Brevet FR2638035A1 — publié le 19900420

La présente invention concerne un circuit de commande pour un moteur à courant continu-sans collecteur, et elle por- te plus particulièrement sur un circuit électronique qui est destiné-à détecter la position du rotor sur la base de tensions induites. Les moteurs à courant continu sans collecteur présentent de l'intérêt dans des applications qui exigent une fiabilité et un rendement élevé, telles que des appareils ménagers, des pompes et des ventilateurs. Ces moteurs comprennent essentiel- lement un:-stator comportant des enroulements, un rotor consis- tant en un aimant permanent, un onduleur qui fournit du cou- rant aux enroulements de stator, un capteur de position qui fournit une information concernant l'instant de mise sous ten- sion de chaque ensemble d'enroulements et la durée pendant la- quelle les enroulements doivent rester sous tension, et une unité de commande centrale qui traite les informations de cou- rant, de vitesse et de position du rotor et qui émet des im- pulsions de commande vers l'onduleur. Dans-un circuit de com- mande pour de tels moteurs, on obtient le courant de commande pendant la période de mise sous tension de chaque ensemble d'enroulements en appliquant à la tension une'modulation d'im- pulsions en largeur, à une fréquence supérieure à celle de l'onde fondamentale de la tension que le rotor en mouvement induit dans les enroulements. La détection de la position du rotor sur la base des tensions induites est obtenue en atténu- ant les composantes de haute fréquence qui résultent de la mo- dulation de la tension des enroulements, et en comparant en- suite les signaux résultants entre eux, ou en comparant chacun d'eux avec leur moyenne, de façon à produire des signaux logi- ques qui correspondent à la position du rotor. Cette technique de détection de position du rotor est mentionnée dans les documents japonais Kokai N 5280415 et Kokai N 555035-(A), qui utilisent des filtres passe-bas pas- sifs du premier ordre et du second ordre, de type RC, pour at- ténuer les composantes de haute fréquence qui résultent de la modulation de la tension des enroulements. Bien que de tels filtres atténuent de façon satisfaisante les composantes de haute fréquence, ils ont l'inconvénient d'introduire des dé- phasages dans les signaux filtrés, et ces déphasages varient avec la fréquence et donc avec la vitesse du rotor. Le dépha- sage des signaux filtrés entraîne à son tour un déphasage des signaux logiques qui correspondent à la position du rotor, par rapport à la position effective de ce dernier, ce qui conduit à l'application aux enroulements de courants déphasés par rap- port à la tension induite dans ces mêmes enroulements, et le déphasage entre les courants d'alimentation et les tensions induites dégrade les performances du moteur du fait que ce der- nier ne travaille pas dans la condition de rendement maximal. Le document japonais Kokai 51150624 décrit un autre cir- cuit de commande. Ce document montre un moteur qui est attaqué par un convertisseur cyclique comportant des thyristors, dans lequel la commande de l'angle d'application du courant aux enroulements est effectuée efficacement dans une gamme de vi- tesse élevée, au moyen d'un circuit. Bien que ce circuit com- mande efficacement l'angle d'application du courant aux enrou- lements, il a l'inconvénient d'être complexe et d'avoir un coût élevé, du fait qu'il comprend différents composants. Le but de l'invention est de proposer un circuit de com- mande pour un moteur à courant continu sans collecteur qui soit capable de fournir du courant en phase avec des tensions in- duites dans les enroulements, et donc de maintenir les meil- leures performances possibles sur toute la gamme de vitesse utile. Un but plus spécifique de l'invention est de procurer un circuit de détection de position de rotor qui soit capable d'atténuer les composantes de haute. fréquence qui résultent de la modulation de la tension des enroulements du moteur, sans faire apparaître un déphasage des signaux logiques qui cor- respondent à la position du rotor. Un autre but supplémentaire de l'invention est d'élimi- ner les inconvénients techniques mentionnés précédemment, par l'utilisation d'un circuit électronique simple et d'un nombre réduit de composants. Ces buts sont atteints grâce à un circuit de commande électronique pour un moteur à courant continu sans collecteur comportant un statorbobiné et un rotor à aimants permanents, ce circuit comprenant: un inverseur qui applique du courant aux enroulements, un circuit de détection de position relative entre le rotor et le stator qui, sur la base de tensions in- duites, fournit une information concernant l'instant auquel chaque ensemble d'enroulements doit être mis sous tension et la durée pendant laquelle il doit rester sous tension; et une unité de commande centrale qui traite l'information relative au courant que l'onduleur applique aux enroulements de stator, à la vitesse de référence et à la position du rotor,et qui émet des impulsions de commande-vers l'onduleur. Conformément à l'invention, le circuit de détection de position de rotor comprend essentiellement des filtres passe- bas du type RC qui sont connectés aux bornes d'alimentation respectives des enroulements du moteur. Les sorties des filtres passe-bas sont connectées aux entrées non inverseuses de com- parateurs de tension correspondants, et ces comparateurs pré- sentent une hystérésis. Les sorties des filtres passe-bas sont également connectées à un réseau de résistances qui est con- necté à un point commun. Un autre réseau de résistances con- necte ce point commun à chacune des entrées inverseuses des comparateurs de tension. Chaque sortie de filtre passe-bas est également connectée, au moins par un condensateur, à l'entrée inverseuse du comparateur qui précède immédiatement le compa- rateur correspondant à chaque filtre. Contrairement à d'autres circuits utilisant des filtres passe-bas du type RC pour l'atténuation.de composantes de hau- te fréquence, dans le circuit qui est décrit ci-dessus, les signaux logiques correspondant à la position relative du ro- tor et du stator sont toujours produits en phase avec la posi- tion effective du rotor, grâce à quoi les courants qui sont appliqués aux enroulements du moteur peuvent être en phase avec la tension induite dans ces enroulements. De cette maniè- re, il est possible de commander efficacement le moteur dans toute la gamme de vitesse utile. Un avantage supplémentaire du circuit proposé consiste en ce que ce circuit ne nécessite aucun circuit supplémentaire pour la compensation d'erreurs de phase, alors qu'on utilise habituellement de tels circuits pour obtenir de meilleures performances du moteur. Le circuit qui est décrit a une structure simple et il comporte un nombre de composants réduit. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre d'un mode de réalisation, et en se référant aux dessins annexés dans lesquels: la figure 1 représente un schéma synoptique d'un moteur, d'un onduleur et d'une unité de commande centrale du type que pro- pose l'invention; la figure 2 montre une représentation graphique de la tension d'une phase, en fonction du temps, et sa valeur moyenne, par rapport au potentiel négatif de l'alimentation; la figure 3 montre une représentation graphique en fonction du temps des tensions qui sont induites dans chaque phase, des valeurs filtrées respectives de ces tensions, des signaux lo- giques après les comparateurs, et des périodes d'activation pour chaque interrupteur de l'onduleur; la figure 4 montre une représentation graphique de la tension induite dans une phase et du courant dans la même phase, il- lustrant l'angle de phase entre ces deux grandeurs; la figure 5 représente la forme préférée du circuit de détec- tion de position; la figure 6 montre une représentation graphique de l'évolution angulaire de signaux de tension dans le circuit de détection de position, en fonction de la fréquence fondamentale de la tension induite, et la figure 7 montre'une représentation graphique' de I'évolution de l'angle y qui est obtenu par le circuit proposé, dans toute la gamme de fréquence de la tension induite. -Cornmme le montre la figure 1, un onduleur 10 applique du courant à trois phases du moteur à courant continu sans col- lecteur 20, qui est constitué par trois enroulements de stator 21, 22 et 23, qui sont représentés ici par des inductances L1, L2, L3, et par les-tensions d'alimentation V1, V2, V3, repré- sentant les tensions respectives qui sont induites par le ro- tor mobile, et dont l'amplitude et la fréquence varient de fa- çon linéaire en fonction de la vitesse du rotor. Des tensions V01, V2 et V3 correspondant respective- ment aux phases 01' 02' et q3, sont émises par des tensions induites vers le bloc de détection de position relative du rotor, 30. La borne négative 11 de l'alimentation 80, qui correspond au potentiel de référence (r47) pour la totalité du circuit est également connectée au bloc de détection 30. Par l'intermédiaire des bornes P1, P2 et P3, le bloc de détection de position du rotor, 30, émet trois signaux lo- giques respectifs 35, 36 et 37 vers l'unité de corrmmande cen- trale 70 qui, sous la dépendance de cette information et des valeurs de courant IM ainsi que de 'la vitesse de référence WR, émet les signaux de commande S1 à S6 vers six transistors T à T6 de l'inverseur 10. En se référant à la figure 5, on note que dans sa forme préférée, le circuit de l'invention comprend trois diviseurs de tension, chacun d'eux étant constitué par des résistances 51 et 52., qui réduisent les tensions V01, V02 et V03 de chaque phase à des niveaux appropriés pour le circuit électronique; et trois filtres passe-bas du premier ordre 1,.2, 3, chacun d'eux étant constitué par un condensateur 53, ces filtres étant calculés de façon à laisser passer les signaux de ten- sions induites V1, V2, V3 et à atténuer au maximum les compo- santes de haute fréquence qui résultent de la modulation de la tension sur les inductances L1, L2 et L3. Après ce-filtrage, on obtient aux points F1, F2 et F3 (figures 3 et 5) des si- gnaux respectifs VF1, VF2 et VF3 qui sont une recombinaison des signaux de tensions induites V1, V2 et V3, retardés d'un angle " qui est fonction des caractéristiques des filtres passe-bas 1, 2, 3 et de la fréquence fondamentale des tensions induites V1, V2 et V3, comme le montre la figure 6. On obtient la valeur moyenne VM à partir des signaux recombinés VF1,' VF2 et VF3 (figures 3 et 5), au point cormmnun M des résistances 54 qui sont connectées aux sorties F1, F2 et F3 des filtres passe- bas 1, 2 et 3. La valeur des résistances 54 change les carac- téristiques des filtres passe-bas décrits ci-dessus, et on doit en tenir compte dans la conception. Cette valeur moyenne VM est appliquée aux entrées inver- seuses 59, 60 et 61 des comparateurs, par l'intermédiaire de résistances 55. Les résistances 55 ont une valeur supérieure à la valeur des résistances 54, de façon que les variations de tension aux points M1, M2 et M ne modifient pas notablement la tension moyenne VM. Des condensateurs 56 sont également con- nectés aux points M1, M2 et M3 et, en association avec les ré- sistances 55, ces condensateurs forment trois filtres passe- haut qui appliquent aux entrées inverseuses 59, 60 et 61 des comparateurs des tensions qui diffèrent de la valeur moyenne VM, proportionnellement à l'augmentation de la fréquence des tensions induites V1, V2 et V3. La référence 38A sur la figure 3 désigne l'instant au- quel la tension induite V1 devient inférieure à la tension in- duite V2. La référence 38B désigne l'instant auquel la tension induite V1 devient inférieure à la valeur moyenne entre V1, V2 et V3. La différence de phase entre 38A et 38B est toujours de 30 . On obtient la même différence de 30 lorsqu'on compare les signaux recombinés VFi, VF2 et VF3, cormme décrit ci-dessus, ce qui donne des signaux logiques 35, 36 et 37 (figure 3) qui sont mutuellement déphasés de 120 . L'utilisation de cette propriété d'un déphasage constant de 30 entre les signaux lo- giques dans les deux formes de comparaison, ajoutée aux effets obtenus par l'hystérésis des comparateurs, permet de faire en sorte que le résultat final de la comparaison soit constant, sans nécessiter des circuits complexes, ce qui fait qu'il de- vient possible d'utiliser quelques composants passifs et de former un circui't simple et approprié pour la fabrication en grande quantité. A la fréquence de travail minimale FA qui est représen- tée sur les figures 6 et 7, la tension aux points M1, M2 et M3 (figure 5) est pratiquement égale à la tension moyenne VM, et ceci signifie que la comparaison a lieu entre cette tension moyenne VM et chaque tension VF1, VF2 et VF3, et cette compa- raison donne les signaux logiques 35A, 36 A et 37A (figure 3). Ces signaux logiques 35A, 36A et 37A sont retardés d'un angle e A + hA par rapport à la référence 38B. Le circuit doit être conçu de façon que, à la fréquence FA (figures 6 et 7) cor- respondant à la vitesse de fonctionnement minimale du moteur - 20, le retard "A + hA des signaux logiques 35A, 36A et 37A soit égal à 30 , et que les instants de transition des signaux logiques 35A, 36A et 37A (figure 3) coïncident avec la réfé- rence 38C. Ainsi, les signaux de commande S1 à S6 qui sont produits par des combinaisons logiques entre les signaux 35A, 36A et 37A feront circuler dans les enroulements 21, 22 et 23 (figu- re 1) des courants I, 12 et 13 (figure 4) en phase avec les tensions V1, V2 et V3 (figure 4) qui sont induites dans ces enroulements, et dans cette condition, l'angle y sera égal à zéro. L'angle oA + hA est la somme de l'angle de retard A qui est produit par les filtres passe-bas et de l'angle de re- tard hA qui est produit par l'hystérésis des comparateurs de tension 59, 60 et 61. Cette hystérésis est fonction du rapport des valeurs des résistances 57 et 58. On utilise cette hysté- résis pour introduire un retard hA (figure 6) dans les signaux logiques 35, 36 et 37 qui résultent des comparaisons de ten- sion, ce retard augmentant avec la vitesse du rotor, conformé- ment au graphique de la figure 6. L'hystérésis convient égale- ment pour assurer l'immunité des comparateurs de tension 59, et 61 vis-àvis de bruits et d'ondulations résiduelles qui ne sont pas éliminés par les filtres passe-bas 1, 2 et 3. Aux fréquences élevées FB (figures 6 et 7), les tensions aux points M1, M2 et M3 (figure 5) sont pratiquement égales aux tensions respectives VF2, VF3 et VF1, à cause des filtres passe-haut que forment les condensateurs 56 et les résistances 55. Ceci signifie que la comparaison a lieu entre les tensions VF1 et F VF2, VF2 et VF3, VF3 et VF1, et ces comparaisons fournissent respectivement les signaux logiques 35B, 36B et 37B.(figure 3). A la fréquence FB (figures 6 et 7), ces signaux logiques 35B, 36B et 37B sont retardés de l'angle "B + hB par rapport à la référence 38A (figure 3). Le circuit a été conçu de façon qu'à la fréquence FB (figures 6 et 7) correspondant à la vitesse.de fonctionnement maximale du moteur 20, le retard îB + hB des signaux logiques B, 36B et 37B (figure 3) soit égal à 60 , grâce à quoi les instants de transition des signaux logiques 35B, 36B et 37B cotncident également avec la référence 38C (figure 3). Aux fréquences intermédiaires entre FA et FB (figures 6 et 7), il existe un effet combi.né qui maintient toujours les signaux 35, 36 et 37 (figure 3) en phase avec la référence 38C. De cette manière, l'angle y qui est représenté sur la figure 7 est maintenu égal à zéro entre les fréquences FA et FB, ce qui correspond à la plage de vitesse utile du moteur. I1 va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au dispositif décrit et représenté, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Circuit de commande électronique pour un moteur à courant continu sans collecteur, du type comprenant un stator bobiné et un rotor à aimants permanents, ce circuit compre- nant: un onduleur (10) qui applique du courant (Il, I2, ') à des enroulements de stator (21, 22, 23); un circuit de dé- tection de position relative du rotor et du stator (30) qui, sur la base des tensions induites (V1, V2, V3) fournit une in- formation concernant l'instant auquel chaque ensemble d'enrou- lements doit être mis sous tension et la durée pendant laquel- lOle il doit rester sous tension; et une unité de commande cen- trale (70) qui traite l'information (IM) relative aux courants (I1, I2, I3) qui sont fou.rnis par l'onduleur (10), une infor- mation de vitesse de référence (WR) et une information de posi- tion relative du rotor et du stator (35A, 36A, 37A et 35B, 36B, 1537B) et qui émet des signaux de commande (S1 à S6) vers l'on- duleur (10), caractérisé en'ce que le circuit de détection (30) comprend: a) des filtres passe-bas de type RC (1, 2, 3) con- nectés aux bornes d'alimentation (01- 02' 03) des bobines (21, 22, 23) du moteur (20), avec chaque sortie (F1, F2 et F3) de chaque filtre passe-bas (1, 2, 3) connectée à l'entrée non in- verseuse d'un comparateur de tension correspondant (59, 60, 61), à une résistance correspondante (54)-parmi plusieurs résistan- ces interconnectées à un point commun (M), et au moins par l'intermédiaire d'un condensateur (56) à l'entrée inverseuse (M1, M2, M3) dans le comparateur de tension (59, 60, 61) qui précède immédiatement le comparateur (59, 60, 61) qui corres- pond à chaque filtre passe-bas (1, 2, 3)-; et b) un autre ré- seau de résistances (55) qui connecte le point commun (M) à chacune des entrées inverseuses (M1, M2, M3) des comparateurs de tension (59, 60, 61). 2. Circuit de commande électronique pour un moteur à courant continu sans collecteur selon la revendication 1, ca- ractérisé en ce que les comparateurs de tension (59, 60, 61) présentent une hystérésis. 3. Circuit de commande électronique pour un moteur à courant continu sans collecteur selon la revendication 1, ca- ractérisé en ce que les résistances (55) qui sont connectées aux entrées inverseuses (M1, M2, M3) dans les comparateurs de tension (59, 60, 61) ont des valeurs supérieures à celles des résistances (54) qui connectent la sortie (F1, F2, F3) de cha- que filtre passe-bas (I, 2, 3) au point commun (M).