Brevet FR2697696A1 — publié le 19940506

La présente invention concerne un procédé pour autopiloter sans capteur direct un moteur à réluctance variable. Elle vise également un dispositif pour sa mise en oeuvre. La commande d'un moteur à réluctance en régime de vitesse variable implique une synchronisation parfaite de l'alimentation des différentes phases électriques avec la rotation du moteur. Cette nécessité de synchronisation, qui existe également pour les moteurs synchrones à aimants permanents, est généralement assurée par mise en oeuvre d'un capteur externe solidaire mécaniquement du moteur et générant des signaux dont le traitement fournit une information de position du rotor. On connaît ainsi des codeurs optiques ou à effet Hall ou magnétostrictif et des synchro-résolvers qui sont actuellement massivement utilisés lorsqu'un autopilotage est requis.Mais l'utilisation de ces capteurs externes pose plusieurs problèmes importants aux concepteurs et aux utilisateurs d'équipements à vitesse variable, au nombre desquels on peut citer selon l'application et l'environnement du moteur, une fiabilité et une tenue mécanique parfois insuffisantes, un surcoût non négligeable, et la nécessité d'une connectique et de câbles adaptés à la transmission de signaux généralement de faible niveau vers les dispositifs de commande. En outre, ces capteurs externes posent parfois des problémes d'encombrement et d'accouplement mécanique. Plusieurs procédés d'autopilotage sans capteur externe ou direct ont déjà été proposés pour des moteurs à réluctance variable. Ainsi, l'article intitulé "Detection of Rotor Position in Stepping and Switched Motors by Monitoring of Current Waveforms" (Détection de la position du rotor dans des moteurs pas à pas et commutés par observation des formes d'onde de courant) de Paul P. ACARNLEY et al. paru dans la revue IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. IE-32, No.3, Aout 1985, divulgue un procédé utilisant comme indicateurs de position du rotor, les temps de montée d'un courant généré par hachage dans une phase non excitée et le taux de croissance initial du courant lors de la commutation d'une phase.Ce procédé ne permet cependant pas un fonctionnement dans une large plage de vitesse et des améliorations de ce procédé ont été ensuite proposées, notamment dans l'article intitulé "A new sensorless position detector for SR drives" (nouveau détecteur de position sans capteur pour des entrainements à réluctance variable) de N.H. Mvungi et al. dans le document Proc. TEE 4th Int. Conf on Power Electronics ans Variable Speed Drives, Londres, Juillet 1990. Par ailleurs, l'article intitulé "Simplified Electronics for Torque Control of Sensorless Switched Reluctance motor" (Electronique simplifiée pour le contrôle du couple d'un moteur à réluctance variable sans capteur) de J.T. BASS et al., paru dans la revue TEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. IE-34. No.2, Mai 1987, décrit un procédé de commande sans capteur mettant en oeuvre une observation du courant de lien continu qui permet notamment de détecter des modifications de charge et de régler convenablement des largeurs d'impulsion de commande. On connaît également, comme le décrit l'article "Elimination of discrete position sensor and current sensor in switched reluctance motor drives" de M. EHSANI paru dans la revue "IEEE Transactions TAS" janvier 1992, un autre procédé d'autopilotage sans capteur comprenant une première conversion position rotorique/fréquence au moyen d'un oscillateur à relaxation intégrant l'inductance propre d'une phase non alimentée du moteur, puis une seconde conversion fréquence/tension mettant en oeuvre une boucle à verrouillage de phase qui fournit un signal dont l'amplitude est modulée par la position angulaire du rotor puis comparé à un signal de référence pour générer des ordres de commutation. Cependant, ce procédé est sensible aux bruits de commutation de l'onduleur commandé et il ne peut être appliqué en pratique qu'en association avec un onduleur de courant. Le but de l'invention est de remédier à ces inconvénients en proposant un procédé d'autopilotage sans capteur de position ou de vitesse d'un moteur à réluctance variable, qui puisse notamment être mis en oeuvre en association avec un onduleur de tension et notamment en présence d'un découpage de tension à basse fréquence. Suivant l'invention, le procédé pour autopiloter un moteur à réluctance variable comprenant en son stator plusieurs phases électriques, est caractérisé en ce qu'il comprend: -une injection d'un signal de porteuse sinusoïdale à une fréquence élevée d'oscillation prédéterminée, dans un circuit résonant série accordé sur une valeur prédéterminée de l'inductance statorique dudit moteur et sélectionné parmi autant de circuits résonants séries que de phases électriques, chaque circuit résonant série comprenant une desdites phases, un élément capacitif et un élément résistif associés à ladite phase -un prélèvement d'une tension modulée aux bornes d'un ensemble sélectionné constitué par une phase à scruter et son élément capacitif associé; -une démodulation de l'enveloppe de ladite tension modulée prélevée ; et -une comparaison de ladite enveloppe démodulée avec une tension de référence représentative d'une position angulaire prédéterminée du rotor, ladite comparaison fournissant un signal de commutation prévu pour commuter l'alimentation en énergie dans la phase sélectionnée, chaque circuit résonant série ayant été préalablement accordé pour être en résonance à ladite fréquence d'oscillation sur ladite position angulaire prédéterminée et étant sélectionné dans la période électrique précédant immédiatement la mise en alimentation de la phase associée audit circuit résonant série. Ainsi, avec le procédé selon l'invention, il devient possible d'effectuer dans de meilleures conditions de précision et de fiabilité une détection de position angulaire dans un mode d'alimentation à découpage de tension. En effet, la mise en oeuvre d'une résonance série assure une variation plus grande du signal utile et donc une extraction plus aisée de l'information de position, même si la variation d'inductance de la phase est faible. Le procédé selon l'invention permet également de commander des moteurs présentant un nombre de phases quelconque. Selon une forme préférée de réalisation de l'invention, le circuit résonant série correspondant à la phase à scruter et dans lequel doit être injecté le signal de porteuse, est sélectionné par une opération de démultiplexage analogique, le prélèvement de la tension modulée étant réalisé par une opération de multiplexage analogique effectuant une sélection du circuit résonant série concerné par l'injection du signal de porteuse. Suivant un autre aspect de l'invention, le dispositif pour autopiloter un moteur à réluctance variable comprenant en son stator plusieurs phases, comprenant des moyens séquenceurs pour sélectionner parmi lesdites phases celle qui doit être alimentée par des moyens d'alimentation commandée, notamment un onduleur, mettant en oeuvre le procédé selon l'invention, est caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens pour injecter sélectivement une signal de porteuse de fréquence élevée prédéterminée dans un circuit résonant série sélectionné parmi plusieurs circuits résonants séries correspondant chacun à une des phases du moteur et constitués chacun de ladite phase, d'un élément capacitif et d'un élément résistif, des moyens pour prélever sélectivement une tension modulée sur ledit circuit résonant série sélectionné, et des moyens pour traiter ladite tension modulée prélevée et en extraire une information de position du rotor du moteur qui est traitée par lesdits moyens séquenceurs. D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront encore dans la description ciaprès. Aux dessins annexés donnés à titre d'exemples non limitatifs: -la figure 1 est une vue synoptique d'un premier mode de réalisation d'un dispositif selon l'invention ; -la figure 2 représente une forme d'onde de tension d'enveloppe restituée par une méthode de démodulation par échantillonnage/blocage ; -la figure 3 est une vue synoptique d'un système de commande d'un moteur à réluctance incluant un dispositif d'autopilotage selon l'invention ; et -la figure 4 est une vue synoptique d'un exemple d'insertion d'un dispositif d'élimination des parasites de commutation dans le dispositif d'autopilotage selon l'invention. On va maintenant décrire un premier mode de réalisation d'un dispositif d'autopilotage selon l'invention en même temps que le procédé mis en oeuvre dans ce dispositif en référence à la figure 1. Le dispositif d'autopilotage 1 selon l'invention représenté en figure 1 est ici associé à un moteur à réluctance variable 10 à double saillance comprenant en son stator 15 trois phases électriques 13a, 13b, 13c et comportant six dents statoriques et quatre dents rotoriques. Le dispositif d'autopilotage 1 comprend un module 16 d'injection d'un signal de porteuse haute fréquence, par exemple 30 kHz, dans trois circuits résonants séries A, B, C constitués chacun d'une phase 13a, 13b, 13c du moteur 10, d'un élément capacitif, en l'occurrence un condensateur lia, lib, lic et d'un élément résistif, en l'occurrence une résistance 12a, 12b, 12c. Ces circuits résonants série sont préalablement accordés pour être en résonance en situation angulaire d'opposition pour la phase électrique associée.Le dispositif d'autopilotage 1 comprend également un module 18 de prélèvement d'un signal de tension modulée prélevée sur chaque circuit résonant, par exemple aux bornes de l'ensemble constitué par une phase et son condensateur en série, et un module 17 de traitement et d'extraction d'une information utile S représentative de la position angulaire effective du rotor 15 du moteur 10, qui est fournie à un circuit séquenceur trois états 36 chargé d'émettre des ordres de sélection de phase Ca, Cb, Cc pris en compte par un dispositif de commande d'un onduleur d'alimentation (non représenté) du moteur. Le module d'injection 16 comprend un circuit d'horloge 2 piloté généralement par un quartz et délivrant un signal de forme sensiblement rectangulaire, un filtre passe-bas 3 d'ordre suffisamment élevé, par exemple d'ordre 4, qui reçoit en entrée le signal issu du circuit d'horloge 2 et génère un signal sensiblement sinusoïdal, un circuit 4 d'adaptation d'impédance et de réglage de l'amplitude du signal de porteuse à une valeur prédéterminée, par exemple 10 Volts crête-crête.Ce circuit d'adaptation d'impédance 4 fournit un signal de porteuse à injecter dans l'un des circuits résonants séries A, B, C sélectionné par un démultiplexeur analogique 5 comportant trois sorties Q1, Q2, Q3 reliées respectivement aux trois résistances 12a, 12b, 12c respectives des circuits résonants séries A, B, C et commandé par une unité de contrôle et de traitement (non représentée) pour sélectionner la phase à scruter. Ce démultiplexeur analogique 5 permet dans ce cas de limiter le nombre de sources sinusoïdales à 1 et d'éviter des effets de couplage des tensions porteuses entre les trois phases.Trois lignes de prélèvement de tension sont placées respectivement entre chaque condensateur lia, llb, lic et chaque résistance associée 12a, 12b, 12c par rapport à la masse et sont reliées respectivement à trois entrées El, E2, E3 d'un multiplexeur 6 également commandé par l'unité de contrôle et de traitement pour sélectionner la phase à scruter et délivrant un signal de tension modulée prélevée au module de traitement et d'extraction 17. Ce module 17 comprend un premier étage 7 de filtrage passe-bas, par exemple d'ordre 4, qui restitue une tension modulée sinusoïdale filtrée présentant une enveloppe de modulation représentative de la variation angulaire de gain du circuit résonant série sélectionné.Ce signal filtré est appliqué à un circuit échantillonneur/bloqueur 8 dont la fonction est de restituer les maxima de l'onde sinusoïdale modulée et ainsi d'obtenir l'enveloppe de modulation. Le signal d'enveloppe issu du circuit échantillonneur/bloqueur 8 est ensuite appliqué à un circuit 9 de comparaison de tension dont la référence correspond à une position angulaire prédéterminée du rotor 14, par exemple une situation d'opposition par rapport au stator 15, sur l'enveloppe et qui génère un signal résultant S dont les fronts correspondent au passage par l'opposition de la phase qui est scrutée et qui est prête à entrer en conduction. Le choix de la fréquence de la porteuse peut être effectué à partir des résultats d'une caractérisation des inductances des phases du moteur en régime de haute fréquence. On a ainsi observé, pour un moteur considéré dans une réalisation pratique de l'invention, à partir de 70 kHz une décroissance rapide de l'impédance inductive de chaque phase au profit d'un comportement plus capacitif. La limite inférieure de choix de la fréquence de porteuse est généralement dictée par la nécessité d'avoir une fréquence au moins supérieure à la fréquence de découpage utilisée dans l'onduleur d'alimentation du moteur et suffisante pour pouvoir effectuer un filtrage correct des signaux utiles compatible avec la vitesse de rotation. Dans un exemple pratique de réalisation, chaque circuit résonant série comprend un condensateur de capacité égale à 120 nF, une résistance de 410 et une inductance de phase en opposition égale 230 H et présente un accord à la fréquence de 30 kHz. Afin d'éviter toute interaction entre les phases, seule la phase qui doit être scrutée est alimentée par la porteuse à l'aide du démultiplexeur 5. Le circuit échantillonneur/bloqueur 8 possède une période d'échantillonnage de 1 s et est suivi d'un filtre passe-bas d'élimination des bruits hautes fréquences. La tension d'enveloppe issue de l'échantillonneur /bloqueur 8 présente une forme d'onde 20 représentée en figure 2 en fonction de la position angulaire du rotor. On a obtenu ici une variation relative de signal de 1 à 5 entre les positions d'inductance minimale et maximale alors que le rapport de ces dernières n'est, dans l'exemple, que de 3 environ. Le signal rectangulaire 21 représente le signal de conduction de la phase précédente à la phase de scrutation et les points de commutation d'une phase à la suivante sont représentés par les minima de l'enveloppe de tension 20. En effet, le point de résonance série est accordé sur la position d'opposition Le dispositif d'autopilotage 1 selon l'invention peut être inséré au sein d'un système d'entraînement à vitesse variable 30 (figure 3) comprenant un moteur à réluctance variable 10 triphasé.Un onduleur de puissance 38 commandé par une unité de commande et de régulation de courant 35 alimente les trois phases du moteur 10. L'onduleur 38 reçoit de l'unité de commande et de régulation des signaux 22 de commande des interrupteurs commandés qui peuvent être par exemple des transistors MOS, et fournit à l'unité 35 des informations 23 relatives à la tension aux bornes de diodes incluses dans l'onduleur 38 et des informations 24 de mesure du courant dans les phases du moteur 10. Le dispositif d'autopilotage 1 selon l'invention commande le séquenceur trois états 36 qui fournit une information de sélection de phase à l'unité de commande et de régulation 35. Pour initier le processus d'autopilotage, il suffit de faire démarrer le moteur en mode pas à pas, donc en boucle ouverte, et le séquenceur 36 reste bloqué dans son état initial jusqu'à ce que soit obtenue une condition de commutation. Lorsque cette condition de commutation est obtenue, il y accrochage et le séquenceur 36 ordonne la scrutation de la phase qui suit celle dont le passage par l'opposition vient d'être détecté. Il est également possible d'effectuer, avant le démarrage, une scrutation des trois phases et une comparaison des tensions démodulées qui permet de sélectionner alors la bonne phase. Les perturbations générées par les commutations de découpage de tension présentes en commande de modulation de largeur d'impulsion (MLI) peuvent avantageusement être éliminées en agissant au niveau de l'échantillonneur/bioqueur 8 à partir d'informations de blocage des transistors de l'onduleur et de diodes D1, D2, D3 de démagnétisation équipant un onduleur 50 (non représenté) pour alimenter, à titre d'exemple, des enroulements bifilaires 52 du moteur à réluctance variable 10 en référence à la figure 4 qui représente un exemple d'insertion d'un dispositif d'élimination de perturbations 48 dans le dispositif d'autopilotage selon l'invention.Le dispositif d'élimination 48, qui réalise une inhibition de l'échantillonneur/bloqueur 8, reçoit, d'une part, des informations indicatives du blocage des transistors issues d'un module de commande 46 de l'onduleur, par exemple un module de commande en modulation de largeur d'impulsion (MLI), et d'autre part, des informations indicatives du blocage des diodes de démagnétisation D1, D2, D3 issues respectivement de comparateurs de tension 41, 42, 43 prévus pour comparer les tensions respectives aux bornes des trois diodes à une tension de seuil Vs. Cette tension de seuil Vs peut par exemple être fabriquée à partir d'une source d'alimentation continue -Vcc aux bornes d'une diode 50 dont l'anode est reliée à la masse et la cathode est reliée via une résistance 51 à la source continue -Vcc.Les trois sorties des comparateurs 41, 42, 43 sont également reliées à un circuit 44 de sélection de phase en conduction dont la sortie est reliée en entrée du module de commande 46. Le circuit de commande émet un ordre de conduction qui est aiguillé vers le transistor correspondant à la phase sélectionnée via un circuit 47 de sélection de commande et un circuit amplificateur 49. On peut également envisager d'associer au procédé d'autopilotage selon l'invention un procédé d'élimination active des bruits par couplage des phases mettant en oeuvre une détermination par identification (bruit blanc ou réponse impulsionnelle) de la fonction de transfert de couplage entre phases, puis un calcul de la transformée inverse de cette fonction de transfert. Pour extraire la signal utile, qui est l'enveloppe de la porteuse Haute Fréquence, du bruit de commutation, on ajoute alors au signal bruité le signal complémentaire issu de la transformée inverse. Bien sûr, l'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples sans sortir du cadre de l'invention. Ainsi, les nombres de phases, de dents statoriques ou rotoriques du moteur peuvent être quelconques. La réalisation pratique des fonctions de multiplexage, démultiplexage, traitement et extraction de signaux, filtrage, horloge peut bien sûr dépendre des technologies existantes ou futures dans le domaine des circuits intégrés. REVENDICATIONS 1. Procédé pour autopiloter sans capteur direct de position un moteur à réluctance variable (10) comprenant en son stator (15) plusieurs phases électriques (13a, 13b, 13c), caractérisé en ce qu'il comprend: -une injection d'un signal de porteuse sinusoïdale à une fréquence d'oscillation prédéterminée dans un circuit résonant série sélectionné parmi autant de circuits résonants séries (A, B, C) que de phases électriques (13a, 13b, 13c), chaque circuit résonant série (A, B, C) comprenant une desdites phases (13a, 13b, 13c), un élément capacitif (lia, îlb, llc) et un élément résistif (12a, 12b, 12c) associés à ladite phase -un prélèvement d'une tension modulée aux bornes d'un ensemble sélectionné constitué par la phase à scruter (13a, 13br 13c) et son élément capacitif associé (lia, lib, llc) -une démodulation de l'enveloppe de ladite tension modulée prélevée -une comparaison de ladite enveloppe démodulée avec une tension de référence représentative d'une position angulaire prédéterminée du rotor (14) du moteur (10), ladite comparaison fournissant un signal de commutation prévu pour commuter l'alimentation en énergie dans la phase sélectionnée (13a, 13b, 13c), chaque circuit résonant série (A, B, C) ayant été préalablement accordé pour être en résonance à ladite fréquence d'oscillation sur ladite position angulaire prédéterminée et étant sélectionné au cours de la période électrique précédant immédiatement la mise en alimentation de la phase (13a, 13b, 13c) associée audit circuit résonant série (A, B, C). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit résonant série (A, B, C) correspondant à la phase à scruter (13a, 13b, 13c) et dans lequel doit être injecté le signal de porteuse, est sélectionné par une opération de démultiplexage analogique, le prélèvement de la tension modulée étant réalisé par une opération de multiplexage analogique effectuant une sélection du circuit résonant série (A, B, C) concerné par l'injection du signal de porteuse. 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la démodulation de l'enveloppe de la tension modulée prélevée est effectuée par une commande d'échantillonnage/blocage des extrema de l'onde de tension modulée prélevée. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une élimination de perturbations de commutation induites sur la tension modulée prélevée, comportant un blocage de la commande d' échantillonnage/blocage. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la position angulaire prédéterminée du rotor (14) associée à la tension de référence correspond à une situation d'opposition dudit rotor (14) par rapport au stator (15). 6. Dispositif (1) pour autopiloter sans capteur direct de position un moteur à réluctance variable (10) comprenant en son stator (15) plusieurs phases électriques (13a, 13b, 13c), comprenant des moyens séquenceurs (36) pour sélectionner parmi lesdites phase (13a, 13b, 13c) celle qui doit être alimentée par des moyens d'alimentation commandée (38), notamment un onduleur, mettant en oeuvre le procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens (16) pour injecter sélectivement un signal de porteuse de fréquence élevée prédéterminée dans un circuit résonant série sélectionné parmi plusieurs circuits résonants séries (A, B, C) correspondant chacun à une des phases (13a, 13b, 13c) du moteur (10) et constitués chacun de ladite phase (13A, 13b, 13c), d'un élément capacitif (lia, llb, llc) et d'un élément résistif (12a, 12b, 12c), des moyens (18) pour prélever sélectivement une tension modulée sur ledit circuit résonant série sélectionné (A, B, C), et des moyens (17) pour traiter ladite tension modulée prélevée et en extraire une information (S) de position angulaire du rotor (14) du moteur (10) qui est traitée par lesdits moyens séquenceurs (36). 7. Dispositif (1) selon la revendication 6, caractérisé en ce que les moyens d'injection sélective (16) comprennent des moyens démultiplexeurs (5) recevant en entrée le signal de porteuse, comportant plusieurs sorties démultiplexées (Q1, Q2, Q3) reliées chacune à un circuit résonant série (A, B, C) et commandés par des moyens de contrôle et de traitement (35) associés aux moyens d'alimentation commandée (38). 8. Dispositif (1) selon l'une quelconque des revendications 6 ou 7, caractérisé en ce que les moyens de prélèvement sélectif (18) comprennent des moyens multiplexeurs (6) comportant plusieurs entrées (El, E2, E3) associées chacune à un circuit résonant série (A, B, C) et recevant la tension modulée prélevée sur ledit circuit résonant série, une sortie délivrant une tension modulée multiplexée aux moyens de traitement et d'extraction (17), lesdits moyens multiplexeurs (6) étant commandés par des moyens de contrôle et de traitement (35) associés aux moyens d'alimentation commandée (38 > . 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens pour éliminer des perturbations induites sur les tensions modulées prélevées, associés aux moyens de traitement et d'extraction (17),.lesdits moyens d'élimination de perturbations comprenant des moyens (48) pour inhiber les moyens d'échantillonnage et de blocage (8) dès qu'un ordre de commutation d'une phase à une autre phase est généré par les moyens séquenceurs (36 > 10. Application du dispositif (1) selon l'une quelconque des revendications 6 à 9 à un système (30) d'entraînement à vitesse variable incluant un moteur à réluctance (10) dont l'alimentation est commandée par un procédé de commande en modulation de largeur d'impulsion.