Brevet FR2778798A1 — publié le 19991119

i PROCEDE POUR COMMANDER UN MOTEUR ELECTRIQUE A COMMUTATION ELECTRONIQUE, ET CIRCUIT DE COMMANDE POUR SA MISE EN OEUVRE La présente invention concerne un procédé pour com- mander un moteur électrique à commutation électronique tel que notamment, mais non exclusivement, un moteur à réluctance variable, ainsi qu'un circuit de commande as- surant la mise en ouvre de ce procédé, et utilisé notam- ment pour la motorisation d'un aspirateur ménager. D'une manière classique, un moteur électrique à commutation électronique est alimenté par un circuit con- vertisseur branché aux bornes d'une source de tension d'alimentation et comprenant des moyens de commutation électronique qui sont destinés à alimenter séquentielle- ment les différentes phases du moteur et qui, à cet ef- fet, sont commandés par des moyens de séquencement pilo- tés à partir d'informations de position issues de cap- teurs et propres à déterminer pour chaque phase des pé- riodes successives de magnétisation et de démagnétisation pendant lesquelles des ordres successifs de magnétisation et de démagnétisation sont appliqués aux moyens de commu- tation. Dans diverses utilisations d'un tel moteur à commu- tation électronique, comme par exemple celle de la moto- risation d'un aspirateur ménager, il s'avère nécessaire pour l'utilisateur de faire varier la puissance de l'as- pirateur, et partant, la vitesse de rotation du moteur, afin de l'adapter aux différents types de revêtement de sol à nettoyer. Un procédé connu de commande d'un moteur électrique à commutation électronique mettant en ouvre une variation de la puissance du moteur, consiste à faire varier les périodes de magnétisation et de démagnétisation de chaque phase du moteur, conduisant en cela à modifier les ordres de magnétisation et de démagnétisation, ainsi que l'angle d'avance de magnétisation issu du capteur; cette varia- tion des périodes de magnétisation et de démagnétisation de chaque phase permet ainsi de faire varier le flux maximal dans les phases du moteur, et donc de faire va- rier la puissance fournie par le moteur. Toutefois, une diminution de puissance obtenue par une réduction des pé- riodes de magnétisation et de démagnétisation de chaque phase du moteur génère des pics de courant dans les pha- ses commandées, ce qui entraîne des perturbations impor- tantes du courant d'alimentation et génère du bruit. De plus, la modification des ordres de magnétisation et de démagnétisation nécessite des moyens de calcul complexes, et la modification de l'angle d'avance de magnétisation requiert une parfaite maîtrise de celui-ci, conduisant en cela à mettre en oeuvre un capteur, ou le système qui lui est associé, ayant une conception compliquée. L'invention a notamment pour but de remédier à ces inconvénients en proposant un procédé pour commander un moteur électrique à commutation électronique, mettant en oeuvre d'une manière simple et efficace une variation de la puissance du moteur, et faisant appel pour sa mise en oeuvre à un circuit dont la conception est simplifiée et économique. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé pour commander un moteur électrique polyphasé à commuta- tion électronique à partir d'une source de tension d'ali- mentation, consistant à séquencer les phases à commander, et pour chaque phase considérée du moteur, à déterminer des périodes successives de magnétisation et de démagné- tisation. Suivant l'invention, ce procédé consiste en outre, pour chaque phase considérée et pendant chaque période de magnétisation et de démagnétisation: - à appliquer sur la phase un même signal logique modulé en largeur, à deux niveaux logiques, de fréquence supérieure à la fréquence de commande de la phase, et à rapport cyclique pouvant varier de 0 à 100 % afin de per- mettre une variation de la puissance du moteur, - et pour l'un des deux niveaux logiques du signal, à établir des actions de magnétisation et de démagnétisa- tion pendant lesquelles, respectivement, la tension d'alimentation et l'inverse de la tension d'alimentation sont appliqués sur la phase, et pour l'autre niveau logi- que du signal, à établir des actions de roue libre pen- dant lesquelles une tension nulle est appliquée sur la phase, le rapport cyclique du signal logique modulé en largeur étant sensiblement constant lors des actions de magnétisation / roue libre et de démagnétisation / roue libre. L'invention vise également un circuit pour la mise en ouvre du procédé selon l'invention, ce circuit compor- tant des moyens pour magnétiser et pour démagnétiser suc- cessivement chaque phase du moteur à partir d'une source de tension d'alimentation, et des moyens pour commander lesdits moyens de magnétisation et de démagnétisation, comprenant des moyens de séquencement des phases à com- mander, adaptés à générer successivement pour chaque phase un signal logique dit de séquencement comportant des ordres de magnétisation et de démagnétisation. Ces moyens de commande comportent également: - des moyens pour générer un signal logique modulé en largeur, à deux niveaux logiques, de fréquence supé- rieure à la fréquence du signal de séquencement, et à rapport cyclique pouvant varier de 0 à 100 %, - et un circuit logique associé à chaque phase, re- cevant le signal de séquencement et le signal modulé en largeur, et adapté à commander les moyens de magnétisa- tion et de démagnétisation pour, d'une part, lors de l'apparition de l'un des niveaux logiques du signal modu- lé en largeur, placer successivement en magnétisation et en démagnétisation chaque phase selon les ordres du si- gnal de séquencement par application successive, respec- tivement, de la tension d'alimentation et de l'inverse de cette tension sur les phases, et d'autre part, lors de l'apparition de l'autre niveau logique du signal modulé en largeur, placer successivement en roue libre chaque phase par application successive d'une tension nulle sur ces phases, le rapport cyclique du signal modulé en lar- geur étant sensiblement constant lorsque chaque phase est placée successivement en magnétisation / roue libre et en démagnétisation / roue libre. L'invention vise de plus une utilisation du circuit de commande selon l'invention, pour la motorisation d'un aspirateur ménager. Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront d'ailleurs de la description qui va suivre, à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 représente un schéma d'un circuit de commande d'un moteur triphasé à commutation électronique selon l'invention; et - la figure 2 représente des chronogrammes respec- tifs du flux dans une seule phase du moteur de la figure 1, et de signaux de commande associés à cette phase. Dans ce qui suit, on décrira le circuit de commande conforme à l'invention en relation avec un moteur tripha- sé à réluctance variable, étant entendu que d'une manière générale, ce circuit de commande, ainsi que le procédé qu'il met en oeuvre, s'appliquent à tout moteur électrique à commutation électronique, qu'il soit monophasé ou poly- phasé, sans sortir du cadre de l'invention. Dans l'exemple de réalisation illustré à la figure 1, on a désigné en 10 un circuit de commande d'un moteur triphasé à réluctance variable à commutation électronique 12 dont les trois enroulements de phase Pl, P2, P3 sont alimentés séquentiellement par un convertisseur 14 qui est connecté par deux lignes d'alimentation, respective- ment haute 16 et basse 17, à une source de tension d'ali- mentation U, par exemple une source de tension continue ou alternative redressée, et qui est piloté par un dispo- sitif de commande 20. Dans cet exemple, le convertisseur 14 comprend trois demi-ponts asymétriques DP1, DP2, DP3 couplés cha- cun à une phase Pi, P2, P3 du moteur 12 et montés tous trois en parallèle entre les deux lignes d'alimentation 16 et 17 du convertisseur 14. D'une manière classique, chaque demi-pont DP1-3 comprend un interrupteur haut Tlh - T3h dont une borne supérieure est reliée à la ligne haute d'alimentation 16 du convertisseur 14, un interrup- teur bas Tlb - T3b dont une borne inférieure est reliée à la ligne basse d'alimentation 17 du convertisseur 14, une première diode de roue libre Dlh - D3h ayant sa cathode reliée à la ligne haute d'alimentation 16 et son anode reliée à la borne supérieure de l'interrupteur bas Tlb - T3b, et une seconde diode de roue libre Dlb - D3b ayant sa cathode reliée à la borne inférieure de l'interrupteur haut Tlh - T3h et son anode reliée à la ligne basse d'alimentation 17. Les interrupteurs de puissance hauts et bas peuvent être, à titre d'exemple non limitatif, des transistors IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor). En regard de la figure 1, le dispositif de commande 20 comporte des moyens de séquencement 22 des trois pha- ses Pl, P2, P3 à commander du moteur 12, qui reçoivent une information sur la position angulaire instantanée 0 du rotor du moteur, fournie par un codeur angulaire 24 ou tout autre moyen de mesure de position angulaire, et qui sont adaptés à générer successivement pour chaque phase un signal logique dit de séquencement, noté Sql; Sq2; Sq3 sur la figure 1, comportant des ordres de magnétisa- tion ON et de démagnétisation OFF de la phase à comman- der. A titre d'exemple non limitatif, les ordres de ma- gnétisation ON du signal de séquencement, par exemple ce- lui noté Sql sur la figure 2 pour la phase Pl du moteur, correspondent au niveau logique 1 dudit signal de séquen- cement, tandis que les ordres de démagnétisation OFF cor- respondent au niveau logique O de ce signal de séquence- ment Sql. Les moyens de séquencement 22, figure 1, compren- nent par exemple des circuits logiques recevant le signal logique délivré par le codeur angulaire 24 et générant les signaux de séquencement Sql, Sq2, Sq3, comme décrit par exemple dans le document WO 90/00831, et permettent de déterminer, pour chaque phase du moteur, des périodes successives de magnétisation et de démagnétisation, no- tées respectivement Tml et Tdl sur la figure 2, dans cet exemple pour la phase du moteur indicée 1, et pendant lesquelles apparaissent successivement les ordres de ma- gnétisation ON et de démagnétisation OFF. Comme le montre la figure 1, le dispositif de com- mande 20 comporte également, conformément à l'invention, des moyens 26 de génération d'un signal logique modulé en largeur PWM, de fréquence supérieure à celle du signal de séquencement Sql-3 en vue de générer avantageusement peu de bruit, et à rapport cyclique n pouvant varier de 0 à % pour permettre une variation de la puissance du mo- teur, ainsi que trois circuits logiques CL1, CL2, CL3 as- sociés chacun à une phase Pl, P2, P3 du moteur 12 et adaptés chacun à générer des signaux de commande des in- terrupteurs hauts et bas Tlh, Tlb; T2h, T2b; T3h, T3b à partir du signal logique PWM et des signaux logiques de séquencement Sql, Sq2, Sq3. Dans l'exemple de réalisation illustré à la figure 1, chaque circuit logique CL1-3 comporte deux unités lo- giques, en l'occurrence une porte ET1-3 recevant les deux signaux logiques PWM et Sql-3 et délivrant un signal lo- gique de commande de l'interrupteur haut considéré Tlh; T2h; T3h, et une porte OU1-3 recevant les deux signaux logiques PWM et Sql-3 et délivrant un signal logique de commande de l'interrupteur bas considéré Tlb; T2b; T3b. Il convient de souligner que les unités logiques de commande des interrupteurs hauts et bas peuvent bien sûr être permutées, sans sortir pour cela du cadre de l'in- vention. Chaque circuit logique CL1-3 est adapté à commander les interrupteurs haut et bas Tlh, Tlb; T2h, T2b; T3h, T3b d'une phase considérée du moteur pour: - d'une part, lors de l'apparition de l'un des deux niveaux logiques du signal modulé en largeur PWM, par exemple le niveau logique 1, placer successivement en ma- gnétisation et en démagnétisation la phase considérée se- lon les ordres ON et OFF du signal de séquencement Sql-3 par application successive de la tension d'alimentation U et de l'inverse de cette tension d'alimentation (-U) sur la phase, - et d'autre part, lors de l'apparition de l'autre niveau logique du signal modulé en largeur PWM, à savoir le niveau logique O dans l'exemple choisi, placer en roue libre la phase considérée par application d'une tension nulle sur la phase. De plus, afin de maintenir une tension moyenne sen- siblement constante aux bornes de chaque phase considérée du moteur lors des états de magnétisation et de démagné- tisation de la phase, le rapport cyclique du signal modu- lé en largeur PWM présente une valeur moyenne qui reste sensiblement constante lorsque chaque phase du moteur est placée successivement en magnétisation / roue libre et en démagnétisation / roue libre, permettant ainsi avantageu- sement de simplifier les lois de commande des interrup- teurs haut et bas de chaque phase. Dans une application préférentielle pour la motori- sation d'un aspirateur ménager, pour lequel le moteur à réluctance variable peut être biphasé, les moyens 26 de génération du signal modulé en largeur PWM sont commandés par des moyens 28 permettant de limiter la vitesse maxi- male de rotation Q du moteur 12 suivant une loi prééta- blie de variation du rapport cyclique r du signal PWM en fonction de la vitesse de rotation Q du moteur; ainsi, par simple pilotage du rapport cyclique du signal PWM, on assure une limitation de la vitesse maximale de rotation du moteur. On va maintenant décrire le fonctionnement du pro- cédé de commande en ne considérant qu'une seule phase du moteur, par exemple la phase indicée 1, tout en sachant que les trois phases du moteur peuvent être commandées indépendamment de leurs rangs respectifs, et en prenant en compte un rapport cyclique de 50 % pour le signal mo- dulé en largeur PWM afin de réduire la puissance fournie par le moteur, cette réduction de puissance correspon- dant à une réduction de moitié de la tension moyenne vue par les phases lors des séquences de magnétisation/roue libre ou de démagnétisation/roue libre. En réponse à un ordre de magnétisation ON, d'une période Tml, du signal de séquencement Sql (voir figure 2), l'interrupteur bas Tlb est maintenu passant, et à chaque niveau logique 1 du signal PWM, l'interrupteur haut Tlh devient passant, établissant ainsi sur la phase Pi des actions de magnétisation pendant lesquelles la tension d'alimentation U est appliquée sur la phase Pi, tandis qu'à chaque niveau logique O du signal PWM, l'in- terrupteur haut Tlh devient bloqué et la diode Dlb de- vient conductrice, établissant ainsi sur la phase P1 des actions de roue libre pendant lesquelles une tension nulle est appliquée sur cette phase P1. On a représenté à la figure 2 l'allure du flux 0 établi dans la phase Pi au cours de ces actions de magné- tisation / roue libre de cette phase en réponse à l'ordre de magnétisation ON, le flux moyen obtenu correspondant à une puissance moyenne réduite vis-à-vis de la puissance maximale du moteur. En réponse maintenant à un ordre de démagnétisation OFF, d'une période Tdl, du signal de séquencement Sql (figure 2), l'interrupteur haut Tlh est maintenu bloqué, et à chaque niveau logique 1 du signal PWM, l'interrup- teur bas Tlb devient bloqué, établissant ainsi sur la phase Pi des actions de démagnétisation pendant lesquel- les l'inverse de la tension d'alimentation (-U) est ap- pliqué sur ladite phase Pl, tandis qu'à chaque niveau lo- gique O du signal PWM, l'interrupteur bas Tlb devient Il passant et la diode Dlb devient conductrice, établissant ainsi également sur la phase Pi des actions de roue libre pendant lesquelles une tension nulle est appliquée sur cette phase Pl. Comme précédemment, la figure 2 montre l'allure du flux 0 établi dans la phase Pi au cours de ces actions de démagnétisation / roue libre de cette phase en réponse à l'ordre de démagnétisation OFF. Il convient de souligner que cette stratégie de commande peut également être adoptée dans le cadre d'états de magnétisation simultanée de plusieurs phases du moteur. REVENDICATIONS 1. Procédé pour commander un moteur électrique po- lyphasé à commutation électronique (12) à partir d'une source de tension d'alimentation (U), consistant à sé- quencer les phases (P1-3) à commander, et pour chaque phase considérée (P1-3) du moteur, à déterminer des pé- riodes successives de magnétisation (Tml) et de démagné- tisation (Tdl), caractérisé en ce qu'il consiste en outre, pour chaque phase considérée (P1-3) et pendant chaque période de ma- gnétisation (Tml) et de démagnétisation (Tdl): - à appliquer sur la phase un même signal logique modulé en largeur (PWM), à deux niveaux logiques, de fré- quence supérieure à la fréquence de commande de la phase, et à rapport cyclique pouvant varier de 0 à 100% afin de permettre une variation de la puissance du moteur, - et pour l'un des deux niveaux logiques du signal (PWM), à établir des actions de magnétisation et de déma- gnétisation pendant lesquelles, respectivement, la ten- sion d'alimentation (U) et l'inverse de la tension d'ali- mentation (-U) sont appliqués sur la phase (P1-3), et pour l'autre niveau logique du signal (PWM), à établir des actions de roue libre pendant lesquelles une tension nulle est appliquée sur la phase (P1-3), le rapport cy- clique du signal logique modulé en largeur (PWM) étant sensiblement constant lors des actions de magnétisation / roue libre et de démagnétisation / roue libre. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est appliqué à un moteur à réluc- tance variable (12). 3. Circuit pour commander un moteur électrique po- lyphasé à commutation électronique (12), pour la mise en euvre du procédé selon la revendication 1 ou 2, compor- tant des moyens (Tlh, Tlb, T2h, T2b, T3h, T3b) pour ma- gnétiser et pour démagnétiser successivement chaque phase (P1-3) du moteur à partir d'une source de tension d'ali- mentation (U), et des moyens (20) pour commander lesdits moyens de magnétisation et de démagnétisation, comprenant des moyens de séquencement (22) des phases à commander, adaptés à générer successivement pour chaque phase (P1-3) un signal logique dit de séquencement (Sql-3) comportant des ordres de magnétisation (ON) et de démagnétisation (OFF), caractérisé en ce que les moyens de commande (20) compor- tent également: - des moyens (26) pour générer un signal logique modulé en largeur (PWM), à deux niveaux logiques, de fré- quence supérieure à la fréquence du signal de séquence- ment (Sql-3), et à rapport cyclique pouvant varier de 0 à 100 %, - et un circuit logique (CL1-3) associé à chaque phase (Pl-3), recevant le signal de séquencement (Sql-3) et le signal modulé en largeur (PWM), et adapté à comman- der les moyens de magnétisation et de démagnétisation pour, d'une part, lors de l'apparition de l'un des ni- veaux logiques du signal modulé en largeur (PWM), placer successivement en magnétisation et en démagnétisation chaque phase selon les ordres (ON; OFF) du signal de sé- quencement (Sql-3) par application successive, respecti- vement, de la tension d'alimentation (U) et de l'inverse de cette tension (-U) sur les phases (Pl-3), et d'autre part, lors de l'apparition de l'autre niveau logique du signal modulé en largeur (PWM), placer successivement en roue libre chaque phase par application successive d'une tension nulle sur ces phases (P1-3), le rapport cyclique du signal modulé en largeur (PWM) étant sensiblement constant lorsque chaque phase (P1-3) est placée successi- vement en magnétisation / roue libre et en démagnétisa- tion / roue libre. 4. Circuit selon la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens de génération (26) du signal modulé en largeur (PWM) sont commandés par des moyens (28) permettant de limiter la vitesse maximale de rotation du moteur (12) suivant une loi de variation du rapport cyclique du signal modulé en largeur en fonction de la vitesse de rotation du moteur. 5. Circuit selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce qu'il constitue un circuit de commande d'un moteur électrique à réluctance variable (12) et com- prend, au titre des moyens de magnétisation et de déma- gnétisation, des demi-ponts asymétriques (DP1-3) pour alimenter chaque phase (P1-3) du moteur (12). 6.Utilisation du circuit tel que défini selon l'une des revendications 3 à 5, pour la motorisation d'un aspirateur ménager.