Brevet FR2832873A1 — publié le 20030530

UNITE DE COMMANDE DE MOTEUR TRIPHASE AVEC UNE FONCTION DE PROTECTION CONTRE LES SURINTENSITES L'invention concerne de façon générale une unité de commande de moteur à courant alternatif triphasé, et plus particulièrement un circuit de protection contre les surintensités dans une telle unité de commande de moteur. Pour éviter un échauffement excessif d'un moteur et/ou de son unité de commande sous l'effet d'un courant excessif, on prend des mesures de protection dans des systèmes de moteurs. La limitation de courant des enroulements de moteurs est habituellement réalisée en limitant les courants des enroulements de moteur si une grandeur de référence dépasse une valeur de seuil. En ce qui concerne la grandeur de référence, on utilise la moyenne du courant du moteur à titre de paramètre qui est étroitement corrélé à l'importance de l'échauffement ; une température interne en fonction d'une dissipation de puissance donnée par la différence entre la puissance de sortie et la puissance d'entrée qui est estimée à partir de la tension, du courant et de la vitesse de rotation ; et une température interne en fonction d'une dissipation de puissance estimée à partir du carré de la valeur de courant et de la résistance des enroulements. Dans une telle limitation de courant, il est essentiel de détecter de façon précise les courants du moteur. Dans ce but, il est nécessaire d'effectuer un grand nombre de calculs à une vitesse élevée en échantillonnant les courants du moteur à courant alternatif. Par exemple, dans un moteur triphasé sans balai à 16 pôles (ou un moteur à courant continu sans balai) tournant à une vitesse de rotation de 2000 t/min, chacun des trois courants de phase iu, iv et iw a une forme d'onde alternative ayant une période de 3,75 ms. Si 12 points doivent être échantillonnés dans chaque période, il est alors nécessaire d'exécuter toutes les 0,1 ms un traitement de données incluant une conversion analogique-numérique. Ceci exige des ressources de traitement de données rapides. On a besoin d'une unité de commande de moteur à courant alternatif triphasé capable d'assurer une bonne protection du moteur contre un échauffement excessif ou une surintensité, tout en réduisant la charge imposée à des ressources de traitement de données. Conformément à la présente invention, le problème ci-dessus est résolu par une unité de commande de moteur capable de protéger un moteur à courant alternatif triphasé avec une moindre quantité de calculs. L'unité de commande de moteur à courant alternatif triphasé mesure des courants d'attaque circulant dans trois enroulements d'un moteur ; elle effectue une conversion de 3 phases à 2 phases des courants d'attaque, pour donner un courant d'axe q et un courant d'axe d ; et elle génère des signaux en modulation d'impulsions en largeur triphasés, sur la base du courant d'axe q, du courant d'axe d et d'une valeur de consigne déterminée par un ordre de couple introduit à partir de l'extérieur, d'une manière bien connue. L'unité de commande de moteur à courant alternatif triphasé comporte une section de protection pour protéger l'unité de commande de moteur à courant alternatif triphasé et/ou le moteur sur la base d'une quantité de pertes cuivre calculée d'après, au plus, le courant d'axe q et le courant d'axe d. La section de protection est de préférence configurée de façon à limiter la valeur de consigne à une valeur limite prédéterminée enregistrée en mémoire non volatile, si la quantité de pertes cuivre est supérieure à un seuil prédéterminé. Dans un mode de réalisation préféré, la valeur limite prédéterminée est une valeur maximale admissible pour la quantité de pertes cuivre. La quantité de pertes cuivre peut être calculée à partir de l'un seulement du courant d'axe q et du courant d'axe d. Au moment de la limitation de la valeur de consigne, la section de protection peut émettre un signal d'alarme. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre de modes de réalisation, donnés à titre d'exemples non limitatifs. La suite de la description se réfère au dessins annexés, dans lesquels : La figure 1 est un schéma synoptique montrant une configura- tion d'un système de moteur triphasé sans balai conforme à l'invention ; La figure 2 est un schéma montrant une partie de circuit du moteur 1 et du circuit d'attaque de moteur 31 de la figure 1 ; La figure 3 est un organigramme montrant un exemple d'opération que la section de protection de moteur 63 effectue pour limiter les courants du moteur conformément à un exemple de réalisation de l'invention ; et La figure 4 est une représentation graphique montrant une relation entre la température calculée T et une valeur maximale admissible correspondante du courant d'axe x, iq. Lorsque les mêmes éléments sont représentés dans plus d'une figure, ils sont désignés par les mêmes numéros de référence dans tous les dessins. La figure 1 est un schéma synoptique montrant une configuration d'un système de moteur triphasé sans balai conforme à l'invention. Sur la figure 1, le système de moteur triphasé sans balai comprend un moteur triphasé sans balai 1 incluant un rotor non représenté ; un capteur de position de rotor 2 ; une unité de commande de moteur triphasé sans balai, 3, pour commander le moteur 1 ; et des capteurs de courant 4 et 5 pour mesurer deux des trois courants d'enroulements du moteur. L'unité de commande 3 comprend un circuit d'attaque de moteur 31, un convertisseur de signal en modulation d'impulsions en largeur (PWM) 32, un convertisseur de 2 phases à 3 phases (conv. 2 phases à 3 phases) 33, un convertisseur de 3 phases à 2 phases (conv. 3 phases à 2 phases) 34, deux régulateurs à action proportionnelle 1 intégrale (régul. Pl) 35 et 36, des soustracteurs 37 et 38, un convertisseur de couple en courant 39, un convertisseur angulaire 61, un convertisseur de courant de phase 62 et une section de protection de moteur 63. Les éléments autres que la section de protection de moteur 63 sont les mêmes que ceux d'un système de moteur triphasé sans balai classique. L'unité de commande 3 est de préférence réalisée en utilisant une UC (unité centrale de traitement) ou un microprocesseur (non représenté) avec des convertisseurs analogique-numérique incorporés, mais peut être constituée seulement de circuits discrets et/ou de circuits intégrés spécialisés. Par exemple, le convertisseur de couple en courant 39 et la section de protection de mo- teur 63 sont de préférence réalisés sous la forme d'un logiciel enregistré dans une mémoire morte (ROM) non représentée, et exécuté par l'unité centrale non représentée. La figure 2 est un schéma montrant une partie de circuit du moteur 1 et du circuit d'attaque de moteur 31 de la figure 1. Sur la figure 2, le moteur 1 comprend des enroulements de phase U 11, de phase V 12 et de phase W 13. Le circuit d'attaque de moteur 31 est un circuit onduleur triphasé qui comprend trois branches de pont pour les trois phases. Une branche de pont de phase U comprend des éléments de commutation de puissance supérieur 311 et inférieur 312, et le noeud entre eux est connecté à l'enroulement U 11 ; une branche de pont de phase V comprend des éléments de commutation de puissance supérieur 313 et inférieur 314, et le noeud entre eux est connecté à l'enroulement V 12 ; et une branche de pont de phase W comprend des éléments de commutation de puissance supérieur 315 et inférieur 316, et le noeud entre eux est connecté à l'enroulement W 13. Chacun des éléments de commutation de puissance 311 à 316 comprend un transistor à effet de champ MOS (métal-oxyde-semiconducteur) de puissance et une diode de roue libre (D) connectée de manière anti-parallèle avec le transistor à effet de champ. L'extrémité du côté de l'élément de commutation de puissance supérieur et l'extrémité du côté de l'élément de commutation de puissance inférieur de chaque branche de pont sont respectivement connectées à la ligne positive LH et la ligne négative LL. Une tension de batterie est appliquée aux lignes positive LH et négative LL à travers un circuit de lissage non représenté. Le convertisseur de courants de phase 62 calcule des courants triphasés numériques lu, Iv et Iw à partir de signaux de phase analogques iu et iv détectés par les capteurs de courant 4 et 5, et il les fournit au convertisseur de 3 phases à 2 phases, 34. Le signal analogique de position de rotor qui est émis par le capteur de position de rotor 2 est converti par le convertisseur angulaire 61 en un signal angulaire numérique 0 qui est appliqué au convertisseur de 2 phases à 3 phases 33 et au convertisseur de 3 phases à 2 phases 34. L'unité de commande de moteur 3 commande par modulation d'impulsions en largeur (ou PWM) le moteur triphasé sans balai 1, sur la base des courants triphasés lu, Iv et Iw, du signal numérique de position de rotor 0 et de l'ordre de couple introduit à partir de l'extérieur. Le convertisseur de 3 phases à 2 phases 34 convertit les courants triphasés lu, Iv et Iw en un courant d'axe q moyen miq et un courant d'axe d moyen mid sur la base du signal angulaire 0 émis par le convertisseur angulaire 61. Le convertisseur de couple en courant 39 convertit l'ordre de couple fourni à partir de l'extérieur en un courant d'axe q de consigne iq. Le soustracteur 38 calcule la différence Aiq entre le courant d'axe q de consigne iq et le courant d'axe q moyen miq. La différence Aiq est soumise à une conversion proportionnelle/intégrale par le régulateur à action proportionnelle/intégrale (régal. Pl) 36 et elle est émise vers le convertisseur de 2 phases à 3 phases 33. Le soustracteur 37 calcule la différence Aid entre le courant d'axe d de consigne id et le courant d'axe d moyen mid. La différence Aid est soumise à une conversion proportion- nelle/intégrale par le régulateur à action proportionnelle/intégrale (régul. Pl) 35 et est émise vers le convertisseur de 2 phases à 3 phases 33. Le convertisseur de 2 phases à 3 phases 33 applique une conversion de 2 phases à 3 phases à une version de Aiq ayant subi une conversion pro- portionnellelintégrale et à une version de Aid ayant subi une conversion proportionnelle/intégrale, pour donner des tensions triphasées de consigne Vu, Vv et Vw, qui sont appliqués au convertisseur de signaux en mo- dulation d'impulsions en largeur (PWM) 32 qui génère à son tour des signaux PWM portant les désignations PWMU, PWMV et PWMW avec des rapports cycliques d'impulsions respectifs qui correspondent respective- ment aux tensions triphasées de consigne Vu, Vv et Vw. Les signaux PWM sont appliqués aux bornes de grille des éléments de commutation de puissance 311 à 316 du circuit d'attaque de moteur 311, qui fournit des tensions alternatives triphasées VU, VV et VW aux enroulements respectifs de phase U 11, de phase V 12, et de phase W 13, du moteur triphasé sans balai 1. Chacun des signaux PWM PWMU, PWMV et PWMW comprend une paire de signaux PWM dont les signes sont mutuellement opposés, c'est-à-dire des signaux (ou tensions de grille) PWMU supérieur et infé- rieure, des signaux PWMV supérieur et inférieur et des signaux PWMW supérieur et inférieur. Les signaux PWMU supérieur et inférieur sont diri- gés vers la grille de l'élément de commutation supérieur 311 et la grille de l'élément de commutation inférieur 312 de la phase U, les signaux PWMV supérieur et inférieur sont dirigés vers la grille de l'élément de commutation supérieur 313 et la grille de l'élément de commutation inférieur 314 de la phase V, et les signaux PWMW supérieur et inférieur sont dirigés vers la grille de l'élément de commutation supérieur 315 et la grille de l'élément de commutation inférieur 316 de la phase W, respectivement. Le procédé d'attaque de moteur triphasé sans balai commandé par modulation d'impulsions en largeur décrit ci-dessus, lui-même, et diverses autres variante sont bien connus et on ne donnera donc pas de description plus détaillée. Comme décrit ci-dessus, la section de protection de moteur 63 est de préférence réalisée sous la forme d'une combinaison de l'unité centrale, non représentée, et du logiciel. En se référant à la figure 3, on décrira dans ce qui suit le fonctionnement de la section de protection de moteur 63, qui est une caractéristique de l'invention. Sur la figure 3, une étape 100 lit la valeur du courant d'axe q, iq. Une étape 102 détermine une valeur présente de la quantité de chaleur produite par les enroulements de moteur 11,12 et 13 en multipliant le carré de la valeur lue du courant d'axe q, iq, par la valeur de résistance r des enroulements 11,12 et 13 du moteur 1, qui est enregistrée dans la mémoire morte non représentée. Une étape 104 calcule une température estimée T des enroulements en introduisant dans une expression de calcul, enregistrée dans la mémoire morte non représentée, des valeurs d'échauffement passées enregistrées dans la mémoire morte non représentée, et elle additionne les données de température calculées T aux valeurs d'échauffement passées enregistrées, pour une utilisation ultérieure. Une étape de décision 106 effectue un test pour voir si la température calculée T dépasse un seuil prédéterminé Tth enregistré dans la mémoire morte non représentée. Dans la négative, on détermine alors que le moteur 1 n'est pas dans un état de surchauffe et la commande retourne à l'étape 100. Si la température calculée T dépasse un seuil prédéterminé Tth à l'étape 106, alors sur la base de la détermination du fait que le moteur 1 est dans un état de surchauffe, une étape 108 trouve le courant d'axe q maximal admissible, iqmax, soit dans une table d'iqmax obtenue à partir d'un graphe représenté sur la figure 4 et enregistré dans la mémoire morte non représentée, soit à partir d'une fonction qui définit le graphe de la figure 4 et est enregistrée dans la mémoire morte non représentée. La figure 4 montre une relation entre la température calculée T et une valeur maximale admissible correspondante du courant d'axe q, iq. Sur la figure 4, l'abscisse indique la différence AT obtenue en soustrayant la valeur de seuil Tth de la température calculée T, c'est-à-dire AT = T-Tth, et l'ordonnée indique la valeur maximale admissible iqmax. Plus la température T des enroulements dépasse la valeur de seuil Tth, plus la valeur maximale admissible iqmax diminue rapidement. Une étape de décision 110 effectue un test pour voir si le courant d'axe q iq au moment présent est supérieur au courant d'axe q maximal admissible iqmax. Dans l'affirmative, une étape 112 limite le courant d'axe q iq à une valeur égale ou inférieure au courant d'axe q maximal admissible iqmax. Dans ce cas, l'étape 112 peut générer un signal d'alarme sous la forme d'une lumière, d'un son, d'une visualisation de message, etc., ou d'une combinaison quelconque de ceux-ci. Dans le cas contraire, la commande retourne à l'étape 100. De cette manière, le volume de calculs de données peut être fortement réduit dans la commande de protection d'un moteur triphasé sans balai (1 dans cet exemple spécifique) et/ou d'un onduleur triphasé (31 dans cet exemple spécifique). L'invention permet donc une amélioration de la sécurité d'un système de moteur tout en parvenant à une simplification et une réduction de coût de l'unité de commande de moteur (3 dans cet exemple spécifique) d'un système de moteur. Dans le mode de réalisation décrit ci-dessus, on a considéré que le produit du carré du courant d'axe q iq et de la résistance r enregistrée des enroulements du moteur était égal aux pertes cuivre ou ohmiques. On peut cependant calculer les pertes cuivre en multipliant la résistance des enroulements r par la racine carrée de la somme du courant d'axe q iq et du carré du courant d'axe d id. Ceci donne une valeur plus précise des pertes cuivre, au prix d'une augmentation de la charge de calcul. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être ap- portées au dispositif et au procédé décrits et représentés, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Unité de commande de moteur à courant alternatif triphasé, caractérisée en ce qu'elle comprend : des moyens (4,5) pour mesurer des courants d'attaque circulant dans trois enroulements (11,12, 13) d'un moteur (1) ; des moyens (34) pour effectuer une conversion de 3 phases à 2 phases des courants d'attaque, pour donner un courant d'axe q (iq) et un courant d'axe d (id) ; des moyens (32) pour générer des signaux triphasés en modulation d'impulsions en largeur sur la base du courant d'axe q, du courant d'axe d et d'une valeur déterminée par un ordre de couple introduit à partir de l'extérieur ; et des moyens de protection (63) pour protéger l'unité de commande (3) de moteur à courant alternatif triphasé et/ou le moteur (1) sur la base d'une quantité de pertes cuivre calculée d'après, au plus, le courant d'axe q et le courant d'axe d. 2. Unité de commande de moteur à courant alternatif triphasé selon la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens de protection (63) comprennent des moyens (112) pour limiter ladite valeur à une valeur limite prédéterminée enregistrée dans une mémoire non volatile en réponse à des déterminations du fait que la quantité de pertes cuivre est supérieure à un seuil prédéterminé. 3. Unité de commande de moteur à courant alternatif triphasé selon la revendication 2, caractérisée en ce que la valeur limite prédéterminée est une valeur maximale admissible pour la quantité de pertes cuivre. 4. Unité de commande de moteur à courant alternatif triphasé selon la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens de protection (63) comprennent des moyens (102) pour calculer la quantité de pertes cuivre à partir d'un seul du courant d'axe q et du courant d'axe d. 5. Unité de commande de moteur à courant alternatif triphasé selon la revendication 2, caractérisée en ce que les moyens (112) pour limiter ladite valeur comprennent des moyens pour émettre un signal d'alarme.