Brevet FR2660127A1 — publié le 19910927

L'invention concerne un procédé pour supprimer les pointes de courant produites pendant une commutation dans les enroulements de phases d'un moteur à courant continu sans balais lorsque les enroulements de phases sont alimentés à travers un convertisseur statique- circuit intermédiaire à tension continue (convertisseur) en courant d'allure rectangulaire et que la détermina- tion de la valeur réelle du courant s'effectue exclusi- vement dans le circuit intermédiaire à tension continue (mesure de courant simple). Pour mesurer le courant moteur, servant de valeur réelle pour la régulation du courant dans le cas d'un moteur à courant continu à commutation électro- nique, il s'offre deux possibilités: a) la mesure de courant simple dans le circuit intermé- diaire à tension continue, auquel cas le courant alternatif circulant dans le circuit intermédiaire correspond au courant moteur; et b) la mesure de courant multiple, pour laquelle on me- sure les courants circulant effectivement par les enroulements de phases dans les conducteurs d'alimen- tation du moteur. Un dispositif convenant pour la mesure de courant est décrit dans le document DE-OS 37 08 892 La mesure de courant pour fdéterminer le courant moteur d'un moteur à courant continu s'effectue dans ce cas sans potentiel au moyen d'un capteur de courant travaillant sans contact et d'un dispositif d'exploitation monté à la suite de ce capteur et fournissant un signal de sortie proportionnel au courant mesuré Pour accroître la précision des valeurs mesurées, les dérives du zéro du capteur de courant ou du dispositif d'exploitation sont compensées au moyen d'un circuit de réglage. La mesure de courant simple et la mesure de courant multiple ont toutes deux des inconvénients Dans le cas de la mesure de courant multiple, l'inconvénient réside dans le coût supplémentaire parce que, à la place d'un seul dispositif de mesure comme pour la mesure de courant simple il faut interposer un dispositif de mesure dans chaque enroulement de phase (Un dispositif de mesure supplémentaire doit néanmoins mesurer ici également le courant dans le circuit intermédiaire à tension continue, afin que, s'il se produit une défec- tuosité sur les transistors de la partie de puissance, le courant de court-circuit puisse être détecté et la partie de puissance puisse être arrêtée immédiatement). Le coût occasionné par la mesur 3 de courant multiple assure cependant que la valeur réelle mesurée du courant est à tout moment égale au courant moteur. Ceci n'est pas le cas avec la mesure de courant simple dans le circuit intermédiaire à tension continue Pendant la commutation, il se produit en effet des pointes de courant dans le moteur Ces pointes de courant sont provoquées par les différences entre les temps d'établissement et de décroissance du courant dans les enroulements de phases pendant une commutation. Comme l'établissement du courant dans l'enroulement de phase en cours de connexion est généralement bien plus rapide que la décroissance du courant dans l'enroulement de phase en cours de déconnexion sauf dans la partie supérieure de la plage des vitesses de rotation dans le mode de fonctionnement en tant que moteur un courant circule dans tous les enroulements de phases du moteur à courant continu pendant la commutation Ce surcroît de courant dans le moteur n'est pas détecté par la mesure de courant simple dans le circuit intermédiaire à tension continue De ce fait, la régulation du courant pendant la commutation est basée sur une fausse valeur réelle du courant. L'intensité de la pointe de courant dépend de la valeur instantanée du courant, de la vitesse de rotation, de l'état momentané du régulateur de courant (marche/arrêt) et du mode de fonctionnement du moteur (en tant que moteur ou tant que génératrice); le courant maximal pouvant circuler dans le moteur correspond au double du courant nominal L'inconvénient est que l'électronique de puissance et le moteur doivent être conçus pour pouvoir supporter cette valeur double du courant nominal, ce qui conduit à des surdimensionne- ments de la commande donc aussi à des coûts plus élevés. Partant de cet état de la technique, l'inven- tion vise à proposer un procédé qui, d'une part, déter- mine le courant moteur de façon économique par une mesure de courant simple dans le circuit intermédiaire à tension continue et qui supprime d'autre part les pointes de courant produites dans le moteur pendant la commutation. Conformément à l'invention, on obtient ce résultat par le fait que l'on retarde l'établissement du courant dans les enroulements de phases d'un laps de temps tv par rapport à la décroissance du courant. La solution apportée par le procédé selon l'invention peut être mise en oeuvre de façon avanta- geuse selon deux variantes décrites ci-après Comme la pointe de courant est une conséquence directe de la commutation ou, plus exactement, de la différence des temps d'établissement et de décroissance des courants dans les enroulements de phases pendant la commutation, on utilise l'instant d'arrivée d'un signal de commuta- tation, délivré par un transmetteur de position de rotor, en tant qu'instant de référence pour le décalage temporel entre l'établissement du courant et la décrois- sance du courant. Une première variante du procédé selon l'in- vention prévoit que la décroissance du courant est déclenchée à l'arrivée d'un signal de commutation d'un transmetteur de position de rotor et que l'établissement du courant est déclenchée de façon retardée d'un laps de temps ta. Une deuxième variante est basée sur l'inverse: la décroissance du courant est déclenchée avant l'ar- rivée d'un signal de commutation d'un transmetteur de position de rotor et l'établissement du courant est déclenché de façon retardée du laps de temps tv à l'ar- rivée du signal de commutation. Selon un mode de mise en oeuvre avantageux du procédé de l'invention, le régulateur de courant est bloqué pendant le laps de temps tv Dans ce mode de mise en oeuvre, le laps de temps tv correspond au temps de blocage ts du régulateur de courant Par le blocage du régulateur de courant à l'instant de commutation (pre- mière variante) ou à l'instant -tv avant l'arrivée du signal de commutation (deuxième variante), toutes les soupapes à semi-conducteurs commandées sont fermées. Cette disposition assure que la décroissance du courant est déclenchée immédiatement et qu'elle se déroule en outre de façon accélérée puisque la tension inverse est plus élevée. Il est également avantageux que le temps de blocage ts du régulateur de courant soit préfixé par une électronique de commande hiérarchiquement supérieure à la régulation de courant Cette électronique de commande délivre un signal de blocage au régulateur de courant pendant le temps de blocage ts calculé Apres expiration de ce temps de blocage ts, le régulateur de courant est de nouveau mis en marche en conformité avec les signaux de pilotage appliqués à l'étage d'attaque et provenant de la logique de commande du convertisseur Ce mode de mise en oeuvre a l'avantage qu'il permet de fixer le temps de blocage de façon optimale. Un perfectionnement avantageux du procédé selon l'invention se rapporte à cette optimisation du temps de blocage t A cet effet, il est proposé de s déterminer le temps de blocage, à partir des caracté- ristiques d'établissement et de décroissance du courant, de manière que l'établissement du courant et la dé- croissance du courant soient terminés à peu près en même temps. Les caractéristiques d'établissement du courant et de décroissance du courant sont mémorisées dans l'électronique de commande en fonction de la vitesse de rotation et du mode de fonctionnement (en moteur ou en génératrice) En utilisant des paramètres connus (vitesse, mode de fonctionnement), l'électronique de commande calcule les laps de temps au bout desquels l'établissement du courant (I = courant moteur) dans l'enroulement de phase en cours de connexion et la décroissance du courant (I = 0) dans l'enroulement de phase en cours de déconnexion sont terminés La diffé- rence entre les temps d'établissement et de décroissance ainsi calculés correspond au temps de blocage ts du régulateur de courant Le temps de blocage ts varie donc en fonction de la vitesse, du mode de fonctionnement et du courant moteur. Cette méthode autorise une détermination optimale du temps de blocage puisque l'apparition de pointes de courant eet complètement supprimée D'un autre côté, le retard à la commutation est maintenu minimal, ce qui a un effet favorable sur la constance du couple puisque les baisses du courant moteur restent minimales. Un mode de mise en oeuvre de l'invention permettant une réalisation pratique facile, prévoit que le temps de blocage ts est constant Le temps de blocage peut alors être préfixé aussi par une électronique de commande hiérarchiquement supérieure au régulateur de courant, au moyen d'une commande par programme, mais il peut également être fixé par des moyens matériels restreints dans les circuits. Conformément à un perfectionnement du procédé selon l'invention, il est proposé que le régulateur de courant soit bloqué à l'arrivée d'un signal de commuta- tion provenant d'un transmetteur de position de rotor et que la commutation s'effectue seulement lorsque le courant moteur atteint un minimum Imin Dans le cas d'un régulateur par tout ou rien, le sens du courant dans le circuit intermédiaire change chaque fois que le courant atteint la valeur limite supérieure ou la valeur limite inférieure de la bande d'hystérésis du régulateur de courant La grandeur des écarts admis par rapport à la valeur de consigne du courant (= valeur moyenne de l'hystérésis) est variable et peut être ajustée sur le régulateur de courant Il est avantageux de déclencher la commutation au bout d'un laps de temps tv lorsque le courant moteur a atteint la valeur limite inférieure de l'hystérésis après l'arrivée du signal de commutation. Cette disposition assure également que la décroissance du courant commence avant le début de l'établissement du courant. Une autre mise en oeuvre du procédé selon l'invention prévoit que, dans le mode de fonctionnement en tant que moteur, le régulateur de courant n'est plus bloqué au-dessus d'une vitesse de rotation préfixée, de sorte que l'établissement du courant et la décroissance du courant commencent comme d'ordinaire à l'instant de commutation Cette manière de procéder tient compte du fait que dans la partie supérieure de la plage de vitesses, pendant le fonctionnement en mode moteur, la décroissance du courant est terminée plus vite que l'établissement du courant Le déclenchement prématuré de la décroissance du courant, par rapport à l'établis- sement du courant, entraînerait ici des baisses du courant moteur et, partant, une ondulation plus impor- tante du couple. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront plus clairement de la descrip- tion qui va suivre d'exemples de réalisation non limi- tatifs, ainsi que des dessins annexés, sur lesquels: la figure 1 montre la circulation du courant dans la partie de puissance côté machine d'un conver- tisseur statique a) avant la commutation b) pendant la commutation; la figure 2 est une représentation schéma- tique des caractéristiques d'établissement et de dé- croissance du courant pour le fonctionnement en généra- trice, avec une illustration schématique de la détermi- nation du temps de blocage ts à une vitesse de rotation ni; la figure 3 montre un schéma-bloc d'une commande à courant continu d'après le procédé selon l'invention; la figure 4 a est un organigramme du pro- gramme de l'électronique de commande pour le pilotage du dispositif de blocage; et la figure 4 b montre un traitement des interruptions pour le temporisateur. Les figures la et b représentent la partie de puissance côté machine d'un convertisseur ( 2) d'un moteur à courant continu 1 triphasé Ll, L 2 et L 3 sont les inductances et Ri, R 2 et R 3 sont les résistances ohmiques des enroulements de phases U, V et W Les enroulements de phases U, V et W sont raccordés de façon connue à un convertisseur 2 à commande électronique, comportant des soupapes à semi-conducteurs commandées (telles que les transistors de puissance Tl à T 6) Des diodes de roue libre Vl à V 6 sont montées antiparallèles avec les soupapes à semi- conducteurs Tl à T 6 Le convertisseur côté réseau et le condensateur de circuit intermédiaire, tous deux non représentés sur la figure 1, sont remplacés de façon simplifiée par une source de courant continu 3. La détermination du courant moteur Ii (I= 1,2,3) s'effectue au moyen du dispositif de mesure de courant 4 interposé dans le circuit intermédiaire à tension continue 5 entre le module redresseur 8 non représenté ici du convertisseur 2 et l'étage de puissance 7 commandé, situé côté machine du convertis- seur 2 Ainsi qu'il a déjà été mentionné, la valeur du courant dans le circuit intermédiaire à tension continue correspond au courant moteur I i Cependant, cette condition n'est pas respectée pendant une commutation. La figure la montre les courants moteur I avant la commutation Le courant I 1 = I 2 passe par les transistors T 1 et T 4 rendus conducteurs Le courant mesuré et le courant moteur concordent La régulation du courant dispose par conséquent de la valeur réelle exacte du courant. Pendant la commutation de l'enroulement de phase V à l'enroulement de phase W, le transistor de puissance T 4 est bloqué, selon la figure lb, et le transistor de puissance T 6 est rendu conducteur L'induc- tance L 2 de l'enroulement de phase V s'oppose à une variation de courant spontanée et le courant I 2 * passe à travers la diode de r Que libre V 3 et le transistor de puissance Tl resté conducteur dans l'enroulement de phase U, sans être détecté par le dispositif de mesure de courant 4 dans le circuit intermédiaire à tension continue 5 L'inductance L 3 s'oppose naturellement aussi à l'établissement spontané d'un courant dans l'enroule- ment de phase W en cours de connexion, mais cet établis- sement de courant s'effectue plus rapidement, dans des parties étendues de la plage de vitesses, que la dé- croissance du courant dans l'enroulement de phase V en cours de déconnexion Pendant la commutation, un courant circule par conséquent dans chacun des trois enroule- ments de phases U, V et W, alors que le courant I 2 * dans la branche en cours de déconnexion n'est pas mesuré La valeur réelle du courant I 3 envoyée au système de régulation de courant est donc fausse. La figure 2 représente les caractéristiques d'établissement et de décroissance du courant (varia- tions du courant en fonction du temps), dépendantes de la vitesse de rotation et du mode de fonctionnement, dans les enroulements de phases d'un moteur à courant continu 1 sans balais, après la commutation L'établis- sement et la décroissance du courant ont des allures exponentielles Comme la constante de temps 1 i = Li/Ri (Li: inductance, R i: résistance ohmique d'un enroulement de phase) est beaucoup plus grande que le temps t entre deux commutations, les caractéristiques d'établissement et de décroissance du courant sont, en première approxi- mation, des droites de pentes contraires La pente des caractéristiques (vitesse de croissance ou de décrois- sance du courant) dépend du mode de fonctionnement (en tant que moteur ou en tant que génératrice) et de la vitesse du moteur à courant continu 1 La figure 2 montre des caractéristiques d'établissement du courant (lignes en trait plein) et des caractéristiques de décroissance du courant (lignes en tireté) pour le fonctionnement en génératrice par exemple A mesure que la vitesse N monte (n 2 > nl), la pente des caractéris- tiques d'établissement du courant devient plus grande, tandis que la pente des caractéristiques de décroissance du courant diminue à mesure que la vitesse N s'élève. Pour cette raison, l'établissement du courant est terminé plus rapidement que la décroissance du courant dans tout le domaine de vitesses de rotation considéré. Il apparaît de ce fait des pointes de courant dans le moteur, pointes qui ne sont pas détectées par une mesure de courant simple dans le circuit intermédiaire à tension continue. Sur la figure 2 est illustrée en outre, de façon schématique, d'après les caractéristiques d'éta- blissement et de décroissance du courant à la vitesse n,, la détermination du temps de blocage ts du régula- teur de courant 14 conformément à un mode de mise en oeuvre du procédé selon l'invention pour le f onctionne- ment non commandé Si l'établissement et la décroissance du courant sont déclenchés simultanément à l'arrivée du signal de commutation, l'établissement du courant dans l'enroulement de phase en cours de connexion (le courant moteur atteint le point A) est terminé plus rapidement que la décroissance du courant dans l'enroulement de phase en cours de déconnexion (l'intensité du courant atteint la valeur I = O au point B) Toutefois, si, comme cela est prévu dans une variante du procédé selon l'invention, l'établissement du courant est retardé par rapport à la décroissance du courant d'une durée correspondant à la différence entre les temps d'établis- sement et de décroissance du courant (t(B) t(A) = tv = ts) -, l'établissement du courant est terminé approxi- mativement en même temps que la décroissance du courant au point B La pointe de courant formée pendant une commutation en raison de la mesure de courant simple, est complètement éliminée En raison de la baisse du courant moteur, on obtient une valeur moyenne un peu plus faible du couple, mais qui peut être corrigée facilement par l'application d'une valeur de consigne plus grande pour le courant. Le risque d'une désaimantation du rotor, à aimantation permanente, par les pointes de courant, n'existe plus Les soupapes à semi-conducteurs comman- dées sont également sollicitées moins Un avantage supplémentaire provient de ce que la protection contre les surintensités ne doit plus être prévue pour le il double du courant nominal, mais peut être ajustée pour le courant nominal simple, de sorte que Le moteur à: courant continu 1 est protégé plus efficacement contre les surintensités. La figure 3 représente un schéma-bloc d'une commande à courant continu pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention La commande représentée comporte le schéma équivalent d'un moteur à courant continu 1 sans balais, possédant un rotor à aimantation permanente et trois enroulements de phases Un trans- metteur de position de rotor 6 est coordonné de façon connue au moteur à courant continu 1 pour fournir les signaux de commutation fixant les instants de commuta- tion Le convertisseur-circuit intermédiaire à tension continue 2 du moteur 1 se compose d'un module redresseur 8 côté réseau et d'un étage de puissance 7 côté machine. L'étage de puissance 7 est réalisé sous la forme d'un montage en pont triphasé comportant les transistors de puissance (Trl-Tr 6) illustrés sur les figures la et lb et les diodes de roue libre (Vl-V 6) montées tête-bêche. La mesure du courant dans le circuit intermédiaire à tension continue 5, auquel est imposée la tension continue Uz K s'effectue, sans potentiel, au moyen d'un dispositif de mesure de courant 4 (mesure de courant simple dans le circuit intermédiaire à tension continue ). Les signaux numériques du transmetteur de position de rotor servent de valeur réelle pour la vitesse de rotation et sont convertis en une tension analogique par un dispositif 9 de préparation de la valeur réelle de vitesse (convertisseur N/A) Comme il n'est pas nécessaire de prévoir un tachymètre externe pour déterminer la valeur réelle de la vitesse, cette disposition représente une solution très avantageuse quant au coût La valeur de consigne pour la vitesse de rotation est fournie par un dispositif 10 La régulation de la vitesse s'effectue de façon connue au moyen d'un régulateur de vitesse 11 (habituellement un régulateur proportionnel et par intégration), d'un limiteur de courant 12 et d'un formateur de valeur 13 La régulation de vitesse fournit la valeur de consigne du courant moteur pour la régulation de courant, hiérarchiquement inférieure à la régulation de vitesse. Comme déjà décrit, la valeur réelle du courant moteur est mesurée dans le circuit intermédiaire à tension continue 5 au moyen d'un dispositif de mesure de courant 4 Le régulateur de courant 14 est un régulateur par tout ou rien Lorsque la valeur réelle du courant atteint la limite supérieure de la bande d'hystérésis du régulateur de courant, les transistors de puissance de l'étage de puissance 7 qui sont commandés en confor- mité avec les signaux de la logique de commande 15 et du dispositif 16 d'inversion du sens de rotation sont bloqués; ils sont de nouveau rendus conducteurs lorsque la valeur réelle du courant descend au-dessous de la limite inférieure de la bande d'hystérésis du régula- teur La fréquence fondamentale du régulateur de courant 14 n'est pas préfixée, mais dépend de l'hystérésis établie sur ce régulateur, de l'inductance LI du moteur et de la résistance RI des enroulements Comme le système de régulation du courant reçoit toujours, en raison du formateur de valeur 13, une tension de sortie positive, le détecteurde polarité 19 du dispositif 16 d'inversion du sens de rotation signale un changement de polarité Le dispositif 16 provoque ensuite le change- ment nécessaire dans la commande des transistors de puissance Trl-Tr 6 pour l'autre mode de fonctionnement. Le dispositif 16 d'inversion de sens de rotation et l'étage de puissance 7 sont interconnectés par l'étage d'attaque 17. L'électronique de commande 18 reçoit, en tant que signaux d'entrée, les signaux de commutation du transmetteur de position de rotor 6, la valeur de consigne de vitesse venant du dispositif 10 de détermi- nation de valeur de consigne, ainsi que l'information relative au mode de fonctionnement, provenant du détec- teur de polarité 19 A l'aide de ces informations et des données caractéristiques mémorisées dans l'électronique de commande 18 pour l'établissement et la décroissance du courant, le temps de blocage ts du régulateur de courant 14 est déterminé de la manière déjà décrite dans cette électronique de commande 18 Le dispositif de blocage 20 est rendu opérant par un signal de blocage correspondant à la durée du temps de blocage t s Lorsque le dispositif de blocage 20 est ainsi rendu opérant, le régulateur de courant 14 est bloqué, de sorte que tous les transistors de puissance Trl-Tr 6 sont rendus non conducteurs. La figure 4 montre un organigramme du pro- gramme de l'électronique 18 pour la commande du dispo- sitif de blocage 20 Le programme est démarré en 21 à l'arrivée d'un signal de commutation provenant du transmetteur de position de rotor Le dispositif de blocage est rendu opérant en 22 et un temporisateur interne est mis en marche simultanément En 23, le signal du détecteur de polarité 19 informe du sens de rotation du moteur à courant continu 1 En 24, il est vérifié s'il y a fonctionnement en mode moteur ou non. Dans l'affirmative, il est-vérifié, en 25, si la vitesse de rotation est supérieure à une vitesse nma X préfixée. Si cette condition est satisfaite, le nouveau temps de blocage ts = O est fixé en 25 a Si la condition en 25 n'est pas satisfaite, le temps de blocage ts pour le fonctionnement en moteur est calculé en 26 Si un mode de fonctionnement en génératrice avait été constaté en 24, le temps de blocage ts pour un tel fonctionnement est calculé en 27 Le temps de blocage est ensuite mémorisé en 28. Après l'expiration du temps de blocage pro- grammé, le temporisateur déclenche une interruption La figure 4 b montre le traitement d'une interruption pour le temporisateur Quand le temps de blocage est terminé, le dispositif de blocage est rendu inopérant en 30; le temporisateur est réarmé en 31 puis chargé avec le nouveau temps de blocage qui vient d'être calculé Après cela, le traitement du programme principal se poursuit en 33. REVENDICATI ONS 1 Procédé pour supprimer les pointes de courant produites pendant une commutation dans les enroumements de phases d'un moteur à courant continu sans balais lorsque les enroulements de phases sont alimentés à travers un convertisseur statique-circuit intermédiaire à tension continue (convertisseur) en courant d'allure rectangulaire et que la détermination de la valeur réelle du courant s'effectue exclusivement dans le circuit intermédiaire à tension continue (mesure de courant simple), caractérisé en ce que l'on retarde l'établissement du courant dans les enroulements de phases (U, V, W) d'un laps de temps tv par rapport à la décroissance du courant. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on déclenche la décroissance du courant à l'arrivée d'un signal de commutation d'un transmetteur de position de rotor ( 6) et on déclenche l'établissement du courant de façon retardée du laps de temps tv. 3 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on déclenche la décroissance du courant avant l'arrivée d'un signal de commutation d'un trans- metteur de position de rotor ( 6) et on déclenche l'éta- blissement du courant de façon retardée du laps de temps tv à l'arrivée du signal de commutation. 4 Procédé selon les revendications 1 et 2 ou 1 et 3, caractérisé en ce que le régulateur de courant ( 14) est bloqué pendant le laps de temps tv (= temps de blocage t S>. 5 Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que le temps de blocage ts est préfixé par une électronique de commande ( 18). 6 Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que le temps de blocage ts est déterminé, d'après les caractéristiques d'établissement et de décroissance du courant, de manière que l'établissement du courant et la décroissance du courant se terminent à peu près simultanément. 7 Procédé selon la revendication 4 ou 5, carac- térisé en ce que le temps de blocage ts est constant. D 8 Procédé selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le convertisseur ( 2) est bloqué à l'arrivée du signal de commutation et que la commutation est déclenchée seulement lorsque le courant moteur atteint un minimum Imin' 9 Procédé selon les revendications 7 et 8, caractérisé en ce que le régulateur de courant ( 14) n'est pas bloqué audessus d'une vitesse de rotation préfixée dans le mode de fonctionnement en moteur.