Brevet FR2747860A1 — publié le 19971024

La présence invention concerne un procédé de ré- gulation du courant d'excitation d'un alternateur de vé- hicule automobile par traitement numérique et un disposi- tif régulateur mettant en oeuvre un tel procédé. De manière connue, un alternateur est une machine électrique dans laquelle un courant alternatif est généré dans ses enroulements de stator sous l'effet d'un induc- teur qui est parcouru par un courant d'excitation lorsque cet inducteur est mis en rotation. A la sortie des enrou- lements du stator, un pont de diode assure le redresse- ment du courant alternatif de manière à délivrer à la batterie du véhicule une tension continue. Cette tension doit être régulée de manière à res- ter constante quelle que soit la vitesse de rotation de l'alternateur et quelle que soit la charge à laquelle est soumise la batterie. La tension de sortie de l'alterna- teur présente ainsi une ondulation de régulation à l'image du courant d'excitation, cette ondulation étant de période T, comprenant une première alternance T1 pen- dant laquelle la tension de la batterie du véhicule est appliquée à l'inducteur ce qui permet d'augmenter le cou- rant circulant dans l'inducteur, et une deuxième alter- nance T2 pendant laquelle la tension de la batterie n'est pas appliquée à l'inducteur ce qui fait diminuer le cou- rant dans l'inducteur. Le rapport T1/(Tl+T2) est appelé rapport cyclique. Il est connu d'utiliser des techniques numériques pour effectuer la régulation. Le brevet européen n EP-A- 0 481 862 décrit notamment un procédé de régulation par traitement numérique, selon lequel on effectue une mesure de la tension de sortie de l'alternateur à chaque période T, par échantillonnage, puis la valeur numérique de la tension mesurée est comparée à une valeur de référence et on déduit de cette comparaison la valeur des alternances T1 et T2 de la période suivante en modifiant le rapport cyclique d'une valeur directement proportionnelle à la différence entre la tension de sortie mesurée et la ten- sion de référence. Un problème se pose dans le choix de la valeur qui modifie le rapport cyclique. En effet, si la durée du créneau d'excitation T: est faible et qu'une augmentation brutale de la charge appliquée à l'alternateur survient, il est souhaitable, pour assurer une réaction rapide du système, d'augmenter rapidement la durée du créneau T1 d'excitation et donc d'avoir une valeur de modification du rapport cyclique importante. Ceci nécessite de multi- plier la différence entre la tension mesurée et la ten- sion de référence par un facteur correctif élevé. Par contre, dans ce cas, la moindre variation en- tre la tension mesurée et la tension de référence sera répercutée de manière brutale sur le créneau d'excitation et la régulation ne sera pas stable. La présente invention a pour but de pallier ces inconvénients en fournissant un procédé de régulation qui permette une réaction rapide du système de régulation tout en assurant une régulation stable. Elle propose à cet effet un procédé de régulation du courant d'excitation d'un inducteur d'alternateur pour véhicule automobile, ledit alternateur comprenant notam- ment un pont redresseur délivrant une tension de sortie redressée à réguler, la tension redressée présentant une ondulation comportant une composante de fréquence basse provoquée par le signal d'excitation, variable en ampli- tude, ladite tension redressée étant ainsi une tension périodique dont chaque période T se décompose en une pre- mière alternance T, durant laquelle la tension de la bat- terie du véhicule est appliqué à l'inducteur et une deuxième alternance T2 pendant laquelle la tension de la batterie n'est pas appliqué à l'inducteur, consistant: - à mesurer la tension redressée par échantillon- nage, c'est à dire en effectuant des mesures successives et rapprochées, - à comparer la valeur mesurée de la tension re- dressée à une valeur de référence calculée, caractérisé en ce qu'on déduit de cette comparaison: - une première valeur numérique correspondant à la différence entre la valeur mesurée de la tension re- dressée et la valeur de référence, - une deuxième valeur numérique, appelée excita- tion en boucle fermée, qui est calculée, à chaque période T, en ajoutant à la valeur d'excitation en boucle fermée de la période précédente la première valeur numérique à laquelle on applique un premier facteur correctif, - une troisième valeur numérique, appelée excita- tion en boucle ouverte, qui est calculée, à chaque pé- riode T, en ajoutant à la valeur d'excitation en boucle fermée précédemment calculée, lors de la même période T, la première valeur numérique à laquelle on applique un deuxième facteur correctif, cette troisième valeur numé- rique déterminant le temps Ti pendant lequel on applique la tension de la batterie à l'inducteur. Selon un aspect préféré de l'invention, le deuxième facteur correctif est un nombre dont la valeur est supérieure à celle du premier facteur correctif. Grâce à l'invention, on utilise deux variables séparées, l'une, l'excitation en boucle ouverte, qui dé- termine la durée de l'alternance T. d'excitation, évolue rapidement, ce qui permet de répondre rapidement à une hausse de charge, tandis que l'autre, l'excitation en boucle fermée, évolue beaucoup moins d'une période à l'autre et sert, à chaque période, de base de calcul de l'excitation en boucle ouverte. Ceci permet donc d'avoir une régulation à la fois stable et rapide. Selon un autre aspect de l'invention, lorsqu'on a calculé la deuxième valeur numérique d'excitation en bou- cle fermée, on effectue un test et si ladite valeur d'ex- citation en boucle fermée est égale à la durée de la pé- riode T, alors la troisième valeur numérique d'excitation en boucle ouverte est égale à la période T. Ceci permet, lorsque l'on se trouve en plein champ, c'est à dire lorsque la tension d'excitation est appliquée à l'inducteur pendant toute la période T, d'éviter de faire le calcul de l'excitation en boucle ou- verte. Selon d'autres caractéristiques de l'invention, - la valeur de référence est calculée en fonction d'au moins un paramètre lié à l'alternateur et/ou à la batterie du véhicule; - la valeur de référence est calculée en fonction de la température de l'alternateur et / ou de la batte- rie. Selon un autre aspect de l'invention, le procédé de régulation consiste: - à effectuer, au cours de chaque période T, une mesure de température, - à en déduire une valeur de référence, fonction de la température mesurée, ladite valeur de référence étant ensuite comparée avec la valeur de la tension re- dressée mesurée. Selon une autre caractéristique de l'invention, la valeur de référence est calculée, à partir d'une va- leur prédéterminée pour une température donnée, en appli- quant à cette valeur prédéterminée un facteur correctif qui est une fonction de la température. D'autres caractéristiques et avantages apparaî- tront à la lecture de la description suivante en se réfé- rant aux dessins annexés parmi lesquels: - la figure 1 est un schéma de principe d'un dis- positif régulateur selon l'invention; - la figure 2 représente des diagrammes temporels de plusieurs signaux illustrant le procédé de l'inven- tion; - les figures 3 et 4 sont des organigrammes mon- trant le fonctionnement de l'invention; - la figure 5 est une courbe présentant la valeur de référence de la tension de sortie calculée en fonction de la température. La figure 1 illustre un alternateur 1 comprenant des enroulements de stator 3 dans lesquels est généré, sous l'action d'un inducteur 4, une tension alternative. Un pont de diodes 5 est connecté à la sortie des enroule- ments pour délivrer une tension redressée UB+ appliquée à la batterie et au réseau de bord du véhicule. Le courant d'excitation parcourant l'inducteur 4 est régulé par un dispositif régulateur 2. Celui-ci com- prend un circuit de commande du courant d'excitation 7, constitué par exemple d'un transistor de puissance qui, lorsqu'il est passant, laisse passer un courant d'excita- tion et, lorsqu'il est bloqué, empêche l'inducteur d'être alimenté par la batterie du véhicule. Une diode 6 assure une recirculation du courant dans l'inducteur pendant les phases o l'inducteur n'est plus alimenté par la batte- rie. Le dispositif régulateur 2 comprend en outre un microcontrôleur 13 comportant: - un microprocesseur 8, muni d'une mémoire, qui effectue les calculs et traitements nécessaires à la ré- gulation; - une interface d'entrée et de sortie 9 du micro- processeur; - un convertisseur analogique / numérique 10 qui transforme la tension UB+ redressée de l'alternateur en une série d'octets et qui convertit la tension délivrée par le capteur de température 11, représentative de la température de l'alternateur ou de la batterie, en une valeur numérique; - un circuit de temporisation 12 qui provoque des interruptions pour changer l'état d'excitation et qui se charge des données calculées par le microprocesseur 8. A la figure 2A, on a représenté la tension à ré- guler UB+ telle qu'elle apparaît en sortie de l'alterna- teur ou sur le réseau de bord du véhicule, le temps étant porté en abscisse et la tension en ordonnée. Cette tension U+ présente une ondulation 20 de fréquence élevée, qui est due en particulier au pont de diodes 5 assurant le redressement de UB+. A cette ondula- tion se superpose une ondulation 21, de fréquence beau- coup moins élevée, qui varie en amplitude en fonction des variations du courant d'excitation dans l'inducteur. La valeur moyenne de la tension UB+ oscille ainsi autour d'une tension moyenne 22. En liaison avec la figure 2C qui représente la tension d'excitation appliquée à l'inducteur en fonction du temps, l'ondulation 21 est de période T se décomposant en deux alternances Tl et T2. Pendant l'alternance Tl, un créneau apparaît sur la figure 2C signifiant qu'une tension d'excitation est appliquée à l'inducteur 4, ce qui fait croître la tension UB+ comme on peut le voir sur la figure 2A. Pendant l'alternance T2, par contre, aucune ten- sion d'excitation n'est appliquée à l'inducteur, ce qui se traduit par un niveau zéro sur la figure 2C et qui fait décroître la tension UB+ (figure 2A). Le rapport cyclique T./(T1+T2) peut en théorie va- rier de 0 à 100 % suivant les besoins des circuits utili- sateurs et suivant l'état de charge de la batterie. Ce rapport cyclique, ou plus exactement la durée de l'alternance T1, est calculé en utilisant, selon l'in- vention, deux variables: une variable dite d'excitation en boucle fermée EXF et une variable dite d'excitation en boucle ouverte EXO. Sur la figure 2C, on peut voir que la variable EXO est celle qui détermine la valeur de l'alternance T1, c'est à dire la durée pendanc laquelle une tension d'ex- citation est appliquée à l'inducteur. Cette variable évo- lue rapidement d'une période à l'autre. Le seconde variable EXF est utilisée, comme on le verra dans la suite de la description, en tant qu'inter- médiaire de calcul et elle évolue beaucoup moins rapide- ment dans le temps, ce qui garantit une bonne stabilité de la régulation. La figure 2B représente des créneaux Te qui cor- respondent à la durée pendant laquelle on effectue une mesure de la tension UB+, par échantillonnage, au cours de chaque période T. Cette mesure par échantillonnage de durée Te est placée à la fin de chaque période T, quel que soit le rapport cyclique, de façon qu'elle se termine à un temps ú, très court, avant la fin de la période T et elle est égale à une demi-période T. Ainsi, la mesure de la tension UB est fiable puisqu'elle dure une demi-période, et le fait qu'elle soit placée en fin de période T permet d'avoir un temps de réponse rapide du dispositif de régulation. L'ensemble de ces opérations est effectué par un programme géré par le microcontrôleur 13. Ainsi, la figure 2D montre qu'une interruption Il, provoquée par le circuit de temporisation 12, déclen- che l'apparition d'un créneau d'excitation (visible sur la figure 2C) qui dure pendant toute la durée T1 chargée dans le circuit de temporisation. Une fois cette durée écoulée, le circuit de tem- porisation provoque une interruption 12 qui fait basculer l'excitation à zéro pendant toute la durée T2. Dans la suite de la description, le fonctionne- ment du procédé de régulation de l'invention sera décrit en se reportant aux organigrammes des figures 3 et 4 qui montrent un exemple de mise en oeuvre dudit procédé. La figure 3 représente le programme principal qui est effectué par le microcontrôleur 13 tandis que la fi- gure 4 montre un programme d'interruption, effectué à chaque interruption générée par le circuit de temporisa- tion 12, qui a une durée négligeable par rapport à celle des autres opérations effectuées par le programme princi- pal. Le programme commence par une initialisation 30 de tous les paramètres utilisés par le microcontrôleur 13 et par le circuit de temporisation 12 puis par une mémo- risation 31 des valeurs prédéterminées de la température (a et de la tension correspondante Uref (0a) Pour décrire en détail ce programme, on suppose se trouver à l'instant tz au moment o l'interruption Il vient d'être provoquée déclenchant l'apparition d'un cré- neau d'excitation d'une durée Ti. L'indicateur d'échantillonnage ayant été posi- tionné sur Non lors de l'initialisation du programme, lorsque le test 32 est effectué, c'est sa sortie 33 qui est choisie. Le microcontrôleur attend donc en 34 que s'écoule une durée chargée préalablement en mémoire qui est inférieure à T - T/2 - E. Puis l'indicateur d'échan- tillonnage est positionné sur Oui en 35. Il est à noter que l'attente 34 du microcontrô- leur peut être utilisée de manière plus profitable en ef- fectuant des calculs ou des traitements complémentaires qui ne font pas l'objet de la présente invention. Lors du nouveau test 32 de l'indicateur d'échan- tillonnage, c'est sa sortie 36 qui est choisie et les opérations suivantes sont alors effectuées: - en 37, on effectue une mesure de la température O en utilisant les informations délivrées par le capteur de température 11 au convertisseur analogique / numérique ; - en 38, on calcule la valeur de référence de la tension Uref(0) en fonction de la température 0 qui a été mesurée; le procédé de calcul sera exposé plus loin en référence à la figure 5; - lorsqu'une durée T - T/2 - c s'est écoulée de- puis l'instant t1, la mesure de la tension UB est déclen- chée en 39 et elle s'effectue pendant toute la durée Te par échantillonnage, c'est à dire qu'on effectue N mesu- res successives de UB qui sont additionnées et mémori- sées par le microprocesseur 8 sous forme d'un nombre de deux octets. En variante, les opérations de mesure de la tem- pérature 0 (étape 37) et de calcul de la valeur de réfé- rence Uref(O) (étape 38) peuvent être effectuées à l'étape 34. A la fin de la durée Te, et pendant le temps E, on procède au calcul des variables EXF et EXO qui permet- tent de définir le rapport cyclique de la période sui- vante: - en 40, la différence entre la valeur de la ten- sion UBJ mesurée et la valeur de référence Uref(O) est mé- morisée dans une variable DIFF; - en 41, on effectue le calcul de la variable d'excitation en boucle fermée EXF1 en fonction de la va- riable EXF0 calculée à la période précédente; pour cela, on multiplie la valeur mémorisée dans la variable DIFF par un coefficient A et on ajoute le résultat de ce cal- cul à la variable EXFP pour obtenir EXF1; - en 42, on effectue un test pour vérifier si la variable EXF1 qui vient d'être calculée est égale ou non à la durée de la période T; - si EXF1 est égale à T, alors la sortie 44 du test 42 est choisie et, en 45, on affecte à la variable d'excitation en boucle ouverte EXO. la valeur de EXF1 précédemment calculée, c'est à dire la valeur de la pé- riode T; - si par contre le résultat du test 42 est néga- tif, alors la sortie 43 du test est choisie et, en 46, on effectue le calcul de la variable d'excitation en boucle ouverte EXO, en additionnant à la valeur de EXF1 calculée précédemment la valeur de la variable DIFF multipliée par un coefficient B, supérieur au coefficient A; - puis, en 47, on bascule l'indicateur d'échan- tillonnage sur Non et on retourne au test 32. Les coefficients A et B sont des nombres, stockés en mémoire, qui ont été préalablement déterminés en ef- fectuant des essais comparatifs. Par exemple, A = 2 et B= 4. Le valeur de EXOJ, dont le calcul vient d'être décrit, définit la durée du créneau d'excitation qui sera appliqué à la période immédiatement suivante, dès l'ins- tant t2 (en se référant à la figure 2). L'utilisation des deux variables EXF et EXO, dont le mode de calcul est différent, permet d'augmenter le créneau d'excitation d'une manière importante quand cela est nécessaire (augmentation de la charge appliquée à l'alternateur) grâce à la variable EXO, tout en conser- vant une certaine stabilité grâce à la variable EXF qui évolue d'une manière moins importante d'une période à l'autre et qui sert toujours de base de calcul à la va- riable EXO. En référence à la figure 4, nous allons mainte- nant décrire le programme d'interruptions qui est effec- tué par le microcontrôleur 13 à chaque fois qu'une inter- ruption est déclenchée par le circuit de temporisation 12. Lorsqu'une interruption 50 intervient, un test 51 est effectué pour connaître l'état d'un drapeau de con- trôle d'interruptions D. Si le drapeau D est à 0, alors la sortie 52 du test est choisie. A l'étape 54, on charge aussitôt la va- leur 1 dans le drapeau D puis, en 55, on charge la valeur Tl qui a été calculée par le programme principal, c'est à I1 dire la valeur de la variable EXO, dans le circuit de temporisation 12 pour que celui-ci provoque la prochaine interruption lorsque se sera écoulé le temps Tl. En 56, le microcontrôleur 13 commande au circuit de contrôle du courant d'excitation 7 d'alimenter l'in- ducteur 4 avec un courant d'excitation, c'est à dire qu'on déclenche un créneau d'excitation d'une durée Tl, comme ceux visibles à la figure 2C, puis on retourne, en , au programme principal. Lorsque la durée d'excitation Tl est écoulée, le circuit de temporisation 12 provoque une nouvelle inter- ruption et on effectue à nouveau le test 51. Comme le drapeau D est à 1, c'est alors la sortie 53 du test 51 qui est choisie. En 57, on charge la valeur 0 dans le drapeau D, puis en 58, on charge dans le cir- cuit de temporisation 12 la valeur T - T1 = T - EXO en fonction de la valeur EXO qui a été calculée par le pro- gramme principal. Enfin en 59, on commande au circuit de contrôle du courant d'excitation 7 de cesser d'alimenter l'inducteur 4 pendant toute la durée T - Tl et on re- tourne au programme principal en 60. Lorsque la durée T - T1 se sera écoulée, une nou- velle interruption sera déclenchée et comme le drapeau D est à 0, ce sont les étapes 51, 52 et 54 à 56 qui seront effectuées. La figure 5 illustre de quelle manière est calcu- lée la valeur de référence Uref(O) de la tension redressée- à partir d'une valeur Uref(oa) prédéterminée pour une température Oa donnée. A partir de cette valeur prédéterminée, on appli- que un facteur correctif f(O) qui dépend de la tempéra- ture 0 qui a été mesurée: Uref(O) = Uref(Oa) - f(W{ A la figure 5, on a représenté deux exemples pos- sibles de la fonction -f(O) par les courbes 70 et 80. Si par exemple f est une fonction linéaire crois- sante avec la température 0, la représentation graphique de -f(O) est une droite dont la pente est négative. Dans l'exemple considéré, les courbes sont calcu- lées entre Oa = -30 C et 0b = 140 C. Dans la courbe 70, Uref(Oa) = 15,05 Volts et Uref(Ob) = 13,35 Volts ce qui per- met d'obtenir une compensation thermique de -10 milli- volts/ C tandis que dans la courbe 80, U'ref(Oa) = 14,725 Volts et U'ref (0b) = 14,13 Volts ce qui permet d'obtenir une compensation thermique de -3,5 millivolts/ C. Naturellement, on pourra utiliser d'autres formes de compensations thermiques, notamment la fonction f n'est pas forcément une fonction linéaire mais peut être quelconque. De même, la valeur de référence de la tension de * sortie pourra être calculée en fonction d'autres paramè- tres de l'alternateur comme sa vitesse ou la charge qui lui est appliquée REVENDICATIONS 1. Procédé de régulation du courant d'excitation d'un inducteur (4) d'alternateur pour véhicule automo- bile, ledit alternateur comprenant notamment un pont re- dresseur (5) délivrant une tension de sortie redressée (U3B+) à réguler, la tension redressée (UB+) présentant une ondulation comportant une composante de fréquence basse provoquée par le signal d'excitation, variable en ampli- tude, ladite tension redressée étant ainsi une tension périodique dont chaque période T se décompose en une pre- mière alternance T1 durant laquelle la tension de la bat- terie du véhicule est appliquée à l'inducteur et une deuxième alternance T2 pendant laquelle la tension de la batterie n'est pas appliquée à l'inducteur, consistant: - à mesurer la tension redressée (UB') par échan- tillonnage, c'est à dire en effectuant des mesures suc- cessives et rapprochées, - à comparer la valeur mesurée de la tension re- dressée (UB+) à une valeur de référence calculée (Uref), caractérisé en ce qu'on déduit de cette comparai- son: - une première valeur numérique (DIFF) correspon- dant à la différence entre la valeur mesurée de la ten- sion redressée (U,+) et la valeur de référence (Uref), - une deuxième valeur numérique (EXF), appelée excitation en boucle fermée, qui est calculée, à chaque période T, en ajoutant à la valeur d'excitation en boucle fermée de la période précédente la première valeur numé- rique (DIFF) à laquelle on applique un premier facteur correctif (A), une troisième valeur numérique (EXO), appelée excitation en boucle ouverte, qui est calculée, à chaque période T, en ajoutant à la valeur d'excitation en boucle fermée précédemment calculée, lors de la même période T, la première valeur numérique (DIFF) à laquelle on appli- que un deuxième facteur correctif (B), cette troisième valeur numérique déterminant le temps Tl pendant lequel on applique la tension de la batterie à l'inducteur (4). 2. Procédé de régulation selon la revendication 1, caractérisé en ce que le deuxième facteur correctif (B) est un nombre dont la valeur est supérieure à celle du premier facteur correctif (A). 3. Procédé de régulation selon l'une des revendi- cations 1 ou 2, caractérisé en ce que lorsqu'on a calculé la deuxième valeur numérique d'excitation en boucle fer- mée, on effectue un test et si ladite valeur d'excitation en boucle fermée est égale à la durée de la période T alors la troisième valeur numérique d'excitation en bou- cle ouverte est égale à la période T. 4. Procédé de régulation selon l'une des revendi- cations précédentes, caractérisé en ce que la valeur de référence (Uref) est calculée en fonction d'au moins un paramètre lié à l'alternateur et/ou à la batterie du vé- hicule. 5. Procédé de régulation selon la revendication 4, caractérisé en ce que la valeur de référence (Uref) est calculée en fonction de la température de l'alternateur et / ou de la batterie. 6. Procédé de régulation selon l'une des revendi- cations 4 ou 5, caractérisé en ce qu'il consiste: - à effectuer, au cours de chaque période T, une mesure de température (0), - à en déduire une valeur de référence (Uref(O)), fonction de la température (0) mesurée, ladite valeur de référence étant ensuite comparée avec la valeur de la tension redressée (UB+) mesurée. 7. Procédé de régulation selon la revendication 6, caractérisé en ce que la valeur de référence (Uref(O)) est calculée, à partir d'une valeur prédéterminée (Uref(Oa)) pour une température (Oa) donnée, en appliquant à ladite valeur prédéterminée un facteur correctif qui est une fonction de la température (0). 8. Dispositif régulateur du courant d'excitation d'un inducteur d'alternateur, caractérisé en ce qu'il met en oeuvre le procédé selon l'une quelconque des revendi- cations précédentes.