Brevet FR2703530A1 — publié le 19941007

i " Dispositif de commande électronique d'un moteur électri- que, notamment d'un moteur à commutation électronique " Etat de la technique. L'invention concerne un dispositif de commande électronique d'un moteur électrique, notamment d'un moteur à commutation électronique dont les enroulements sont cha- que fois branchés en série sur des transistors de commande pour commander le courant de l'enroulement et dont les bor- nes de commande reçoivent des signaux de commande déclen- chés par des signaux de commutation, selon un rapport de travail prédéterminé (commande de blocage). La commande de moteurs électriques peut se faire de différentes manières On connaît par exemple un moteur à commutation électronique (encore appelé moteur EC) commandé en cadence à haute fréquence Toutefois, cette commande est très peu intéressante pour des moteurs de fai- ble puissance, par exemple des servomoteurs équipant des véhicules automobiles à cause des moyens de commutation im- portants nécessaires et des problèmes de parasites, diffi- ciles à traiter. On connaît en outre un moteur à commutation électronique à commande linéaire Le réglage de la vitesse de rotation se fait dans ce cas en faisant travailler les transistors de puissance branchés des circuits d'alimentation des enroulements du moteur dans leur plage d'amplification La résistance de transistor agissant en outre dans le circuit de l'induit provoque un basculement de la courbe caractéristique du moteur autour du point de marche à vide Ce procédé correspond principalement à une commande par résistance série La puissance fournie est dans ce cas proportionnelle au cube de la vitesse de rota- tion alors que la puissance reçue est proportionnelle au carré de la vitesse de rotation Il en résulte qu'à 2/3 de la puissance nominale, la perte de puissance est la plus grande et à cette vitesse de rotation le rendement est au maximum égal à 66 O du rendement maximum possible La com- mande linéaire conduit ainsi par principe à un rendement réduit dans la plage de commande partielle, proportionnel- lement à la vitesse de rotation En plus, du rendement plus faible, on a également une plus grande sollicitation en température de l'électronique de puissance en mode de charge partielle car la puissance perdue est transformée en chaleur. Enfin, on connaît également une commande par blocage selon laquelle le réglage de la vitesse de rotation se fait en changeant l'angle effectif du courant par rap- port à l'angle de commutation On débloque complètement les transistors mais on modifie la durée de déblocage L'angle électrique peut être lié par une relation fixe au début de la durée de commutation On peut également fixer l'instant de la coupure (fin de l'angle de commutation) et varier l'instant du début de la commutation Il est en outre pos- sible de modifier à la fois le début et la fin de la durée de commutation, symétriquement à la bissectrice de l'angle de commutation Dans chaque cas les transistors travaillent en mode de commutation c'est-à-dire avec une résistance de passage réduite au minimum pour les transistors du type mé- tal oxyde silicium ou MOSFET ou avec une tension minimale collecteur/émetteur pour les transistors bipolaires Le fonctionnement est voisin d'un abaisseur de tension à modu- lation de largeur d'impulsion L'inconvénient est que pour une vitesse de rotation faible du moteur et ainsi une ten- sion induite réduite, le courant peut atteindre des inten- sités très élevées pendant la durée de passage Cette relation se déduit approximativement de l'équation suivante 1 di + R UE ui dt La tension d'entraînement du courant (différence entre la tension de la batterie ou tension d'alimentation UB et la tension induite ui du moteur) cor- respond au montage en série de l'inductance de l'enroulement L et de sa résistance R L'amplitude de l'intensité est de ce fait limitée par la résistance R. Partant de la tension induite et ainsi de la vitesse de ro- tation, on obtient la formule î UB ui R Seules les variations de courant di/dt sont freinées par l'inductance L du moteur. Il en résulte que pour un moteur tournant len- tement (ui petit, f faible fréquence) on rencontre des pointes de courant très importantes qui sont elles-mêmes liées directement au couple et génèrent un bruit important par des impulsions instantanées De plus, une réception de courant fortement impulsionnelle se répercute de manière gênante sur l'ensemble du réseau d'alimentation par exemple sur celui du véhicule. Avantacges de l'invention. L'invention concerne un dispositif de commande du type défini ci-dessus caractérisé en ce qu'il comporte en même temps des moyens pour faire fonctionner les tran- sistors de commande en mode d'amplification (commande li- néaire). Le dispositif de commande selon l'invention of- fre l'avantage de combiner les avantages de la commande par blocage aux avantages de la commande linéaire tout en éli- minant les inconvénients Dans la plages des vitesses supé- rieures, par exemple entre la demi-vitesse de rotation maximale et la vitesse de rotation maximale, la commande par blocage domine et évite le faible rendement caractéris- tique d'une commande linéaire et la forte sollicitation en température Dans la plage des vitesses de rotation supé- rieures, le rendement pour une commande en charge partielle est augmenté jusqu'à 20 'W Pour une réduction de la vitesse de rotation, la commande linéaire se met en oeuvre en dou- ceur et permet de réduire la vitesse de rotation jusqu'à la valeur nulle sans provoquer la forte augmentation de cou- rant, caractéristique d'une commande par blocage et le bruit important dans la plage des vitesses de rotation in- férieures Ainsi, pour un rendement globalement élevé, on a une bonne possibilité de réglage même dans la plage des vi- tesses de rotation très faibles donnant une courbe de cou- rant lisse sans pointes de courant. Le rapport de travail, prédéterminé, est limité de préférence pour l'essentiel à 50-100 c pour éviter en sécurité les émissions de bruit importantes dans la plage des vitesses de rotation faibles Lorsqu'on atteint un rap- port de travail de 50 %, on diminue l'amplitude pour ré- duire encore plus la vitesse de rotation c'est-à-dire que l'on met en oeuvre la commande linéaire. Un développement avantageux de l'invention est caractérisé par un dispositif de régulation de la vitesse de rotation et/ou du courant du moteur en appliquant la tension de sortie du régulateur à une installation de fonc- tion en amont des transistors pour prédéterminer la lon- gueur et l'amplitude des signaux de commande Les signaux de commutation sont utilisés avantageusement pour former les signaux de valeur réelle de la vitesse de rotation pour le dispositif de régulation de la vitesse de rotation. L'installation de fonction comporte avantageu- sement un générateur de fonction pour les longueurs des si- gnaux de commande suivant la vitesse de rotation et un générateur de fonction pour les amplitudes des signaux de commande en liaison avec la vitesse de rotation On peut également n'avoir qu'un seul générateur de fonction assu- rant les deux fonctions. Ce générateur de fonction est suivi avantageu- sement d'un circuit de combinaison pour déclencher de ma- nière commandée dans le temps, les signaux de commande en fonction des signaux de commutation Le dispositif de com- mande électronique convient notamment pour un moteur à cou- rant continu à commutation électrique (moteur EC) ayant de préférence trois enroulements branchés en étoile reliés chaque fois aux transistor de commande; toutefois, en va- riante, on peut également appliquer l'invention à des mo- teurs avec des nombres d'enroulements différents. Dessins. Un exemple de réalisation de l'invention est représenté aux dessins et sera décrit ci-après de manière plus détaillée Ainsi: la figure 1 montre un schéma par bloc d'un dispositif de commande électronique pour un moteur à commu- tation électronique selon un exemple de réalisation de l'invention. la figure 2 montre un chronogramme servant à décrire la commutation et la formation des signaux de com- mande des transistors de commande. la figure 3 montre des chronogrammes servant à décrire la formation des signaux de commande à l'aide de fonctions prédéterminées. Description de l'exemple de réalisation. Selon l'exemple de réalisation de la f igure 1 on règle ou régule un moteur à commutation électronique 10 (appelé ci-après en abrégé moteur EC) suivant une valeur de consigne de vitesse de rotation, prédéterminée nco sur la vitesse de rotation appropriée Le moteur EC 10 comporte trois enroulements 11-13 branchés en étoile et un rotor 14 à aimant permanent En principe, le circuit représenté et décrit ci-après peut également s'appliquer à d'autres mo- teurs à courant continu. Le point de jonction des trois enroulements 11, 13 du moteur est relié à la borne positive d'une source d'alimentation en tension Uv alors que les branchements op- posés des enroulements 11-13 sont reliés à trois transis- tors FET 15-17 pour commander le courant dans les enroulements; les canaux des transistors relient chaque fois les enroulements 11-13 du moteur à une résistance shunt 18 elle-même reliée à la masse. Les trois enroulements 11-13 du moteur sont en outre reliés à un étage de préparation du signal de commu- tation 19 qui traite les tensions induites des enroulements 11-13 du moteur en signaux de commutation De plus, l'étage de préparation 19 génère à partir de ces signaux un signal correspondant à la vitesse de rotation réelle fournie à un étage de conversion 20 qui le transforme en un signal de tension continue, proportionnel à la vitesse de rotation. Le signal de tension continue, proportionnel à la vitesse de rotation est comparé dans un comparateur 21 à la valeur de consigne de la vitesse de rotation né et la différence est appliquée à un régulateur de vitesse de ro- tation 22 Celui-ci fournit en sortie une valeur de consi- gne d'intensité qui est comparée à une valeur réelle de vitesse de rotation dans un second comparateur 23 Pour former cette valeur réelle de vitesse de rotation, on four- nit à un circuit de préparation 24 la tension proportion- nelle au courant, traversant la résistance 18 pour adapter cette valeur réelle à la vitesse de rotation à la demande du comparateur 23 La différence est appliquée à un régula- teur d'intensité 25. La tension de sortie du régulateur d'intensité est appliquée en parallèle à deux générateurs de fonc- tion 26, 27 Le générateur de fonction 26, fixe en fonction de sa tension d'entrée, la durée de passage du courant ou longueur de blocage des signaux de commande des transistors 15-17, c'est-à-dire la durée respective de passage de cou- rant dans les enroulements 11-13 du moteur Cette longueur de blocage est fixée principalement entre 50 et 100 % de la durée maximale de passage du courant; en d'autres termes, les suites de signaux de commande destinées aux transistors 15-17 ont un rapport de travail compris entre 0,5 et 1. Le second générateur de fonction 27 limite l'amplitude des signaux de commande pendant la durée de passage du courant en fonction du signal de sortie du régu- lateur de courant 25. Les signaux de sortie des générateurs de fonc- tion 26, 27 sont appliqués à un circuit de combinaison 28 qui combine les longueurs de blocage et les signaux d'amplitude aux trois signaux de commutation de l'étage de préparation 19 et les fournissent comme signaux de commande à un circuit d'excitation 29 en aval Ce circuit d'excitation commande par ses trois sorties les trois tran- sistors 15-17. Selon la figure 3, la sortie du régulateur d'intensité 25 fournit un signal U 25 régulé en intensité, proportionnel à la vitesse de rotation Le générateur de fonction 27 l'utilise pour en former suivant le chrono- gramme intermédiaire, une fonction d'amplitude dépendant de la vitesse de rotation La fonction de longueur de blocage représentée dans la partie inférieure du chronogramme est formée dans le générateur de fonction 26 en relation avec la vitesse de rotation Les diagrammes ci-dessus ne corres- pondent évidemment qu'à des exemples et en principe on peut réaliser n'importe quelle fonction souhaitée. La f igure 2 montre les tensions Ull-U 13 indui- tes dans les enroulements 11-13 du moteur Les signaux de commutation U 19 formés à partir de ces tensions par l'étage préparatoire 19 sont représentés en dessous Dans un but de simplification on n'a représenté que les signaux de commu- tation U 19 qui correspondent à un signal U 12 de l'enroulement 12 représenté par un trait -épais Les autres signaux de commutation sont chaque fois déphasés de 1200 A partir des signaux de sortie des générateurs de fonction 26 et 27 on forme un signal de commande dont la longueur de blocage B et dont l'amplitude A sont fixées selon la figure 3 Ce signal est déclenché par les signaux de commutation U 19 pour obtenir les signaux de sortie U 28 à la sortie du circuit de combinaison 28 Dans ce cas également, pour sim- plifier, seul le signal de commande du transistor médian 16 a été représenté; ce transistor commande l'enroulement 12 du moteur Les signaux U 28 des autres transistors 15-17 sont décalés chaque fois de 1200. Pour une vitesse de rotation faible et au dé- marrage, seul le mode linéaire est d'abord mis en oeuvre; il est suivi par une commande de vitesse de rotation en fonction de l'amplitude du courant U 27 La commande par blocage est fixée à une longueur de blocage U 26 de 100 A. Lorsqu'on atteint la moitié de la vitesse maximale de rota- tion, la commande par amplitude U 27 intervient de manière plus que proportionnelle par rapport à la pente de la vi- tesse de rotation U 25 et simultanément on réduit jusqu'à 50 %, en continu, la longueur de blocage U 26 pour arriver à une montée régulière, inchangée, de la vitesse de rotation. Dans la plage des vitesses de rotation correspondant à en- viron à 75 % de la vitesse de rotation maximale (l'adaptation aux conditions peut être faite par les géné- rateurs de fonction 26, 27) on atteint l'amplitude maximale et la commande de la vitesse de rotation est assurée exclu- sivement par la longueur de blocage. Dans une version simplifiée on peut également supprimer le régulateur d'intensité 25 combiné à la régula- tion de vitesse de rotation et dans une version très sim- plifiée la commande de la longueur de blocage peut se faire directement avec le signal de vitesse de rotation. R E V E N D I C A T I O N S 1 ) Dispositif de commande électronique d'un moteur électrique, notamment d'un moteur à commutation électronique dont les enroulements sont chaque fois bran- chés en série sur des transistors de commande pour comman- der le courant de l'enroulement et dont les bornes de commande reçoivent des signaux de commande déclenchés par des signaux de commutation, selon un rapport de travail prédéterminé (commande de blocage), caractérisé en ce qu'il comporte en même temps des moyens pour faire fonctionner les transistors de commande ( 15-17) en mode d'amplification (commande linéaire). ) Dispositif de commande selon la revendica- tion 1, caractérisé en ce que le degré d'exploitation de la commande de blocage est essentiellement limité à 50-100 W de la valeur maximale. ) Dispositif de commande selon la revendica- tion 1 ou 2, caractérisé par un dispositif de régulation ( 22, 25) de la vitesse de rotation et/ou du courant du mo- teur, la tension de sortie du régulateur étant appliquée à une installation de fonction ( 26-28) en amont des transis- tors ( 15-17) pour prédéterminer la longueur et l'amplitude des signaux de commande. ) Dispositif de commande selon la revendica- tion 3, caractérisé par des moyens ( 19) pour former des si- gnaux de valeur réelle de la vitesse de rotation à partir des signaux de commutation ) Dispositif de commande selon la revendica- tion 3 ou 4, caractérisé en ce que le dispositif de régula- tion se compose d'un dispositif de régulation à la vitesse de rotation ( 22) et d'une installation de régulation de l'intensité du moteur ( 25) en aval. ) Dispositif de commande selon l'une des re- vendications 3 à 5, caractérisé en ce que l'installation de fonction ( 26, 28) comprend un générateur de fonction ( 26) il pour la longueur des signaux de commande en relation avec la vitesse de rotation et un générateur de fonction ( 27) pour les amplitudes des signaux de commande en relation avec la vitesse de rotation. 70) Dispositif de commande selon la revendica- tion 6, caractérisé en ce qu'un circuit de combinaison ( 28) est branché en aval des générateurs de fonction ( 26, 27) pour déclencher chronologiquement des signaux de commande en fonction des signaux de commutation. 80) Dispositif de commande selon l'une des re- vendications précédentes, caractérisé en ce que le moteur électrique ( 10) est un moteur à courant continu à commuta- tion électronique (moteur EC). ) Dispositif de commande selon la revendica- tion 8, caractérisé par trois enroulements ( 11-13) du mo- teur branchés en étoile et comportant trois transistors de commande ( 15-17). ) Dispositif de commande selon l'une des re- vendications précédentes, caractérisé en ce que les tran- sistors de commande ( 15-17) sont des transistors FET.