Brevet FR2766639A1 — publié le 19990129

-- 1 -- "PROCEDE DE CONCEPTION DE SYSTEMES D'ELECTRONIQUE DE PUISSANCE ET DE COMMANDE, MODULES ET SYSTEMES CON US AVEC CE PROCEDE" La présente invention concerne un procédé pour concevoir des systèmes d'électronique de puissance. Elle vise également des modules de contrôle de puissance et de traitement d'informations issus de ce procédé et un système d'électronique de puissance conçus avec ce procédé. Dans la plupart des systèmes d'électronique de puissance relativement complexes mettant en oeuvre des organes de puissance tels que des moteurs, convertisseurs ou chargeurs et des interfaces de toute nature, l'architecture communément adoptée consiste à commander et contrôler ces organes de puissance et ces interfaces depuis une unité centrale de contrôle et de traitement qui traite l'ensemble des informations et signaux collectés sur ces systèmes et émet en retour des ordres et instructions de commande à destination des différents organes du système. Une conséquence directe d'un choix de centralisation du traitement des informations au sein de ces systèmes est de nécessiter un câblage et une connectique importants pour véhiculer l'ensemble des signaux échangés entre les divers organes et l'unité centrale, ces contraintes techniques entraînant des surcoûts et des difficultés de maintenance. Le but de la présente invention est de remedier à ces inconvénients en proposant un procédé de conception de système d'électronique de puissance et de commande qui conduise à des choix d'architecture moins lourds et moins coûteux que les solutions actuelles. Cet objectif est atteint avec un procédé pour concevoir un système d'électronique de puissance devant réaliser un ensemble de fonctions comprenant des fonctions de contrôle de puissance, des fonctions de - 2 captation de signaux et des fonctions de traitement d'informations. Suivant l'invention, on associe à certaines au moins desdites fonctions un module pouvant communiquer avec l'ensemble des autres modules par un bus de communication bidirectionnel multiplexé, chaque module étant en outre agencé pour assurer une commande locale intégrée des moyens fonctionnels contenus dans ce module. Chaque module est agencé pour surveiller les autres modules via le bus de communication bidirectionnel multiplexé. En pratique, ce bus est un bus I2C modifié. Suivant un autre aspect de l'invention, il est proposé un module issu de la mise en oeuvre du procédé selon l'invention, comprenant des moyens fonctionnels pour réaliser une fonction déterminée, notamment une fonction de contrôle de puissance, une fonction de capture de signaux, ou une fonction de traitement d'information et des moyens de connexion à des équipements ou dispositifs extérieurs, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens pour commander localement lesdits moyens fonctionnels et des moyens pour communiquer avec les autres modules via Le bus de communication bidirectionnel. Lorsque ce module est réalisé sous la forme d'un circuit imprimé ou d'un substrat métallique isolé (SMI) sur lequel sont implantés des composants électroniques, il comprend avantageusement, au titre des moyens de connexion, des entretoises qui sont soudées ou brasées sur les pistes du circuit imprimé ou au substrat métallique isolé dans la même opération que les autres composants. Ces entretoises, de section polygonale (par exemple, de section carrée ou hexagonale), sont maintenues dans une résine d'enrobage. Dans le cas d'un module de puissance comprenant des moyens pour contrôler la puissance électrique fournie à - 3 - un organe de puissance, ce module de puissance comprend en outre des moyens pour commander localement les moyens de contrôle de puissance. Les modules de puissance peuvent être appliqués à la commande d'un moteur de traction. Ce dernier peut aussi bien être à courant continu (à excitation série, séparée, à aimants permanents) qu'à courant alternatif (asynchrone, synchrone, à réluctance variable). Lorsque ce module de puissance est appliqué à la commande en vitesse variable d'un moteur à excitation série, il comprend classiquement quatre contacteurs mécaniques dans un montage en pont disposé en série d'une part, avec l'enroulement d'excitation du moteur relié à des moyens de roue libre et d'autre part, avec un interrupteur commandé fonctionnant en hacheur. Dans la présente invention, on substitue aux quatre contacteurs mécaniques et au hacheur quatre interrupteurs semiconducteurs commandés en pont, deux interrupteurs reliés à une même ligne assurant les fonctions d'inversion de quadrants de fonctionnement tandis que les deux autres interrupteurs sont commandés en découpage. Les moyens de roue libre sont de préférence réalisés par le canal d'un transistor MOS fonctionnant en inverse. Le transistor est donc utilisé en redresseur synchrone. Suivant encore un autre aspect de l'invention, il est proposé un système d'électronique de puissance, conçu avec le procédé selon l'invention, caractérisé en ce qu'il comprend un ensemble de modules réalisant chacun une fonction parmi un ensemble de fonctions de contrôle de puissance, de fonctions de captation de signaux et de fonctions de traitement d'informations, et un bus de communication bidirectionnelle reliant entre eux lesdits modules. Le procédé de conception selon l'invention permet d'aboutir à une architecture modulaire à intelligence -4- décentralisée. Il en résulte une sécurité accrue puisque cette architecture est intrinsèquement redondante. Tous les modules surveillent tous les autres modules ainsi que les capteurs du système. Deux types de modules sont mis en oeuvre pour cette architecture décentralisée: - des modules de puissance avec commande intégrée, - des modules sans puissance tels qu'un timon qui n'a qu'une fonction de lecture d'une position (capteur), ou une jauge, ou encore un bloc d'affichage d'informations. D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront encore dans la description ci-après. Aux dessins annexés donnés à titre d'exemples non limitatifs: - la figure 1 est un schéma synoptique d'un système d'électronique de puissance selon l'invention, - la figure 2 est un schéma d'un système d'alimentation de moteur à excitation série, utilisé dans l'art antérieur, - la figure 3 est un schéma d'un système d'alimentation de moteur à excitation série selon l'invention, et - la figure 4 représente un module selon l'invention pourvu d'entretoises de connexion. On va tout d'abord décrire la structure d'un système d'électronique de puissance selon l'invention, en référence à la figure 1. Ce système S comprend des modules de puissance T, L, D, C, un module de captation J, et des modules de traitement d'interface A, S, P, l'ensemble de ces modules communiquant via un bus bidirectionnel B. Les modules de puissance comprennent par exemple un module de traction T, un module de levage L, un module de direction D et un module de charge de batterie C. Chaque module de puissance T, L, D, C comprend un organe fonctionnel PT, PL, PD, PC et un organe de commande locale intégrée CT, CL, CD, CC. Les modules de captation et d'interface comprennent par exemple un module de jauge J, un module d'affichage A, un module de diagnostic de service après vente S et un module de paramétrage P. Chaque module de captation et d'interface J, A, S, P comprend un organe d'interface SJ (jauge), IA (afficheurs), IS (connecteurs de diagnostic) et IP (organes de paramétrage), et un organe de commande locale intégrée CJ, CA, CS et CP. On va maintenant décrire, en référence à la figure 3, un exemple de module de contrôle de puissance pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention, conçu pour alimenter un moteur à excitation série, après avoir rappelé l'état de la technique dans ce domaine illustré par la figure 2. Les systèmes actuels de commande d'un moteur à excitation série comprennent par exemple un module de puissance 10 incluant, en référence à la figure 2, quatre contacteurs électromécaniques 11-14 agencés en pont autour du moteur 3 pour la fonction marche/arrêt ainsi que pour la fonction marche Avant/marche Arrière, un hacheur à un transistor 17, par exemple un transistor MOS lorsqu'il s'agit d'un moteur alimenté en relativement basse tension (quelques dizaines de volts), et une diode de roue libre 15 pour la variation de vitesse (ou de couple). Une diode de roue libre 16 est nécessairement placée en parallèle sur l'enroulement d'excitation série 4. Dans le module de puissance 20 mettant en oeuvre le procédé selon l'invention, on substitue aux quatre contacteurs mécaniques et au hacheur, quatre interrupteurs semiconducteurs 21-24, en pratique des transistors MOS lorsqu'il s'agit d'un dispositif alimenté en relativement basse tension, à savoir quelques -6- dizaines de volts. Le module de puissance 20 comprend alors, en référence à la figure 2: - un pont de transistors MOS 21-24 autour du moteur 3, fournissant en interne les diodes de roue libre 210, 220, 230 et 240, et - un transistor 25 en inverse monté en parallèle sur l'enroulement d'excitation série 4, qui assure la fonction de roue libre. Dans un premier mode d'utilisation, les deux interrupteurs d'une même ligne (par exemple ceux du bas 23, 24) fonctionnent en tout ou rien et commandent les inversions de quadrants de fonctionnement du moteur 3. Les deux autres interrupteurs (par exemple ceux du haut 21, 22) fonctionnent en découpage et assurent les fonctions de contrôle de couple et/ou de vitesse du moteur 3. Dans un second mode d'utilisation, on peut aussi utiliser un interrupteur de la ligne du bas en commande fixe et découper sur les deux interrupteurs de l'autre colonne. On impose alors la tension moyenne aux bornes de l'induit du moteur 3 et par conséquent sa vitesse. Ceci simplifie notablement le freinage et améliore le rendement. En effet, dans les systèmes actuels représentant l'art antérieur, le freinage se fait à contre-courant, c'est-à-dire que l'on configure les interrupteurs électromécaniques pour l'autre sens de marche. Puis on injecte un courant contrôlé par le hacheur. La batterie doit donc fournir un courant. Cette énergie électrique et l'énergie mécanique de freinage sont dissipées en chaleur. De plus, il est nécessaire de détecter précisément le passage à la vitesse nulle pour arrêter l'injection de courant. Au contraire, dans le module de contrôle de puissance mettant en ouvre le procédé selon l'invention, le hacheur fonctionne en réversibilité. Il s'agit en -7- effet d'un hacheur 4 quadrants alors que le hacheur associé aux contacteurs électromécaniques n'est pas réversible car il ne fonctionne que dans un quadrant. Dans un module selon l'invention, au freinage, le courant du moteur recharge la batterie d'accumulateurs, au lieu de la décharger. Le rendement est donc nettement amélioré. Il n'y a plus à prévoir de capteur de vitesse nulle. Dans les deux modes d'utilisation, ce sont les diodes internes aux transistors MOS qui jouent le rôle de roue libre du hacheur. Afin d'obtenir un meilleur rendement de l'ensemble, la diode de roue libre d'excitation peut être remplacée par un transistor MOS fonctionnant en inverse et utilisé en redresseur synchrone. La diode interne à ce transistor MOS est donc toujours court-circuitée par le canal du transistor MOS car la chute de tension dans le canal du transistor MOS est inférieure à celle de la diode. Enfin, la structure choisie permet de découpler le contrôle des courants d'induit et d'excitation, caractéristique intéressante en freinage avec un moteur à excitation série. Pour cela, on remarque que si on fait conduire simultanément les deux transistors d'une même colonne, ces deux transistors et la "diode de roue libre" d'excitation jouent le rôle d'un hacheur qui permet de contrôler la tension appliquée à l'enroulement d'excitation et, par conséquent, le courant d'excitation. Les modules de contrôle de puissance et de traitement d'information mis en ouvre dans un système d'électronique de puissance selon l'invention peuvent être avantageusement mais non exclusivement réalisés en utilisant la technique de support SMI (Substrat Métallique Isolé), sous la forme de cartes pourvues de moyens de connexion adaptés. De plus, au contraire des boîtiers standards qui utilisent des inserts inclus dans le capot et qui sont connectés par fils ou plaques au circuit de puissance, on peut avantageusement prévoir que, dans les modules selon l'invention, des entretoises soient soudées ou brasées sur les pistes du circuit imprimé ou du SMI dans la même opération que les autres composants. Il s'en suit une diminution significative du nombre d'opérations de montage. Ainsi, en référence à la figure 4, un module de puissance 30 peut comporter sur un circuit imprimé ou un SMI 300, d'une part des composants électroniques, notamment des composants de puissance 36, des composants de commande 37, et des entretoises 31-35 assurant des fonctions de connexion électrique. Ces entretoises 31-35, soudées ou brasées sur le circuit 300 dans la même opération que les autres composants du module, peuvent en outre être maintenues dans une résine d'enrobage 310, pour des raisons de tenue mécanique, en particulier pour permettre un couple de serrage suffisant des vis de connexion. Il est à noter que ces techniques de réalisation peuvent tout autant être mises en oeuvre en basse fréquence (BF) qu'en haute fréquence (HF). En HF, on peut avantageusement mettre en oeuvre une mise en parallèle de cellules de commutation telle que décrite dans le brevet français n 92 13 791 au nom du présent déposant. S'agissant du fonctionnement en basse fréquence, c'est à dire dans le spectre audible, ce fonctionnement ne pose pas de problème de bruit acoustique dans le cas des applications en traction électrique, car le bruit des réducteurs de vitesse pour le moteur de traction ou le bruit d'une pompe hydraulique sont notablement supérieurs. Le procédé de conception selon l'invention trouve en particulier tout son intérêt lorsqu'il est mis en oeuvre pour la conception d'un module de traction directement - 9 - intégré à un moteur de traction solidaire d'une roue directrice. Actuellement dans l'art antérieur, 4 fils de puissance (2 fils d'induit et 2 fils d'excitation) et 15 à 20 fils de commande sont nécessaires pour réaliser les fonctions d'alimentation et de commande. Le procédé selon l'invention permet de ne passer que 2 fils de puissance et 4 fils de commande pour le bus multiplexé. Il en résulte une économie de fils ultrasouples, une plus grande facilité d'implantation, et une compatibilité électromagnétique améliorée. Avec le procédé selon l'invention, on peut envisager l'utilisation d'une pompe hydraulique en vitesse variable pour le levage sur des transpalettes et des chariots de manutention, alors que jusqu'à présent, on ne prévoit pour ces pompes qu'un fonctionnement en tout ou rien. Un premier intérêt est une limitation du courant de démarrage du moteur entraînant une plus grande durée de vie du collecteur du moteur et de la batterie d'alimentation. Un autre intérêt est décrit ci- après: les transpalettes et les chariots de manutention ne soulèvent la charge que de quelques centimètres, au contraire des gerbeurs et transgerbeurs qui soulèvent leur charge à plusieurs mètres. Pour ces derniers, il est concevable de ne pas donner d'à-coups sur cette charge lorsqu'elle est en position haute. Le levage est obtenu en envoyant de l'huile dans un piston. Le système traditionnellement utilisé est une pompe hydraulique fonctionnant en tout ou rien suivie d'un robinet (vanne proportionnelle) à commande manuelle. Le rendement est très bas. Le procedé selon l'invention permet désormais d'utiliser une pompe hydraulique en vitesse variable derrière un convertisseur à transistor pour éliminer la vanne proportionnelle. Le rendement est alors notablement amélioré. On peut encore améliorer le dispositif en - 10 - utilisant la pompe hydraulique en réversibilité. La montée et la descente peuvent alors être contrôlées de manière progressive. En effet, dans l'état de l'art, la pompe est utilisée uniquement à la montée pour remplir le piston de levage. Pour descendre la charge, une vanne commandée permet de retourner au réservoir l'huile contenue dans le piston. On propose désormais d'utiliser la pompe pour le contrôle de la descente. Avec le procédé selon l'invention, on peut envisager l'utilisation d'une pompe hydraulique en vitesse variable pour la traction en associant une pompe hydraulique et un moteur hydraulique, alors que jusqu'à présent, on ne prévoit pour ces pompes qu'un fonctionnement en tout ou rien. Un premier intérêt est une limitation du courant de démarrage du moteur entraînant une plus grande durée de vie du collecteur du moteur et de la batterie d'alimentation. Un autre intérêt est d'augmenter le rendement de la fonction traction puisqu'on n'injecte dans le moteur électrique qui entraîne la pompe hydraulique que l'énergie nécessaire. Dans le système traditionnellement utilisé, la pompe hydraulique fonctionne en tout ou rien et l'huile superflue est directement retournée au réservoir. Le rendement est très bas. De nombreux modules de contrôle de puissance mettant en ouvre le procédé selon l'invention peuvent être envisagés, notamment pour les fonctions suivantes: traction, levage, direction, charge de batterie, jauge, affichage vers l'utilisateur, affichage pour le Service Après Vente, module de diagnostic, module de paramétrage (éventuellement amovible),... Dans le cas d'une utilisation en traction, on peut avantageusement prévoir les fonctions suivantes: limitation du courant de démarrage, pilotage (asservissement de couple et/ou d'accélération et/ou de - 11 - vitesse) d'un moteur de traction en fonction de la position d'un guidon de commande. Le procédé selon l'invention peut notamment être appliqué dans tout véhicule motorisé électriquement, par exemple, des voitures électriques, camions électriques, bus et minibus électriques, nacelles à bras, nacelles à ciseaux, chariots de manutention, fauteuils pour handicapés, machines de nettoyage industriel, voitures de golf, véhicules de loisirs,...)10 Suivant l'application, on utilisera tout ou partie des modules précités. Ce procédé peut aussi être mis en oeuvre pour des nacelles, avec pour objectif principal de leur procurer une plus grande souplesse de fonctionnement avec une commande en vitesse variable. 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. - 12 - REVENDICATIONS 1. Procédé pour mettre en oeuvre un système (S) d'électronique de puissance devant réaliser un ensemble de fonctions comprenant notamment des fonctions de contrôle de puissance, des fonctions de capture de signaux et des fonctions de traitement d'informations, caractérisé en ce qu'on associe à certaines au moins desdites fonctions un module (T, L, D, C, J, A, S, P) pouvant communiquer avec l'ensemble des autres modules par un bus de communication bidirectionnel (B), chaque module (T, L, D, C, J, A, S, P) étant en outre agencé pour assurer une commande locale intégrée des moyens fonctionnels (PT, PL, PD, PC, SJ, IA, IS, IP) contenus dans ce module. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque module (T, L, D, C, J, A, S, P) est agencé pour surveiller les autres modules via le bus de communication bidirectionnel multiplexé (B). 3. Module de puissance (T, L, D, C, J, A, S, P) utilisé dans le procédé de mise en oeuvre selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant des moyens fonctionnels (PT, PL, PD, PC, SJ, IA, IS, IP) pour réaliser une fonction déterminée, notamment une fonction de contrôle de puissance, une fonction de captation de signaux, ou une fonction de traitement d'information, et des moyens de connexion à des équipements ou dispositifs extérieurs, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens (CT, CL, CD, CC, CJ, CA, CS, CP) pour commander localement lesdits moyens fonctionnels (PT, PL, PD, PC, SJ, IA, IS, IP) et des moyens pour communiquer avec les autres modules via le bus de communication bidirectionnel (B) - 13 - 4. Module de puissance selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il est réalisé sur un Substrat Métallique Isolé (SMI) 5. Module de puissance (30) selon l'une des revendications 3 ou 4, réalisé sous la forme d'un circuit imprimé ou d'un Substrat Métallique Isolé (300) sur lequel sont implantés des composants électroniques (36, 37), caractérisé en ce qu'il comprend, au titre des moyens de connexion, des entretoises polygonales (31-35) qui sont soudées ou brasées sur les pistes du circuit imprimé ou du SMI (300) dans la même opération que les autres composants et en ce que ces entretoises (31-35) sont maintenues dans une résine d'enrobage (310). 6. Module de puissance, selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, comprenant des moyens pour contrôler la puissance électrique fournie à un organe de puissance, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens pour commander localement les moyens de contrôle de puissance. 7. Module de puissance (20) selon la revendication 6, appliqué à la commande en vitesse variable d'un moteur à excitation série (3, 4), comprenant un montage de puissance en pont comportant quatre interrupteurs commandés et disposé en série avec l'enroulement d'excitation (4) du moteur relié à des moyens de roue libre (25). 8. Module de puissance (20) selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il est associé à un premier mode d'utilisation dans lequel deux interrupteurs (23, 24) reliés à une même ligne assurent les fonctions d'inversion de quadrants de fonctionnement tandis que les - 14 - deux autres interrupteurs (21, 22) sont commandés en découpage. 9. Module de puissance (20) selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il est associé à un second mode d'utilisation dans lequel un interrupteur du bas d'une première colonne est commandé en conduction permanente, tandis que les deux interrupteurs de la seconde colonne sont commandés en découpage. 10. Module de puissance (20) selon l'une des revendications 7 à 9, caractérisé en ce qu'il est associé à un troisième mode d'utilisation dans lequel on découple le contrôle des courants d'induit et d'excitation du moteur (3). 11. Système d'électronique de puissance et de commande (S), mis en oeuvre au moyen du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comprend un ensemble de modules (T, L, D, C, J, A, S, P) réalisant chacun une fonction parmi un ensemble de fonctions de contrôle de puissance, de fonctions de capture de signaux et de fonctions de traitement d'informations, et un bus de communication bidirectionnelle (B) reliant entre eux lesdits modules. 12. Application d'un système d'électronique de puissance et de commande selon la revendication 11 incluant un module de puissance selon l'une des revendications 6 à 10, à la commande d'une pompe hydraulique en levage et/ou en traction à vitesse variable. 13. Application d'un système d'électronique de puissance selon la revendication 11, en traction électrique, notamment dans le domaine de la manutention.