Brevet FR2832872A1 — publié le 20030530

UNITE DE COMMANDE DE MOTEUR TRIPHASE SANS BALAI AVEC POSSIBILITE DE COMPENSATION DYNAMIQUE DU COURANT MESURE La présente invention concerne de façon générale une unité de commande moteur triphasé sans balai et, plus particulièrement, une technique pour compenser un écart de point zéro dans la détection de courants d'enroulements dans une telle unité de commande de moteur. Dans le fonctionnement d'un moteur triphasé sans balai utilisé dans un véhicule à moteur, le point zéro d'un système de détection de courants d'enroulements tend à s'écarter de la position correcte à cause d'une grande variation de température du moteur lui-même pendant le fonctionnement, d'une variation de la température ambiante du fait de la saison, et d'un changement à long terme des caractéristiques du moteur. Un tel écart du point zéro occasionnera un état indésirable pour le fonctionnement du moteur. La publication de demande de brevet du Japon n 3-186477 (1991) décrit une technique pour effectuer une compensation par décalage d'une valeur de détection de courants d'enroulements en maintenant temporairement à zéro l'état des signaux de sortie en modulation d'impulsions en largeur (ou PWM pour "Pulse Width Modulation"), au moment du début du fonctionnement. Cependant, la technique de compensation par décalage a l'inconvénient d'être incapable de compenser un écart de point zéro dû à la variation de la température pendant le fonctionnement. Par conséquent, on a besoin d'une unité de commande de moteur triphasé sans balai capable de compenser l'écart de point zéro d'un système de détection de courants d'enroulements d'un moteur triphasé sans balai. Selon un aspect de la présente invention, celle-ci procure une unité de commande de moteur pour commander un moteur triphasé sans balai sur la base d'une modulation d'impulsions en largeur. L'unité de commande de moteur comprend un onduleur triphasé qui comporte trois branches de pont pour fournir des courants triphasés au moteur par les trois branches de pont. Chacune des branches de pont contient une résistance pour mesurer l'un des courants triphasés circulant dans la branche de pont. L'unité de commande de moteur décide si les courants triphasé se sont dissipés ; elle mesure chacun des courants triphasés en utilisant la résistance en réponse à un résultat affirmatif de la décision ; elle calcule, pour les trois phases, des valeurs de décalage respectives à partir de valeurs de courant mesurées fournies par les moyens de mesure ; et elle compense les courants triphasés mesurés avec les valeurs de décalage respectives. Chacune des trois branches de pont peut comprendre un élément de commutation supérieur et un élément de commutation inférieur connectés en série. La section de décision comprend des moyens pour décider si un état dans lequel tous les éléments de commutation supérieurs ou tous les éléments de commutation inférieurs sont bloqués, dure pendant une durée prédéterminée. Selon une variante, la section de décision comprend des moyens pour décider si un état dans lequel des rapports cycliques des courants triphasés sont tous égaux à 50%, dure pendant une durée prédéterminée. Selon un autre aspect de la présente invention, celle-ci procure un système de moteur comprenant un moteur triphasé sans balai et l'unité de commande de moteur décrite ci-dessus. 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 structure 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 dispositif d'attaque de moteur 31 de la figure 1 ; La figure 3 est un diagramme temporel montrant des exemples de formes d'onde relatives à des conditions temporelles de commande PWM, Vu, Vv et Vw, calculées par le convertisseur de 2 phases à 3 phases de la figure 1 pendant une période de modulation PWM ; La figure 4 est un diagramme temporel montrant un exemple de formes d'onde de tensions de commande supérieure et inférieure générées par le convertisseur de signal PWM 32 pour chacune des conditions temporelles de commande PWM Vu, Vv et Vw pendant une période de modulation PWM ; La figure 5 est un organigramme montrant un exemple d'opération de calcul de décalage 99 exécutée dans la partie de compensation par décalage 4 conformément à un mode de réalisation illustratif de l'invention ; La figure 6 est un organigramme montrant un exemple d'opération exécutée dans chacun des blocs 106,108 et 110 de la figure 5 ; et La figure 7 est un organigramme montrant un exemple d'opération de compensation 299 exécutée après l'opération de calcul de décalage 99 dans la partie de compensation par décalage 4, conformément au mode de réalisation illustratif de l'invention. Dans tous les dessins, lorsque les mêmes éléments sont représentés dans plus d'une figure, ils sont désignés par les mêmes numéros de référence. La figure 1 est un schéma synoptique montrant une structure 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 angulaire ou de position de rotor 2 ; et une unité de commande de moteur triphasé sans balai 3 pour commander le moteur 1. 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/intégrale (régul. Pl) 35 et 36, des soustracteurs 37 et 38, un convertisseur de couple en courant 39 et une section de compensation de décalage 4 pour compenser un écart de point zéro de chacun des courants d'enroulements circulant à travers les trois enroulements du moteur 1. Les éléments autres que la section de compensation par décalage 4 sont les mêmes que ceux d'un système de moteur triphasé sans balai classique. Bien que le circuit d'attaque de moteur 31 soit réalisé par matériel, la partie restante de l'unité de commande de moteur 3 peut être réalisée sous la forme d'une combinaison d'un circuit basé sur un microprocesseur et de logiciel. Par conséquent, la partie autre que le circuit d'attaque de moteur 31 de l'unité de commande de moteur 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 elle peut être constituée seulement de circuits discrets et/ou de circuits intégrés spécialisés. 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 un élément de commutation de puissance supérieur 311, un élément de commutation de puissance inférieur 312 et une résistance de mesure de courant d'enroulement 317 connectés en série, et le noeud entre les éléments de commutation de puissance 311 et 312 est connecté à l'enroulement U 11. Une branche de pont de phase V comprend un élément de commutation de puissance supérieur 313, un élément de puissance inférieur 314 et une résistance de mesure de courant d'enroulement 318 connectés en série, et le noeud entre les éléments de commutation de puissance 313 et 314 est connecté à l'enroulement V 12. Une branche de pont de phase W comprend un élément de commutation de puissance supérieur 315, un élément de puissance inférieur 316 et une résistance de mesure de courant d'enroulement 319 connectés en série, et le noeud entre les éléments de commutation de puissance 315 et 316 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 des diodes de roue libre (D) connectées de manière anti-parallèle sur le transistor à effet de champ. L'extrémité de chaque branche de pont du côté de l'élément de commutation supérieur est connectée à une ligne positive LH d'une source d'énergie à batterie, non représenté, et la résistance de chaque branche de pont est connectée à une ligne négative LL de la source d'énergie à batterie non représentée, qui fournit une tension de batterie par l'intermédiaire d'un circuit de lissage non représenté, et des lignes positive LH et négative LL. L'unité de commande de moteur 3 effectue la commande en modulation d'impulsions en largeur, ou PWM, du moteur triphasé sans balai 1 sur la base des courants triphasés lu, Iv et Iw qui sont détectés par l'intermédiaire des résistances de mesure de courants d'enroulements 317 à 319, d'un signal de position de rotor émis par le capteur angulaire 2 et de l'ordre de couple introduit à partir de l'extérieur. La section de compensation par décalage 4 compense les courants d'enroulements lu, Iv et Iw proportionnels aux chutes de tension DVu, DVv et DVw aux bornes des résistances de mesure 317 à 319 avec des décalages respectifs (envisagés en détail ultérieurement), et elle fournit en sortie des valeurs de courant avec compensation par décalage, IU, IV et IW. Le convertisseur de 3 phases à 2 phases 34 convertit les courants triphasés compensés IU, 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 émis par le capteur angulaire 2. 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 fait l'objet d'une conversion proportionnelle/intégrale (Pl) par le régulateur à action proportionnelle/intégrale (régul. 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 (qui est fixé à zéro dans cet exemple spécifique), et le courant d'axe d moyen mid. La différence Aid fait l'objet d'une conversion PI par le régulateur PI (régul. Pl) 35 et elle 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 soumise à une conversion Pl, et à une version de Aid soumise à une conversion Pl, pour donner des tensions triphasées de consigne Vu, Vv et Vw, comme représenté sur la figure 3. Les tensions triphasées de consigne Vu, Vv et Vw sont appliquées au convertisseur de signal en modulation d'impulsions en largeur (PWM), 32, qui à son tour génère des signaux PWM portant les désignations PWMU, PWMV et PWMW avec des rapports cycliques d'impulsions respectifs qui correspondent respectivement 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 31, qui fournissent 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. La figure 4 est un diagramme temporel montrant des exemples de formes d'onde des signaux PWM générés par le convertisseur de signal PWM 32 pour chacune des tensions triphasées de consigne Vu, Vv et Vw pendant une période de modulation d'impulsions en largeur, ou PWM. Chacun des signaux PWM portant les désignations 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 inférieur, PWMUu et PWMUL, des signaux PWMV supérieur et inférieur, PWMVu et PWMVL, et des signaux PWMW supérieur et inférieu, r PWMVu et PWMWL. Les signaux PWMU supérieur et inférieur sont dirigés 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. Comme représenté sur la figure 4, un court intervalle de temps de retard prédéterminé appelé"temps mort" (et portant la désignation Td) est établi entre des fronts correspondants de chaque paire de signaux de commande PWM supérieur et inférieur pour les phases U, V et W, au moment de l'inversion entre les signaux PWM supérieur et inférieur. La fixation du temps mort Td entre des fronts correspondants est accomplie de façon que le front montant de chaque signal supérieur (PWMUu, PWMVu, PWMWu) soit légèrement postérieur au front descendant d'un signal inférieur correspondant (PWMUL, PWMVL, PWMWL), et que le front montant de chaque signal inférieur (PWMUL, PWMVL, PWMWL) soit légèrement postérieur au front descendant d'un signal supérieur correspondant (PWMUu, PWMVu, PWMWu), respectivement. Une paire de signaux PWMU supérieur et inférieur est appelée le "signal PWMU" ; une paire de signaux PWMV supérieur et inférieur est appelée le "signal PWMV" ; et une paire de signaux PWMW supérieur et inférieur est appelée le "signal PWMW". Dans ce qui suit, on suppose que les rapports cycliques des signaux PWMU, PWMV, PWMW sont calculés sans tenir compte des temps morts. Le procédé d'attaque de moteur triphasé sans balai commandé par modulation d'impulsion en largeur décrit ci-dessus, lui-même, et diverses autres variantes, sont bien connus et on ne donnera donc pas de description plus détaillée. Sur la figure 3, les rapports cycliques des signaux PWMU, PWMV et PWMW sont respectivement de 80%, 40% et 20%. Sur la figure 4, les rapports cycliques des signaux PWMU, PWMV et PWMW sont tous de 50%. Le convertisseur de signal PWM 32 effectue une commande de modulation d'impulsions en largeur ou PWM, de façon que la valeur maximale négative de n'importe lesquelles des tensions triphasées d'entrée Vu, Vv et Vw donne 0% de rapport cyclique de la tension triphasée de la valeur maximale négative ; zéro volt de n'importe lesquelles des tensions triphasées d'entrée Vu, Vv et Vw donne 50% de rapport cyclique de la tension triphasée de 0 V ; et la valeur maximale positive de n'importe lesquelles des tensions triphasées d'entrée Vu, Vv et Vw donne 100% de rapport cyclique de la tension triphasée. Si la fréquence porteuse de la commande PWM est de 20 kHz, alors un cycle PWM T est de 50 us. Les rapports cycliques de chaque signal PWM sont commandés de façon que la partie active de chaque signal PWM s'étende de façon égale le long de l'axe de temps à partir du centre de chaque cycle PWM, comme représenté sur les figures 3 et 4. Comme représenté sur la figure 3, chacun des cycles PWM est divisé en 7 périodes T1 à T7. Pendant les périodes T1 et T7, tous les éléments de commutation supérieurs 311,313 et 315 sont bloqués ; et tous les éléments de commutation inférieurs 312,314 et 316 sont conducteurs. Pendant les périodes T2 et T6, l'élément de commutation supérieur de la phase U, 311, et les éléments de commutation inférieurs des phases V et W, 314 et 316, sont conducteurs ; et l'élément de commutation inférieur de la phase U, 312, et les éléments de commutation supérieurs des phases V et W, 313 et 315, sont bloqués. Pendant les périodes T3 et T5, les éléments de commutation supérieurs des phases U et V, 311 et 313, et l'élément de commutation inférieur de la phase W, 316, sont conducteurs ; et les éléments de commutation inférieurs des phases U et V, 312 et 314, et l'élément de commutation supérieur de la phase W, 315, sont bloqués. Pendant la période T4, tous les éléments de commutation supérieurs 311,313 et 315 sont conducteurs ; et tous les éléments de commutation inférieurs 312,314 et 316 sont bloqués. On notera que la combinaison de deux éléments de commutation inférieurs qui sont conducteurs pendant les périodes T2 et T6, et la combinaison de deux éléments de commutation supérieurs qui sont conducteurs pendant les périodes T3 et T5 varient tour à tour au fur et à mesure que l'angle électrique change. On décrira dans ce qui suit l'opération de compensation des valeurs de courant mesurées avec des valeurs de décalages respectives. Du fait que l'unité de commande de moteur 3 est un système basé sur un microprocesseur, la section de compensation par décalage 4 est de préférence réalisée par logiciel. La figure 5 est un organigramme montrant un exemple d'opérations de calcul de décalage 99 exécutée dans la section de compensation par décalage 4 conformément à un mode de réalisation illustratif de l'invention. Sur la figure 5, une étape 100 lit les rapports cycliques des signaux PWM portant les désignations PWMU, PWMV et PWMW. Une étape de décision 102 effectue un test pour voir si les rapports cycliques de tous les signaux PWM PWMU, PWMV et PWMW sont de 50%. Dans l'affirmative, une étape de décision 104 effectue un autre test pour voir si l'état dans lequel tous les rapports cycliques sont de 50% a duré pendant un intervalle de temps prédéterminé. Dans l'affirmative, des étapes 106, 108 et 110 calculent ensuite des valeurs respectives de décalage de courant lu, Iv et Iw. Sinon (c'est-à-dire en cas de décision NON à l'une ou l'autre des étapes de décision 102 ou 104), l'opération 99 se termine. La figure 6 est un organigramme montrant un exemple d'opération exécutée à chacune des cases 106,108 et 110 de la figure 5. Sur la figure 5, une étape 200 fixe à une valeur initiale 0 une variable Sa (a = u, v ou w) indiquant la somme des valeurs de courant mesurées de la phase a, et elle fixe à une valeur initiale 1 une variable i indiquant le nombre présent de valeurs de courant mesurées. Une étape 202 lit une valeur de courant lai à partir de la résistance de mesure pendant que l'élément de commutation inférieur de la phase a est conducteur. Une étape 204 effectue un test pour voir si la variable i est égale à 1. Dans la négative, la variable i est incrémentée à une étape 205, et la commande est ramenée à l'étape 202. Si la variable i a atteint N à l'étape 204, alors une étape 206 calcule la moyenne Ma des N valeurs de courant mesurées pour la phase a sous la forme : Ma = Sa/N Une étape 208 enregistre la moyenne Ma pour la valeur de décalage du courant d'enroulement ta. It faut noter que la valeur de décalage Ma peut être limitée à l'intérieur d'une plage prédéterminée. La figure 7 est un organigramme montrant un exemple d'opération de compensation 299 exécutée après l'opération de calcul de décalage 99 dans la section de compensation par décalage 4, conformément au mode de réalisation illustratif de l'invention. Sur la figure 7, une étape 300 trouve les valeurs de courant lu, Iv et Iw à partir des chutes de tension Dvu, DVv et DVw aux bornes des résistances respectives 317,318 et 319. Une étape 302 calcule le décalage Ma moins le courant mesuré la, c'est-à-dire la-Ma pour a = u, v et w. Une étape 304 émet vers le convertisseur de 3 phases à 2 phases 34 les valeurs lu-Mu, Iv-Mv et lw-Mw en tant que valeurs de courant compensées IU, IV et IW. Conformément au mode de réalisation illustratif décrit ci-dessus, si l'état dans lequel les rapports cycliques des signaux PWM, PWMU, PWMV et PWMW, est de 50% pour tous, ce qui correspond au fait que tous les courants d'enroulements lu, Iv et Iw sont égaux à zéro, a duré pendant un intervalle de temps suffisamment long pour la dissipation de l'énergie électromagnétique accumulée dans le moteur triphasé sans balai 1 (ou la dissipation des courants d'enroulements occasionnés par l'énergie électromagnétique accumulée), alors des valeurs de décalage de courant Mu, Mv et Mw sont calculées en lisant N valeurs de courant pour chaque phase, et les courants d'enroulements lu, Iv et Iw sont compensés avec des valeurs de décalage respectives Mu, Mv et Mw. Ceci permet une mesure de courant aisée et précise. De plus, du fait que les valeurs de décalage Mu, Mv et Mw sont actualisées pendant le fonctionnement du moteur, une compensation dynamique des courants mesurés est réalisée en réponse à des changements dans des caractéristiques du moteur et du système de mesure de courants d'enroulements. Modification Dans le mode de réalisation illustratif décrit ci-dessus, le moment des mesures des valeurs des courants d'enroulements pour l'utilisation dans le calcul de décalage a été limité aux temps morts dans l'état dans lequel tous les rapports cycliques des signaux PWM, PWMU, PWMV et PWMW, sont égaux à 50%. Cependant, lorsque l'état dans lequel tous les éléments de commutation supérieurs ou inférieurs sont simultanément bloqués dure au moins pendant une période prédéterminée (suffisante pour la dissipation des courants d'enroulements occasionnés par l'énergie électromagnétique accumulée dans le moteur triphasé sans balai 1), les courants d'enroulements lu, Iv et Iw sont tous égaux à zéro. En contrôlant un tel cas, il est possible de collecter les valeurs de courants d'enroulements lu, Iv et Iw pour l'utilisation dans le calcul des valeurs de décalage Mu, Mv et Mw. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au dispositif et au procédé décrits et représentés, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Unité de commande de moteur (3) pour commander un moteur triphasé sans balai (1) sur la base d'une modulation d'impulsions en largeur, caractérisée en ce qu'elle comprend : des moyens onduleurs (31) comprenant trois branches de pont pour fournir des courants triphasés au moteur (1) par les trois branches de pont, chacune de ces branches de pont incluant une résistance (317,318, 319) pour mesurer l'un des courants triphasés circulant à travers la branche de pont ; des moyens de décision (4) pour déterminer si les courants triphasés se sont dissipés ; des moyens de mesure (4) réagissant à une décision affirmative des moyens de décision en mesurant chacun des courants triphasés en utilisant la résistance (317,318, 319) ; des moyens (4) pour calculer, pour les trois phases, des valeurs de décalage respectives à partir des valeurs de courant mesurées fournies par les moyens de mesure ; et des moyens (4) pour compenser les courants triphasés mesurés avec les valeurs de décalage respectives. 2. Unité de commande de moteur selon la revendication 1, caractérisée en ce que chacune des trois branches de pont comprend un élément de commutation supérieur (311,313, 315) et un élément de commutation inférieur (312,314, 316) connectés en série, et en ce que les moyens de décision (4) comprennent des moyens pour déterminer si un état dans lequel tous les éléments de commutation supérieurs (311, 313,315) ou tous les éléments de commutation inférieurs (312,314, 316) sont bloqués dure pendant un intervalle de temps prédéterminé. 3. Unité de commande de moteur selon la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens de décision (4) comprennent des moyens pour déterminer si un état dans lequel des rapports cycliques des courants triphasés sont tous égaux à 50% dure pendant un intervalle de temps prédéterminé. 4. Système de moteur comprenant : un moteur triphasé sans balai (1) ; et des moyens de commande (3) pour commander le moteur triphasé sans balai (1) sur la base d'une modulation d'impulsions en largeur, caractérisé en ce que les moyens de commande comprennent : des moyens onduleurs (31) comprenant trois branches de pont pour fournir des courants triphasés au moteur (1) par les trois branches de pont, cha- cune de ces branches de pont incluant une résistance (317,318, 319) pour mesurer l'un des courants triphasés circulant à travers la branche de pont ; des moyens de décision (4) pour déterminer si les courants triphasés se sont dissipés ; des moyens de mesure (4) réagissant à une décision affirmative des moyens de décision en mesurant chacun des courants triphasés en utilisant la résistance (317, 318, 319) ; des moyens (4) pour calculer, pour les trois phases, des valeurs de décalage respectives à partir des valeurs de courant mesurées fournies par les moyens de mesure ; et des moyens (4) pour compenser les courants triphasés mesurés avec les valeurs de décalage respectives.