévère que l'on trouve dans l'automobile (par exemple : humidité, vibrations, brouillard salin); de plus, le circuit est plus complexe puisqu'il faut assurer la détection de fin de course du potentiomètre de commande; la fiabilité est diminuée du fait de cette augmentation de complexité; d'autre part, l'utilisateur ressent désagréablement l'augmentation brusque de puissance du moteur lors de la fermeture du relais; il dispose d'une commande de puissance continue, mais en bout de course du potentiomètre de commande, un saut brusque de puissance se produit, ce qui est interprété désagréablement comme un fonctionnement anormal. Pour augmenter encore la puissance que l'on peut commander, on a aussi proposé d'utiliser deux transistors bipolaires de puissance T et T' montés en parallèle broche à broche. Le montage est possible et fonctionne de manière stable du fait que la charge à commander est reliée à l'émetteur des transistors et non au collecteur. La figure 3 représente ce montage qui évite l'utilisation d'un transistor susceptible de dissiper une puissance très élevée. La puissance du moteur dans le cas de la figure 3 peut être double de celle du moteur dans le cas de la figure 2, mais les inconvénients sont les mêmes (complexité accrue, fiabilité diminuée, saut de puissance en fin de course). Enfin, d'autres montages ont pu être envisagés, utilisant pour le réglage de puissance un principe de découpage du courant passant dans le moteur: la variation du rapport cyclique entre la durée de passage du courant et la durée d'interruption du courant à chaque période de decoupage permet de régler la puissance consommée par le moteur, donc sa vitesse et le débit d'air fourni. Ces circuits sont plus complexes que les circuits précédemment décrits. Ils peuvent utiliser comme transistor de découpage fonctionnant en commutation un transistor à effet de champ, ce type de transistor étant connu comme permettant de réaliser de bons commutateurs. Outre leur complexité naturelle, ces circuits exigent des dispositifs d'antiparasitage coûteux. Pour améliorer la commande du moteur et éviter les inconvénients précédemment mentionnés, la présente invention propose d'utiliser comme élément de réglage de puissance un transistor à effet de champ de puissance, qui ne fonctionne pas en commutation mais en continu. L'invention propose donc, pour la commande continue d'un moteur électrique de puissance moyenne, un circuit électronique qui comprend un transistor à effet de champ de puissance ayant une source, un drain, et une grille, ce transistor étant connecté en série avec le moteur electrique entre deux bornes d'alimentation, et la commande du moteur s'effectuant par variation d'un potentiel continu appliqué à la grille du transistor. Parmi les avantages de ce montage, on trouve d'abord la simplicité du circuit, la fiabilité, le coût limité, l'absence de nécessité d'un relais car lorsque le transistor est saturé la tension entre le drain et la source peut descendre de 0,4 à 0,8 volt (au lieu de 2,5 volts pour un transistor bipolaire). Ce montage est particulièrement adapté à la commande de moteurs de ventilateurs; en effet, comme le transistor doit dissiper une puissance très importante, on pourra le placer dans le flux d'air du ventilateur pour améliorer l'évacuation de la chaleur. Etant donné qu'un critère important de qualité d'un circuit est la possibilité de le fabriquer à faible coût en production de grande série (cela est particulièrement vrai dans l'industrie de l'automobile), on prévoit de plus des moyens pour minimiser l'influence de la dispersion des caractéristiques du transistor à effet de champ sur le réglage de puissance effectué. Ces moyens sont de préférence constitués par une résistance de contreréaction entre le drain et la grille du transistor. Pratiquement, la commande de puissance peut être obtenue par un potentiomètre ayant deux bornes extrêmes reliées aux bornes d'une batterie et un curseur relié à la grille du transistor; de préférence cependant, une thermistance de protection est insérée entre le curseur du potentiomètre et la grille; ainsi la boucle de contreréaction comprend d'une part une résistance fixe et d'autre part cette thermistance; la thermistance est à coefficient de température positif. Pour augmenter la puissance disponible, on prévoit de préférence un montage avec deux transistors å effet de champ en parallèle, avec en outre un circuit d'équilibrage du courant passant dans chacun des transistors. Ce circuit d'équilibrage comprend selon l'invention des résistances de faible valeur, identiques, en série entre la source de chacun des transistors et un potentiel de référence (une borne de batterie), et un miroir de courant (du type amplificateur différentiel) de contre-réaction pour commander la grille du deuxième transistor à effet de champ, le premier transistor à effet de champ étant commandé par la tension continue prélevée sur le curseur d'un potentiomètre; les entrées du miroir de courant sont connectées aux sources des transistors à effet de champ et la sortie est connectée à la grille du deuxième transistor à effet de champ. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit et qui est faite en référence aux dessins annexés dans lesquels - les figures 1 à 3 déjâ décrites représentent des circuits de l'art antérieur pour la commande continue de moteurs électriques; - la figure 4 représente le schéma de base d'un circuit de commande selon l'invention; - la figure 5 représente un perfectionnement utilisant deux transistors à effet de champ avec un circuit d'équilibrage des courants consommes. Le circuit de la figure 4 comprend un transistor à effet de champ Q à grille isolée (réalise en technologie MOS), en série avec le moteur M à commander. Cet ensemble en série est connecté entre les bornes A et B d'une batterie BAT qui est la batterie du véhicule dans le cas de l'application à un système de conditionnement d'air de véhicule. Si le transistor est à canal N (cas plus avantageux du fait du fait du meilleur rapport résistance interne, coût du composant), la source est connectée i la borne de référence négative A de la batterie. La grille de commande du transistor est alimentée par une tension continue, issue essentiellement du curseur C d'un potentiomètre POT dont les bornes extrêmes sont alimentées par une différence de potentiel continue, qui peut être prélevée aux bornes A et B de la batterie. Le potentiel du curseur C du potentiometre POT varie en fonction de la position du curseur et modifie la différence de potentiel Vgs entre grille et source du transistor Q. On s'arrange pour que les variations de différence de potentiel Vgs se situent dans une gamme de valeurs correspondant à une variation du courant entre drain et source du transistor, c'est-à-dire essentiellement au-delå de la tension de seuil Vt du transistor et en-deçà d'une différence de potentiel correspondant à une saturation du transistor. On regle ainsi le courant dans le transistor Q donc dans le moteur M. Toutefois, les caractéristiques de variation de courant en fonction de la tension Vgs ne sont pas forcément reproductibles d'un transistor à un autre, même dans une même série de fabrications; or on veut que le circuit de commande fonctionne sans aucun réglage malgre les dispersions de caractéristiques des transistors. C'est pourquoi on prévoit selon l'invention une résistance de contre-réaction connectée entre le drain et la grille du transistor. Dans l'exemple représente, la résistance de contre-réaction est en réalité décomposée en une résistance fixe R2, reliée au drain du transistor, en série avec une thermistance CTP de protection contre les surcharges thermiques; cette thermistance est fixée par exemple sur le transistor; elle est à coefficient de température positif comme le rappelle le sigle CTP.Dans le schéma électrique, elle est insérée entre le curseur C du potentiomètre et la grille de commande du transistor MOS Q. La résistance de contre-réaction permet de diminuer la pente de variation du courant drain-source en fonction de la tension grille-source; elle permet donc de rendre le circuit moins sensible aux variations de cette pente d'un transistor à un autre. Une résistance R3 est connectée entre la grille et la source du transistor Qt cette résistance joue deux rôles d'abord, en relation avec la thermistance CTP, elle constitue un pont diviseur dont le point milieu est relié la grille du transistor Q. Lorsque le transistor chauffe, la résistance de la thermistance augmente de valeur et le potentiel de la grille tend à devenir proportionnellement plus faible que la valeur qu'il aurait si la thermistance ne chauffait pas. Ensuite, en relation avec la thermistance CTP et la résistance R2, la résistance R3 a pour fonction d'abaisser automatiquement la tension grille-source Vgs au dessous du seuil de conduction Vt dans le cas où la liaison avec le curseur C est interrompue.Cela permet au moteur de s'arrêter en cas de coupure de cette liaison, ce qu'il ne ferait pas s'il n'y avait pas la résistance R3. On trouve encore sur le schéma de la figure 4 des diodes zener de protection du transistor NOS contre les surtensions : une diode zener D1 entre grille et source, et une diode zener D2 en série avec une diode normale D3 entre grille et drain. On notera que la thermistance CTP est insérée dans la boucle de contre-réaction entre drain et grille du transistor et que de ce fait sa dynamique d'action en fonction de la température et la vitesse de éaction à une variation de température est plus forte que si la resistance R2 était directement connectée entre drain et grille avec la thermistance entre le curseur C et la grille.D'autre part, on peut remarquer qu'il ny a qu'un fil de liaison entre le circuit de commande et le tableau de bord du véhicule (fil allant du curseur C situé sur le tableau de bord jusqu'à la grille du transistor à travers la thermistance qui est montée mécaniquement sur le transistor): dans les schémas des figures 1 à 3, il y a deux fils partant l'un de la base du transistor, l'autre de la thermistance, pour aboutir au potentiomètre. Pour commander des moteurs de puissance plus importante, la présente invention propose un perfectionnement consistant à utiliser deux transistors MOS en parallèle, avec un circuit d'équilibrage des courants dans les deux transistors; la connexion pure et simple de deux transistors en parallèle broche à broche ne serait que difficilement possible du fait que d'une part les deux transistors ont des caractéristiques différentes, et que d'autre part, même si les deux transistors ont des caractéristiques identiques, lorsqu'un transistor chauffe il tend à consommer plus de courant (dans les plages de courant faible la connexion pure et simple de deux transistors en parallèle risquerait donc d'aboutir à un déséquilibre très fort des courants consommés. La figure 5 représente le schéma adopté pour équilibrer les courants: le premier transistor, désigné par Q, est monté exactement comme à la figure 4 à l'exception du fait qu'une résistance SH1 de très faible valeur (environ 10 milliohms) est insérée entre la source du transistor et la borne A de la batterie. Le deuxième transistor, Q', est monté de la manière suivante: sa source est connectée à la borne A par une autre résistance SH2, de même valeur que la résistance SH1. Son drain est connecté au drain du transistor Q. Sa grille est commandée par la sortie d'un miroir de courant dont les entrées sont reliées respectivement aux sources des deux transistors.Le montage est tel qu'un petit déséquilibre de courant dans les résistances SHî et SH2 (c'est-à-dire dans les transistors Q et Q') entraîne une différence de potentiel entre les entrées du miroir de courant; la sortie du miroir de courant agit sur la grille du transistor Q' dans un sens tendant à s'opposer au déséquilibre; si le courant dans Q' devient plus faible que le courant dans Q, la tension sur la grille de Q' augmentera pour augmenter le courant dans Q'. Le miroir de courant est réalisé d'une manière très simple: il comporte deux branches, l'une comportant un transistor bipolaire T1 polarisé dans son collecteur par une résistance R4 reliée à une borne d'alimentation (de préférence la borne B de la batterie). L'émetteur du transistor T1 est relié à la source du transistor Q; l'autre branche comprend un transistor bipolaire T2 monté en diode entre la base du transistor T1 et la source du deuxième transistor Q'. Une résistance R5 polarise le point commun des deux transistors T1 et T2 (leurs bases). Les résistances et transistors bipolaires sont dimensionnes de telle sorte que le courant qui les traverse ne soit qu'une très faible fraction du courant traversant les transistors MOS. Sur la figure 5, on n'a pas représenté les diodes de protection contre les surtensions: le montage est le même qu'à la figure 4 pour le transistor Q et un montage identique peut être fait pour le transistor Q'. REVENDICATIONS 1. Circuit électronique pour la commande continue d'un moteur électrique, caractérisé en ce qu'il comprend un transistor à effet de champ de puissance (Q) ayant une source, un drain, et une grille de commande, ce transistor à effet de champ étant connecté en série avec le moteur électrique (M) entre deux bornes d'alimentation (A et B), et la commande du moteur s'effectuant par variation d'un potentiel continu appliqué à la grille du transistor à effet de champ. 2. Circuit de commande selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte une résistance de contreréaction (R2, CTP) entre le drain et la grille du transistor à effet de champ. 3. Circuit de commande selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il comporte une thermistance à coefficient de température positif (CTP) fixée sur le transistor à effet de champ et connectée électriquement entre une source de tension continue variable (C) et la grille du transistor à effet de champ. 4. Circuit de commande selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comporte une boucle de contreréaction constituée par une résistance fixe (R2) en série avec la thermistance (CTP) entre le drain et la grille du transistor à effet de champ. 5. Circuit de commande selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comporte un potentiomètre (POT) de réglage d'une tension continue à appliquer à la grille du transistor à effet de champ, le potentiomètre ayant deux bornes extrêmes connectées aux bornes (A et B) d'une source d'alimentation et un curseur (C) relié à la grille du transistor à effet de champ par l'intermédiaire de la thermistance (CTP). 6. Circuit de commande selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte une resistance (R3) entre la grille et la source du transistor à effet de champ. 7. Circuit de commande selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comporte un deuxième transistor à effet de champ (Q'), en ce qu'une résistance (SH1) de très faible valeur est insérée entre la source du premier transistor à effet de champ (Q) et une borne d'alimentation, et une autre résistance identique (SH2) est insérée entre la source du deuxième transistor à effet de champ et la même borne d'alimentation, en ce que les drains des deux transistors à effet de champ sont connectés ensemble au moteur, et en ce qu'un miroir de courant (T1, T2, R4, R5) est prévu, avec deux entrées connectées respectivement aux sources des deux transistors à effet de champ et une sortie connectée à la grille du deuxième transistor à effet de champ. 8. Circuit de commande selon la revendication 7, caractérisé en ce que le miroir de courant comprend deux transistors bipolaires (T1, T2) ayant leurs émetteurs reliés aux sources des transistors à effet de champ, leurs bases reliées entre elles, le premier transistor bipolaire (T1) ayant son collecteur relié à la grille du deuxième transistor à effet de champ (Q') et le deuxième transistor bipolaire (T2) ayant sa base et son collecteur réunis. 9. Circuit de commande selon l'une des revendications précédentes, pour la commande d'un moteur de ventilateur, caractérisé en ce qu'il est placé dans le flux d'air du ventilateur. 10. Application du circuit de commande selon l'une des revendications précédentes à la commande d'un moteur de système de conditionnement d'air de l'habitacle d'un vehicule automobile.