Brevet FR2825850A1 — publié le 20021213

La présente invention concerne un procédé de commande d'un moteur électrique à courant alternatif ayant p paires de pôles, alimenté en courant sinusoïdal, dans lequel la tension à appliquer au moteur est calculée en fonction du couple souhaité (reg) et de l'angle @ du rotor mesuré au début du calcul. Les systèmes de direction assistée pour véhicules font le plus souvent appel à des moteurs électriques, qu'ils soient directement reliés à la colonne ou à la crémaillère de direction (direction assistée électrique de type EPAS) ou qu'ils agissent sur la colonne ou la crémaillère par l'intermédiaire d'un système hydraulique (direction assistée électrohydraulique de type EHPS) Il est important que le système de direction assistée ne génère pas de variations de couple, car celles-ci sont ressenties par le conducteur. Cette gêne est particulièrement ressentie à faible vitesse, par exemple dans les manoeuvres de parking ou en roulant à faible allure. D'autre part, en cas d'urgence, par exemple lorsqu'un coup de volant doit être donné, il est indispensable que le moteur électrique fournisse la puissance d'assistance nécessaire pour assister le conducteur, le confort du conducteur étant alors négligé. Dans certains cas, on fait appel à des moteurs à courant continu sans balais avec une force contre-électromotrice trapézoïdale. Ce type de moteur est facile à contrôler mais il produit souvent des variations de couple plus importantes que les moteurs à courant alternatif. De plus, ils n'offrent pas la possibilité de commande par défluxage. Une autre solution consiste à utiliser des moteurs à courant alternatif, tels que les moteurs synchrones ou asynchrones. Afin d'assurer un contrôle dynamique du couple moteur, ces moteurs doivent être commandés par une stratégie de commande par flux orienté. Pour être performante dans un grand domaine de vitesse, cette stratégie nécessite d'importantes ressources en microcontrôleur ou un processeur à virgule flottante, ce qui les rend relativement chers. Ils ne peuvent pas être mis en oeuvre pour les grandes séries en raison de leur coût. Pour contourner ce problème, il serait souhaitable d'utiliser des microprocesseurs bon marché, mais ces microprocesseurs ont une faible puissance de calcul, ce qui se traduit par une cadence d'échantillonnage faible et un temps de calcul important Dans ce cas, la tension appliquée n'est pas vraiment sinusoïdale et elle présente des harmoniques. Lorsque le moteur électrique tourne à faible allure, ces déviations par rapport à la courbe sinusoïdale idéale sont faibles et le couple moteur fourni est pratiquement constant. Par contre, lorsque le moteur électrique tourne plus vite, par exemple en situation d'urgence, la fréquence du courant augmente, mais pas la cadence d'échantillonnage et le temps de calcul reste constant. Par conséquent, la tension appliquée est déphasée par rapport à l'avancement pris par le rotor pendant le temps nécessaire aux acquisitions (consignes, position et vitesse du rotor, etc. ) au début du calcul et au calcul lui-même (regroupés dans la suite de la description sous le terme temps de calcul) et le contrôle devient instable de sorte qu'il n'arrive plus à réguler le couple. L'objectif de l'invention est donc de développer un procédé de commande de moteur électrique à courant alternatif qui permette d'utiliser des microprocesseurs bon marché à faible cadence d'échantillonnage. Cet objectif est atteint par le procédé selon lequel le temps de calcul (Te) nécessaire au dispositif de commande pour calculer la tension à appliquer au moteur afin d'obtenir le couple souhaité (trug) est pris en compte dans ledit calcul En tenant compte du temps de calcul, il est possible d'appliquer la tension souhaitée même en cas de vitesse de rotation importante du moteur. Le moteur est donc en mesure de fournir le couple d'assistance requis même en cas d'urgence et les phénomènes d'instabilité observés avec les procédés traditionnels de commande ne se produisent pas Pour tenir compte du temps de calcul du microprocesseur, la vitesse angulaire du rotor (D) est mesurée, l'angle de déphasage (D'poTe) du rotor entre le début et la fin du calcul est calculé et la tension à appliquer est calculée pour l'angle @ + Qp Tc. L'invention concerne également un dispositif de mise en oeuvre du procédé et des systèmes de direction assistée mettant en oeuvre ce procédé, notamment des directions assistées électriques de type EPAS et des directions assistées électro-hydrauliques de type EHPS. Bien que le procédé puisse s'appliquer à la commande de moteurs asynchrones, il est préférable d'utiliser des moteurs synchrones à aimants permanents. En effet, ces moteurs sont plus petits et ont un meilleur rendement. Ils contribuent donc à économiser le carburant. Il est conforme à l'invention que le microprocesseur commandant le moteur électrique ait une faible cadence d'échantillonnage, de préférence de l'ordre de 0,5 à1 ms. L'invention sera présentée ci-dessous à l'aide des figures suivantes : Figure 1 : Exemple de schéma de contrôle Figure 2 : représentation schématique du déphasage entre le début et la fin du calcul. La commande du moteur se fait de façon classique par une stratégie de commande par flux orienté, connu également sous le nom de commande vectorielle. Les deux courants I, q et Id sont obtenus en transformant les courants du moteur dans un système de coordonnées défini par l'angle 0 du rotor. Cette transformation de coordonnées conduit à une orientation du flux du moteur sur l'axe d du système de coordonnées du flux d-q. Le couple moteur s'exprime alors de la façon suivante : p étant le nombre de paires de pôles du moteur et OR le flux du rotor. Les courants de référence Isqref et Isdref sont calculés en fonction du couple d'assistance souhaité Treji de la vitesse du moteur Q et de la tension de la batterie Vba,. Le défluxage indirect basé sur la vitesse Q est obtenu en introduisant un composant de courant (Isdref) sur l'axe d. La zone de défluxage, et par conséquent la vitesse maximale à laquelle le couple d'assistance peut être produit dépend de la tension de la batterie, celleci allant généralement de 9 à 16 V. Les deux composantes de courant Isq et Isd sont régulées par des régulateurs Pl. Le découplage entre les courants statoriques et les tensions statoriques est réalisé par compensation des signaux de force électromotrice FEMd et FEMq. La transformation des composants de tension à flux orienté Vrefq et Vrefd en courant triphasé de stator est réalisée pour l'angle de rotor corrigé ev et non pas l'angle 0 du rotor obtenu au début du calcul. En effet, dans les microprocesseurs bon marché, le temps de calcul représente environ 30 % de la charge du microprocesseur, soit environ 0,3 ms pour les microprocesseurs à cadence d'échantillonnage de 1 ms. Ce temps de calcul important se traduit par un déphasage entre la position du rotor au début du calcul (@) et sa position à la fin du calcul (ev). Ce décalage peut être négligé tant que la vitesse de rotation du moteur est faible. Par contre, lorsque le moteur tourne plus rapidement, ce déphasage devient important et le contrôle devient instable de sorte qu'il n'arrive plus à réguler et que le couple moteur souhaité n'est pas fourni. On rappelle que pour un moteur synchrone comportant p paires de pôles, une relation fixe lie la vitesse de rotation du moteur à la fréquence des signaux électriques de commande. On utilisera donc dans la suite de la description les termes de degrés (0) mécaniques pour noter un angle parcouru physiquement par le rotor du moteur et de degrés (") électriques pour un angle de phase relatif aux signaux électriques de commande, comme par exemple l'angle du vecteur tension qui sera détaillé avec la figure 2. En l'occurence, pour un moteur ayant deux paires de pôles, une rotation d'un degré mécanique du rotor correspond à une rotation de deux degrés électriques. Dans la suite de la description, sauf mention contraire, les angles cités correspondront à des degrés électriques. En prenant l'exemple d'un moteur à quatre pôles tournant à 3 000 tours 1 minute, la fréquence du courant statorique est de 100 Hz. Par conséquent, le rotor aura tourné de 5,4 0 mécaniques le temps que le microprocesseur calcule la tension à appliquer pour obtenir le couple souhaité. Il faut donc corriger la tension de 10, 8"électriques pour tenir compte de la rotation du rotor. Ce principe est représenté à la figure 2. Dans la pratique, on connaît le temps de calcul Tc du microprocesseur employé. On mesure de façon traditionnelle la vitesse de rotation du moteur Q et l'angle @ du rotor au début du calcul. Le déphasage électrique Lie correspondant à l'avancement du rotor entre le début et la fin du calcul est calculé selon la formule suivante : Li e = Q'poTe [2] et l'angle du rotor ev à la fin du calcul est donc le suivant : La tension à appliquer au moteur est alors calculée non pas pour e mais pour ev. Cette stratégie de commande tenant compte du temps de calcul permet d'utiliser des moteurs à courant alternatif avec des microprocesseurs de faible puissance de calcul. La cadence d'échantillonnage de ces microprocesseurs est suffisante pour obtenir un couple pratiquement constant pour les utilisations normales à faible vitesse du moteur électrique, telles que les manoeuvres de stationnement ou la direction en roulant. En corrigeant l'angle dans la transformation de Park pour le calcul des tensions à appliquer, il est possible d'utiliser cette commande même pour des vitesses de rotation importantes, ce qui permet d'assurer un couple efficace même en cas d'urgence (par exemple coup de volant ). Dans ces situations d'urgence, le couple n'est plus constant en raison de l'augmentation de la fréquence du courant, mais s'agissant d'une situation d'urgence provisoire, le confort de la conduite peut être négligé au profit de la sécurité, c'est à dire de l'efficacité de l'assistance apportée au conducteur. Ce procédé permet d'utiliser des processeurs bon marché tout en fournissant un bon confort de conduite au moins pour les conditions normales d'utilisation (manoeuvre en parking et direction en roulant). L'utilisation de moteurs synchrones à aimants permanents, plus compacts et de meilleur rendement que les moteurs asynchrones, permet de surcroît une économie supplémentaire de carburant. Par ailleurs, la mise en oeuvre du procédé ne nécessite pas de ressources électroniques supplémentaires. Bien que l'exemple cité présente l'utilisation du procédé pour un système de direction assistée, ce procédé et son dispositif de mise en oeuvre peuvent être utilisés pour d'autres applications qui nécessitent une mise en oeuvre économique et dans lesquelles la variation de couple à grande vitesse ne joue pas un rôle prépondérant. REVENDICATIONS 1. Procédé de commande d'un moteur électrique à courant alternatif ayant p paires de pôles, alimenté en courant sinusoïdal, dans lequel la tension à appliquer au moteur est calculée en fonction du couple souhaité (Trer) et de l'angle 0 du rotor mesuré au début du calcul caractérisé en ce que le temps de calcul (Tc) nécessaire au dispositif de commande pour calculer la tension à appliquer au moteur afin d'obtenir le couple souhaité (Trer) est pris en compte dans ledit calcul. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la vitesse angulaire du rotor (Q) est mesurée, l'angle de déphasage électrique (Qp TC) du rotor entre le début et la fin du calcul est calculé et la tension à appliquer est calculée pour l'angle @ + Qp Tc 3. Dispositif de mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour calculer l'angle de déphasage 4. Système de direction assistée adapté à la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, comprenant au moins un moteur électrique à courant alternatif, des moyens de mesure de la position et de la vitesse angulaire du rotor dudit moteur, et un dispositif de commande adapté à calculer une tension à appliquer au moteur en fonction du couple souhaité (trug) et de l'angle e du rotor, caractérisé en ce que ledit dispositif de commande est programmé pour prendre en compte son temps de calcul (Te) dans le calcul de ladite tension. 5. Système de direction assistée selon la revendication 4, caractérisé en ce que le moteur électrique à courant alternatif est un moteur synchrone à aimants permanents. 6 Système de direction assistée selon la revendication 4, caractérisé en ce que le moteur électrique agit directement sur la colonne de direction (direction assistée électrique). 7. Système de direction assistée selon la revendication 4, caractérisé en ce que le moteur électrique agit sur la colonne de direction par l'intermédiaire d'un système hydraulique (direction assistée électro-hydraulique). 8. Système de direction assistée selon la revendication 4, caractérisé en ce que le microprocesseur commandant le moteur électrique a une faible cadence d'échantillonnage. 9. Système de direction assistée selon la revendication 8, caractérisé en ce que la cadence d'échantillonnage est de l'ordre de 1 ms.