Brevet FR2845839A1 — publié le 20040416

Domaine de l'invention La présente invention concerne un procédé et un dispositif d'alimentation électrique d'un moteur électrique à commutation électronique avec un étage de puissance à semi-conducteur, notamment 5 d'un moteur à courant continu triphasé, comprenant un dispositif pour déterminer le courant pris par le moteur et un dispositif de commande électronique pour les courants de phase. Etat de la technique Un tel procédé et dispositif sont connus selon le docu10 ment DE 29 30 863 A. Ce document décrit un procédé de détection du courant de charge dans un onduleur de courant continu et un circuit de commutation pour l'application du procédé avec un montage en pont relié à une source de tension d'alimentation, le courant de charge se déterminant à partir des courants dans les branches du pont et les cou15 rants de phase étant commutés par un dispositif de commande électronique. Pour cela, chaque branche du pont comporte une installation de détection de courant. But de l'invention La présente invention a pour but de développer un pro20 cédé simple et économique et un circuit correspondant pour commander ou réguler les courants de phase d'un moteur électrique à commutation électronique notamment d'une machine électrique triphasée. Exposé et avantages de l'invention A cet effet, l'invention concerne un procédé du type défini ci-dessus caractérisé en ce que le dispositif de commande électronique reçoit d'une part le signal d'un capteur de courant d'une ligne d'arrivée et de sortie commune des commutateurs semiconducteurs de l'étage de puissance et d'autre part les tensions de borne des différentes phases 30 du moteur ainsi que la tension globale de l'étage de puissance et à partir de ces signaux, le dispositif de commande électronique en utilisant de manière logique les signaux de commande qu'il génère lui-même pour les commutateurs de puissance à semi- conducteur détermine les résistances de passage et les courants de phase. L'étage de puissance est de préférence composé de commutateurs MOSFET dont les chemins drain-source servent de capteurs de courant. On économise ainsi les capteurs de courant et à côté de cette économie, on diminue également les pertes électriques, par exem5 ple sur un shunt. En plus, on obtient une information concernant les résistances de puissance dans les différents commutateurs des branches du pont de l'étage de puissance à semi-conducteurs. Il est avantageux que la commande électronique calcule à partir de la différence de la tension globale appliquée à l'étage de puis10 sance et de la tension de borne, d'une phase du moteur, la chute de tension sur le chemin drain-source du commutateur semi-conducteur correspondant. En variante, on peut détecter directement la tension des six chemins drain-source. Pour générer les signaux de commande du 15 commutateur de puissance à semi-conducteur, on applique à la commande électronique en plus de préférence des signaux de position fournis par un générateur de position du rotor. L'étage de puissance est avantageusement réalisé sous la forme d'un montage en pont redresseur B6, les tensions aux bornes des phases du moteur étant prises 20 chaque fois sur les connexions des différents commutateurs semiconducteurs pour être appliquées à la commande électronique. Ce moyen se traduit par une construction particulièrement simple du circuit en utilisant des signaux de commande facilement accessibles. La détermination des résistances de passage des com25 mutateurs semiconducteurs se fait avantageusement à des instants définis dans les cycles de cadence respectifs à la fin de la période transitoire des opérations de commutation des commutateurs semiconducteurs et les signaux de mesure ne sont pas faussés par les résistances transitoires juste après la commande. Ainsi, à l'aide des ré30 sistances de passage ainsi obtenues et des courants mesurés, on peut reconstruire les courants de phase. Le procédé et le circuit selon l'invention conviennent grâce à leur construction simple et économique notamment pour un moteur à courant continu à commutation électronique, triphasé, bran35 ché en étoile, dont les différentes phases du moteur sont raccordées aux branchements des commutateurs semi-conducteurs associés d'un montage en pont redresseur B6 pour le moteur. Le procédé selon l'invention n'est toutefois pas limité à ce type de moteur et convient également pour d'autres moteurs, par exemple pour des moteurs à rés luctance commutée, des moteurs asynchrones et des moteurs synchrones ainsi que pour des moteurs à flux transversal. On peut également utiliser d'autres types de redresseur alternatif, par exemple des ponts H avec des branches de pont séparées pour chaque phase du moteur. Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide de développements avantageux représentés dans les dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 montre le schéma d'une alimentation électrique selon l'invention d'un moteur électrique à commutation électronique, - la figure 2 montre la forme des courbes enveloppes du signal de commande pour une alimentation par bloc à 1200 d'un moteur électrique triphasé, - la figure 3a montre le tracé des courbes enveloppes des signaux de commande pour une alimentation sinusodale à 1800, - la figure 3b montre la courbe correspondante des courants de phase d'une alimentation de phase sinusodale à 1800. Description de modes de réalisation: La figure 1 montre le schéma d'une alimentation électrique d'un moteur électrique 10 à commutation électrique avec un étage 25 de puissance à semi-conducteur comprenant un stator 12 et un rotor 14. Les enroulements de phase du stator 12 portent les références 16, 18, 20. Ils reçoivent les courants de phase Il, 12, I3. L'étage de puissance à semi-conducteur pour l'alimentation électrique du moteur 10 se compose de transistors 30 MOSFET Tl-T6, branchés sur un montage en demi-pont (montage en demi-pont à courant alternatif B6). Les tensions drain-source des commutateurs Ti-T6 portent les références UDS1-UDS6. Les commutateurs Ti, T3, T5 sont reliés du côté du drain au pôle positif d'une source de tension continue; les branchements de source des commutateurs T2, T4, 35 T6, sont reliés au pôle négatif de la source de tension continue fournis- sant la tension U. En outre, les électrodes de source des commutateurs T1, T3,T5 sont reliés aux électrodes de drain des commutateurs T2, T4, T6, d'autre part ils sont reliés chaque fois à une borne des enroulements de phase 16, 18, 20 dont les autres bornes sont réunies pour constituer le branchement en étoile des enroulements. Pour commander les commutateurs MOSFET Ti, T6 et assurer ainsi l'alimentation électrique du moteur 10 et préparer les signaux de commande, on utilise un micro-ordinateur 22. Celui-ci reçoit comme signaux d'entrée d'une part le signal d'un capteur de courant 24 10 dans la ligne d'alimentation commune 26 reliant le pôle + de la source de tension continue aux bornes de drain des transistors T1, T3, T5. D'autre part, le micro-ordinateur 22 reçoit comme autres signaux d'entrée, les tensions de borne Ul, U2, U3. des différentes phases du moteur qui correspondent aux tensions de source des commutateurs Ti, 15 T3, T5 et aux tensions de drain des commutateurs T2, T4, T6. En outre, le microordinateur 22 est relié en entrée à la sortie d'un capteur de position de rotor 28. En sortie le micro-ordinateur 22 fournit des signaux de commande Gl-G6 pour les commutateurs MOSFET Ti-T6. Le dispositif décrit ci-dessus fonctionne de la manière 20 suivante: après la mise en marche, les bornes d'entrée des étages de puissance avec les commutateurs MOSFET T1-T6 ainsi que le micro-ordinateur 22 reçoivent la tension continue U. Les commutateurs Ti-T6 reçoivent selon les courbes enveloppes présentées aux Figures 2 et 3a les signaux 25 d'entrée et ils sont débloqués en fonction de ces signaux pour générer les courants de phase Il-I3 dans les enroulements de phases 16, 18, 20. Les signaux de commande de la Figure 2 correspondent à une commande de bloc avec une alimentation à chaque fois de 120 pour que les courbes de courant correspondent dans le cas idéal aux courbes des 30 signaux de commande. Les transistors T1, T3, T5 sont conducteurs en permanence pendant les blocs de conduction de courant et l'intensité des courants Il, I2, I3 est assurée par la commande en cadence des commutateurs MOSFET T2, T4, T6. Dans le cas de l'alimentation selon les Figures 3a et 3b on génère des courants sinusodaux Il, I2, I3 d'une 35 durée de demi-onde de 1800. Les commutateurs MOSFET T1, T3, T5 du côté de l'entrée de même que les commutateurs T2, T4, T6 du côté de la sortie sont commutés de manière impulsionnelle pour générer une alimentation sinusodale. Le micro-ordinateur 22 reçoit comme autres signaux 5 d'entrée un signal généré par le capteur de courant 24 en fonction du courant d'entrée Iges de l'étage de puissance, les tensions de borne Ui, U2, U3 ainsi qu'un signal fourni par le capteur de position de rotor 28 correspondant à la position du rotor à aimant permanent 14. A partir de ces signaux d'entrée, le micro-ordinateur 22 génère en fonction de la 10 forme d'alimentation prédéterminée les signaux de commande GQ-G6 pour les commutateurs MOSFET T1-T6. Dans le cas du montage en pont à redresseur alternatif B6 représenté dans l'exemple, avec six commutateurs MOSFET T1-T6 et un moteur à courant continu à commutation électronique, triphasé à 15 un montage en étoile, et excitation par aimant permanent (bloc BLDC), comme signaux d'entrée des signaux micro-ordinateur 22 on mesure la tension U appliquée au pont ainsi que la chute de tension respective des commutateurs MOSFET T2, T4, T6. mesurée en sortie et qui correspondent aux tensions des bornes des différentes phases du moteur 16, 20 18, 20. Le micro-ordinateur 22 définit à partir de là les tensions drainsource UDS des transistors Ti-T6. On a les relations suivantes: UDS1=U-U1; UDS3=U- U2; UDS5=U-U3; UDS2=U 1; UDS4=U2; UDS6=U3. En plus on mesure le signal de courant total Iges à l'entrée de l'étage de puissance et on utilise les signaux de commande logique 25 Gi-G6 des commutateurs T1-T6 pour commander l'alimentation pour les courants de phase. Les signaux de commande G1-G6 sont formés dans le micro-ordinateur 22 et sont ainsi disponibles sans nécessiter de moyens supplémentaires. Pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention, on 30 définit tout d'abord celui des commutateurs Tî-T6, qui est conducteur et celui qui est bloqué, et ensuite on attribue à chaque transistor le courant exactement mesurable, c'est-à-dire le transistor que l'on commande avec le signal de commande de porte " 1 ". Les commutateurs T1T6 fournissent également du courant par leur diode d'inversion roue li- bre, mais dans ce cas la chute de tension est négative et est inférieure à une valeur limite définie. Les signaux de commande Gi-G6 sont formés dans le micro-ordinateur 22 en utilisant les signaux du capteur de position de 5 rotor 28 si bien qu'ils sont disponibles. Le courant total Iges traverse ainsi l'un des commutateurs T1-T6 lorsque celui-ci est le commutateur conduisant l'unique courant parmi les trois commutateurs du côté d'entrée T1, T3, T5 ou les trois commutateurs du côté de la sortie T2, T4, T6. Le procédé selon l'invention permet l'économie d'autres capteurs de 10 courant à côté du capteur 24 car on utilise directement les commutateurs MOSFET T1- T6 comme capteurs de courant. Pour cela, on utilise la propriété de l'étage de puissance, propriété selon laquelle à l'état alimenté, au moins un commutateur MOSFET fait passer le courant total mesurable Iges pour déterminer la résistance du chemin drain-source 15 RDS dans ce commutateur MOSFET. Si l'un des commutateurs T1-T6 conduit le courant Iges, on aura pour sa résistance de passage: RDS = UDS. Iges Pendant la rotation électrique du moteur 10 on obtient 20 ainsi une valeur de la résistance de passage de chaque commutateur MOSFET T1-T6 à chaque passage du courant total Iges. La variation des résistances de passage liée à la température se détecte par une actualisation fréquente des valeurs de mesure. Pour minimiser d'autres influences perturbatrices, on peut préciser encore plus les valeurs de 25 mesure par un filtrage linéaire ou non linéaire par exemple à l'aide d'un filtre passe-bas. Aux instants auxquels un courant de phase n'est pas identique au courant mesurable Iges, à l'aide de la tension drain-source déterminée du MOSFET correspondant et de la valeur correspondante de la résistance RDS, on peut déterminer le courant de phase en appli30 quant la relation entre I1-3 = UDs. RDS Il est avantageux de mesurer et d'exploiter les grandeurs nécessaires à des instants déterminés en particulier pour que la prise de valeur de mesure soit faite jusqu'après les instants de commutation 35 connus à l'intérieur d'un cycle de cadence. Grâce à ce procédé, la commutation transitoire du commutateur MOSFET concerné est terminée et le résultat de la mesure n'est pas influencé par la résistance de passage qui s'applique jusqu'après la commande. La mesure des tensions de drain-source UDs des com5 mutateurs MOSFET TIT6 se fait de préférence par un diviseur de tension à partir du montage en série d'une résistance ohmique et d'un condensateur, les tensions au point de jonction des composants étant appliquées par un amplificateur et un convertisseur analogique/numérique aux circuits d'exploitation dans le micro-ordinateur 22. 10 Le convertisseur analogique/numérique fait partie de préférence du micro-ordinateur. Une fréquence de cadence habituelle pour commander les commutateurs MOSFET T1-T6 se situe à 20 kHz. Pour avoir des résultats de mesure précis pour la détermination des chutes de tension UDS 15 sur les chemins drain- source des commutateurs MOSFIET T1-T6, il est intéressant que les courants du moteur I1-I3 se situent à environ 10 A et plus. De tels moteurs s'utilisent par exemple avec un excellent résultat comme moteurs pour l'entraînement de véhicules et du fait des grandes séries possibles, on réduit le cot; dans le cas présent, on réduit en 20 particulier le nombre de capteurs de courant ce qui est particulièrement important. REVENDICATIONS ) Procédé d'alimentation électrique d'un moteur électrique à commutation électronique avec un étage de puissance à semi-conducteur, notamment d'un moteur à courant continu triphasé, comprenant un 5 dispositif pour déterminer le courant pris par le moteur et un dispositif de commande électronique pour les courants de phase, caractérisé en ce que le dispositif de commande électronique (22) reçoit d'une part le signal d'un capteur de courant (28) d'une ligne d'arrivée et de sortie commune 10 (26) des commutateurs semi-conducteurs (TI-T6) de l'étage de puissance et d'autre part les tensions de borne (Ui, U2, U3) des différentes phases du moteur (16, 18, 20) ainsi que la tension globale (U) de l'étage de puissance et à partir de ces signaux, le dispositif de commande électronique (22) en utilisant de manière logique les signaux de commande (Gi15 G6) qu'il génère lui-même pour les commutateurs de puissance à semiconducteur (Ti-T2) détermine les résistances de passage (RDS) et les courants de phase (Il, I2, I3). 2 ) Procédé d'alimentation électrique d'un moteur électrique selon la re20 vendication 1, caractérisé en ce que la commande électronique (22) calcule à partir de la différence de la tension globale (U) appliquée à l'étage de puissance et de la tension de borne (U1, U2, U3), d'une phase du moteur (16, 18, 20), la chute de ten25 sion (UDS) sur le chemin drain- source du commutateur semi-conducteur (TI-T6) correspondant. ) Procédé d'alimentation électrique d'un moteur électrique à commutation électronique avec un étage de puissance à semi-conducteur, no30 tamment d'un moteur à courant continu triphasé, comportant un dispositif pour déterminer le courant reçu par le moteur et un dispositif de commande électronique pour les courants de phase, caractérisé en ce que le dispositif de commande électronique reçoit d'une part le signal d'un 35 capteur de courant (28) d'une ligne d'alimentation ou de sortie (26) commune des commutateurs semi-conducteurs (Tî-T6) des étages de puissance et d'autre part les tensions (UDSI-UDS6) des différents commutateurs semiconducteurs (T1-T6) à partir desquels le dispositif de commande électronique (22), en intégrant de manière logique les si5 gnaux de commande (Gî-G6) qu'il génère lui-même pour les commutateurs semiconducteurs (TI-T6), détermine leur résistance de passage (RDS1 -RDS6) et définit les courants de phase (Il, I2, 13). ) Procédé d'alimentation électrique d'un moteur électrique selon l'une 10 des revendications précédentes, caractérisé en ce que les étages de puissance comportent comme commutateur des transistors MOSFET (T1-T6) dont les chemins de drain- source sont utilisés comme des capteurs de courant avec les chutes de tension (Udsl-Uds6) 15 sur les différents commutateurs semi-conducteurs (T1-T6) ainsi que les résistances de passage obtenues (RDS1-RDS6). ) Procédé d'alimentation électrique d'un moteur électrique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que comme commande électronique on utilise un micro-ordinateur (22). 6 ) Procédé d'alimentation électrique d'un moteur électrique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la commande électronique (22) reçoit les signaux de position d'un générateur de position de rotor (28) pour générer les signaux de commande (GI-G6,) des commutateurs de puissance à semi-conducteurs (T1-T6). 70) Procédé d'alimentation électrique d'un moteur électrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les étages de puissance sont des montages en demi-pont (montage en pont à redresseur B6) et les tensions de borne (U1-U3) des phases du 35 moteur sont prises chaque fois entre les branchements des différents commutateurs semi-conducteurs associés (Ti-T2,; T3-T4; T5-T6) pour être fournies à la commande du moteur électronique (22). 8 ) Procédé d'alimentation électrique d'un moteur électrique selon la res vendication 1, caractérisé en ce que la détermination des résistances de passage (RDS) des commutateurs semiconducteurs (T1-T6) est faite à des instants définis dans les cycles de cadence respectifs, après la phase transitoire des opérations de 10 branchement des commutateurs semi-conducteurs (Ti-T6). ) Dispositif d'alimentation électrique d'un moteur électrique à commutation électronique avec un étage de puissance à semi-conducteur, notamment un moteur triphasé, comportant un dispositif pour déter15 miner les courants reçus par le moteur et un dispositif de commande électronique pour les courants de phase, de préférence pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le dispositif de commande électronique est constitué par un micro20 ordinateur (22) recevant le signal d'un capteur de courant (24) d'une ligne d'alimentation et de sortie commune (26) des commutateurs semiconducteurs (TI-T6) des étages de puissance ainsi que les tensions de borne (UI, U2, U3) des différentes phases du moteur (16, 18, 20) et la tension (U) appliquée globalement aux étages de puissance ou les ten25 sions (UDS1-UDS6) des différents commutateurs de puissance à semiconducteur (T1-T6) ainsi que le signal d'un capteur de position de rotor (28) comme signaux d'entrée et dont les sorties sont reliées aux électrodes de commande (G1-G6) des commutateurs semi-conducteurs (T1-T6). 100) Dispositif d'alimentation électrique d'un moteur électrique selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'étage de puissance est un montage en demi-pont notamment un montage en pont à redresseur alternatif B6 pour un moteur à courant 35 continu à commutation électronique, triphasé, branché en étoile (mo- teur BLDC, 10) et les différentes branchées chaque fois entre conducteurs associés (T1-T2, T3-T4, phases du moteur (16, 18, 20) sont les liaisons des différents semiT5-T6).