Brevet FR2872967A1 — publié le 20060113

-1- SY. STEME ELECTRONIQUE DE PROTECTION D'UN MOTEUR ELECTRIQUE Domaine technique L'invention se rattache au domaine de l'électroménager, et plus précisément à celui des appareils de préparation culinaire tel que robot mixeur, mélangeur, et autres appareils dans lesquels un moteur électrique assure la rotation, préférentiellement à vitesse variable, d'un organe tournant généralement coupant. L'invention vise plus précisément une architecture du circuit d'alimentation et de commande du moteur qui élimine les risques de dégradation du moteur et de son circuit d'alimentation, dans le cas où un fonctionnement anormal apparaît, et par exemple, en situation de rotor bloqué, d'emballement du moteur, ou autre. Techniques antérieures Un problème critique observé dans les appareils électroménagers de préparation culinaire est celui du risque de dégradation du moteur dans le cas où un objet vient bloquer les organes tournants. En effet, lorsque le rotor d'un moteur électrique se bloque, le courant qui le traverse augmente de manière très importante, provoquant donc des échauffements et par conséquent, un risque d'incendie. Un autre problème critique des appareils électroménagers de préparation culinaire concerne les phénomènes de survitesse. En effet, une vitesse excessive peut détruire l'outil tournant, et ce dernier peut même être éjecté hors de l'enceinte de préparation, avec des risques de blesser l'utilisateur d'autant plus grave que l'outil est coupant. De manière de plus en plus fréquente, les moteurs électriques peuvent être commandés à vitesse variable. Une logique de commande, incluant généralement un micro-contrôleur, peut être utilisée pour commander un interrupteur statique, du type Mosfet ou Triac, de manière à alimenter le moteur dans les conditions de courant et tension nécessaires pour atteindre la vitesse voulue. 2872967 -2- Dans les cas de blocage du rotor ou une survitesse du moteur, les risques pour la sécurité des utilisateurs sont suffisamment importants pour que les réglementations en vigueur exigent que le courant électrique soit limité, y compris lorsqu'un des composants de la chaîne de commande et d'alimentation est défectueux. Ainsi, même dans le cas où l'interrupteur statique, en série avec le moteur, vient à se mettre en court-circuit, les normes en vigueur à ce jour exigent que la température dans le moteur reste limitée, même en situation de rotor bloqué. De même, il est essentiel que l'outil de travail ne soit pas éjecté hors de l'enceinte à cause d'une vitesse excessive résultant de la perte de régulation. De la même manière, dans l'hypothèse où le micro-contrôleur (ou de manière plus générale un des circuits logiques assurant la commande en vitesse du moteur) est défaillant, la température doit rester maîtrisée, même dans les conditions extrêmes de vitesse ou de courant. Parmi les systèmes de protection, on connaît la mise en place de fusibles en série avec le moteur. Ce type de protection n'est toutefois pas réellement satisfaisant, puisque avec les moteurs de puissance relativement importante, la température a tendance à s'élever très rapidement dans le cadre d'une situation de rotor bloqué, et dans un temps plus rapide que celui assurant l'ouverture du fusible thermique. La diminution de l'inertie thermique des fusibles n'est pas une solution satisfaisante, puisque dans le cas notamment des moteurs alimentés en courant continu, elle diminue le pouvoir de coupure. La protection par fusible peut alors se révéler inopérante. Dans le domaine de l'électronique appliqué à l'électroménager, on a déjà proposé, notamment dans les documents US 6 172 472 et US 5 773 945 de disposer en série avec le moteur soit un relais électromécanique, soit un interrupteur statique commandé par un micro-contrôleur, destiné à ouvrir les circuits dans le cas où l'analyse des paramètres de vitesse et de courant du moteur indique une situation de rotor bloqué. Toutefois, ce type de circuit n'est pas satisfaisant puisque dans le cas où le microcontrôleur devient défaillant, aucune protection n'est assurée dans une situation de rotor bloqué. Un des objectifs de l'invention est de fournir un circuit de commande et d'alimentation du moteur qui assure de manière efficace une protection dans des situations anormales de fonctionnement, y compris dans les cas où un élément de logique de commande ou encore un des composants de puissance alimentant le moteur soit défaillant ou en court-circuit. Exposé de l'invention L'invention concerne donc un appareil électroménager de préparation culinaire. Cet appareil est équipé d'un moteur électrique alimenté par un circuit d'alimentation incluant un relais électromécanique de protection disposé en série avec le moteur. L'appareil est également équipé d'un micro-contrôleur qui est apte à générer des ordres de commande à destination du circuit d'alimentation pour la commande de la vitesse du moteur. Ce micro-contrôleur est également apte à analyser l'information représentative de la vitesse du moteur. Conformément à l'invention, cet appareil se caractérise en ce que le micro-contrôleur est apte à générer un signal de contrôle, qui est nominalement variable, et qui est constant en cas de fonctionnement anormal Complémentairement, l'appareil comporte un circuit de commande de l'alimentation de la bobine du relais de protection, ce circuit assurant l'alimentation de la bobine, et donc la fermeture du relais, lorsque le signal de contrôle est variable. Ce circuit provoque à l'inverse l'ouverture du relais lorsque le signal de contrôle est constant. 2872967 -4- Autrement dit, l'invention consiste à assurer la protection du moteur, en ouvrant le circuit de puissance par l'intermédiaire d'un relais qui est commandé par un signal issu du micro-contrôleur assurant la gestion de l'alimentation. Ce signal caractéristique généré par le micro-contrôleur est élaboré en fonction des différents paramètres de surveillance du moteur, résultant par exemple de la mesure la tension, du courant, de la vitesse, mais également d'autres paramètres comme par exemple le mode de fonctionnement sélectionné par l'utilisateur. En mode normal, c'est-à- dire lorsque le moteur fonctionne correctement, ce signal caractéristique est variable, c'est-à-dire qu'il présente des transitions entre les deux niveaux logiques de sortie du micro-contrôleur. Ce signal en mode nominal se constitue donc d'une série d'impulsions qui sont destinées à commander l'alimentation de la bobine du relais de protection. Autrement dit, lorsque le système fonctionne correctement, le microcontrôleur commande par un signal impulsionnel le maintien du relais dans un état fermé. On notera que ce mode de fonctionnement peut être considéré comme surprenant, dans la mesure où il serait plus simple de commander directement l'alimentation de la bobine du relais par un signal constant, puisque l'état du relais n'a pas à être modifié tant qu'un défaut n'est pas détecté. Toutefois, cette complexité apparente se révèle avantageuse, puisqu'elle permet d'augmenter le niveau de sécurité dans le cas où une défaillance apparaît notamment dans le micro-contrôleur. En effet, lorsque le micro-contrôleur fonctionne correctement et que l'analyse des différents signaux de vitesse et de courant indique une situation de rotor bloqué, alors le micro-contrôleur génère un signal de contrôle qui est constant, et qui provoque donc conformément à l'invention l'ouverture du relais. Or, dans le cas d'une défaillance du micro-contrôleur, qui pourrait résulter notamment d'un disfonctionnement du logiciel, il est quasiment certain que le signal de commande sera alors figé à une valeur constante, ce qui provoquera donc l'ouverture du relais, et donc la coupure de l'alimentation du moteur. 2872967 -5- On notera que cette coupure interviendra même si l'interrupteur statique alimentant le moteur reste passant, soit parce le micro-contrôleur donne un ordre en ce sens, soit encore parce que cet interrupteur statique se trouve en court-circuit. Autrement dit, la sécurité du système est assurée dans des conditions exigées par les réglementations, puisqu'une situation de fonctionnement anormal conduira inévitablement à l'ouverture du circuit de puissance. Cette ouverture peut intervenir alors que l'ensemble de l'électronique de puissance et de logique fonctionne correctement, et qu'un obstacle mécanique empêche leur rotation correcte du moteur. Dans ce cas, le microcontrôleur peut alors ouvrir le circuit de puissance en ouvrant l'interrupteur statique. Mais dans le cas où cet interrupteur statique est lui-même inopérant, car en court-circuit, suite à un échauffement trop important par exemple, l'ouverture du circuit s'effectue par le relais de protection. Cette ouverture du circuit peut également intervenir dans le cas où un disfonctionnement complémentaire intervient, à savoir lorsque le microcontrôleur n'est plus en capacité de générer des ordres cohérents. Dans ce cas, et de façon automatique la bobine du relais ne sera plus alimentée provoquant l'ouverture du circuit de puissance. En pratique, le signal de contrôle caractéristique peut être un signal spécifique, élaboré à cet effet par le micro-contrôleur, en fonction des différents paramètres correspondants à la stratégie de surveillance. Dans une forme particulière de réalisation, le signal de contrôle peut être directement déduit des ordres de commande envoyés au circuit d'alimentation de la commande en vitesse du moteur, notamment dans le cas où ces ordres de commande sont de nature impulsionnelle, et par exemple lorsque la commande s'effectue en modulation de largeur d'amplitude (PWM). Dans ce cas, lorsque on détecte un disfonctionnement, on interrompt la commande de linterrupteur statique de puissance, qui assure la régulation de la vitesse. Le signal de contrôle caractéristique devient donc constant, et le relais ouvre le circuit de puissance. Cette double protection répond au exigences des normes évoquées précédemment. En pratique, le circuit de commande de la bobine du relais de protection peut comporter un interrupteur statique, commandé par un signal issu d'un circuit de conversion alimenté par le circuit de contrôle. Ce circuit de conversion transforme donc le signal de contrôle, qui est variable en condition de fonctionnement normal, en un signal quasi constant apte à commander l'interrupteur statique responsable de l'alimentation de la bobine du relais. Inversement, lorsque ce circuit de conversion est alimenté par un signal constant, il génère un signal de sortie d'un niveau suffisamment bas pour provoquer l'arrêt de l'alimentation de la bobine du relais, et donc l'ouverture de ce dernier. En pratique, cet étage de conversion inclut un étage dérivateur et 15 avantageusement un détecteur de crête, de manière à être insensible aux rapports cycliques du signal de contrôle. Description sommaire des figures La manière de réaliser l'invention ainsi que les avantages qui en découlent 20 ressortiront bien de la description des modes de réalisation qui suivent, à l'appui des figures annexées dans lesquelles: La figure 1 est un schéma général illustrant le circuit d'alimentation et de commande d'un moteur conforme à l'invention. La figure 2 est un schéma électrique simplifié du mode de réalisation de 25 l'invention. Les figures 3 et 4 sont des diagrammes illustrant respectivement le signal de contrôle résultant du circuit de conversion. La figure 5 est un schéma électrique d'une autre variante de réalisation du circuit de conversion. -7-Manière de réaliser l'invention Comme déjà évoqué l'invention concerne un système électronique de protection d'un moteur électrique équipant un appareil électroménager de préparation culinaire. Le circuit électrique d'un tel appareil est illustré à la figure 1. Ainsi, le moteur électrique (2) est relié à la source de tension principale d'alimentation (1), qui est généralement la tension secteur, par l'intermédiaire d'un relais de protection (4). Le courant traversant le moteur est contrôlé par un interrupteur statique (6), typiquement un Triac dans le cas d'une alimentation alternative ou un Mosfet avec une tension secteur redressée, commandé par un micro-contrôleur (5). Ce microcontrôleur (5) assure une mesure de la tension aux bornes du moteur, plus précisément au niveau de la borne supérieure (7). Le courant traversant le moteur est également mesuré par micro-contrôleur (5), par la mesure de la tension aux bornes de la résistance de shunt (8) connectée en série avec le moteur (2). La vitesse du moteur est mesurée par le micro- contrôleur (5) par l'intermédiaire d'un capteur approprié (15). La mesure de la tension et de la vitesse peuvent également se faire d'une façon indirecte. Par exemple, pour la tension, la tension peut être estimée en mesurant le rapport cyclique d'excitation de l'interrupteur statique. Pour estimer la vitesse, on peut utiliser le modèle électrique du moteur, qui donne une vitesse en fonction du courant et la tension, mesurée ou estimée. Un des aspects de l'invention réside dans la manière dont le relais (4) est commandé. Plus précisément, ce relais (4) est commandé par un signal de contrôle élaboré par le micro-contrôleur (5), ce signal de contrôle étant traité par un circuit (9) de commande de l'alimentation de la bobine du relais. Plus précisément, comme illustré à la figure 2, la bobine (19) du relais est reliée à une source de tension (28) continue. La valeur de la tension maximum 2872967 -8- appliquée à la bobine et donc le rapport du pont diviseur est adaptée en fonction des caractéristiques de la bobine (19). Cette bobine (19) est également connectée par son autre borne à un interrupteur statique, et typiquement comme illustré à la figure 7 à un Mosfet (17). Ce Mosfet comporte sa grille (20) qui est reliée à un circuit de conversion (21), assurant le filtrage du signal de contrôle (13) issu du micro-contrôleur (5). Dans la forme de réalisation illustrée à la figure 2, le circuit de conversion (21) comporte un étage dérivateur incluant principalement un condensateur (12) associé à une résistance en série (11). Cet étage dérivateur est relié à un filtre passe-bas formé du condensateur (8) et de la résistance (16) jouant le rôle de détecteur de crêtes grâce à la diode (14). Les valeurs de la capacité du condensateur (8) et la résistance (16) sont choisies pour conserver une valeur suffisante de tension correspondant à un état passant du Mosfet (17), pendant le temps que la tension en sortie (10) de l'étage dérivateur est à un niveau bas. Complémentairement, la valeur du condensateur (12) de l'étage de dérivation présente une valeur choisie, d'une part pour assurer une charge de la grille du Mosfet (17). D'autre part, cette capacité (12) ne doit pas engendrer une trop forte variation du signal appliqué au détecteur de crête. Cette valeur dépend de la période choisie pour le signal de contrôle. Dans un exemple particulier de réalisation, le micro-contrôleur délivre un signal (V13) variant entre deux niveaux 0 et +5 volts, avec, comme illustré à la figure 3, des valeurs de temps (TH) au niveau haut de l'ordre de 195 s séparé par des temps (TB) de niveau bas de l'ordre de 5 s Les composants dont les valeurs indiquées ci-dessous: ^ capacité de l'étage dérivateur (12) : 2.7 nF; 2872967 -9- ^ résistance de l'étage dérivateur (11) : 1 k- ; ^ capacité du détecteur de crêtes (18) : 22 nF; ^ résistance du détecteur de crête (16): 1 MS2; ^ chute de tension aux bornes de diode du détecteur de crête: 0.6 V en 5 direct et 5V en inverse. En fonctionnement, lorsque le micro-contrôleur délivre un signal (13) tel qu'illustré à la figure 3, la tension (V20) mesurée sur la grille (20) du Mosfet adopte la valeur illustrée à la figure 4. On constate qu'après une phase de démarrage transitoire, dès lors que le signal de contrôle délivre des impulsions ou plus généralement un signal carré, la tension à la grille du Mosfet dépasse une valeur seuil (VH), avec un taux de fluctuation qui rend le Mosfet (17) passant, et provoque donc l'alimentation de bobine (19) du relais. Les contacts du relais (4) se ferment donc et assurent donc la connexion du moteur avec la tension secteur. A l'inverse, lorsque le signal de contrôle adopte une valeur constante (25), et par exemple au niveau haut tel qu'illustré à la figure 3, la capacité (18) se décharge à travers la résistance (16), et la tension sur la grille (20) du Mosfet passe en dessous du niveau (VB) bloquant à la conduction. La bobine (19) n'est alors plus alimentée et le contact du relais (4) s'ouvre. Le moteur n'est donc plus connecté au secteur, et une situation de blocage du rotor ne peut plus provoquer de dégradations du moteur ou plus généralement de l'appareil. Le circuit de conversion peut adopter d'autres architectures, notamment celle illustrée à la figure 5 dans laquelle le détecteur de crêtes est remplacé par une simple résistance (29). Dans ce cas, la capacité (12) doit être plus importante, pour maintenir une tension sur la grille du Mosfet pendant tout le rapport cyclique du signal impulsionnel de contrôle. Dans ce cas la valeur du rapport cyclique du signal de contrôle détermine la tension moyenne appliquée sur la bobine du relais. Par conséquent, le signal de contrôle ne peut pas être choisi comme étant identique 2872967 -10- au signal de commande (MLI) de l'interrupteur statique de puissance (6) qui sert pour l'asservissement de vitesse. Il ressort de ce qui précède que l'appareil conforme à l'invention, équipé du 5 circuit de protection caractéristique, présente de multiples avantages, et notamment: ^ il permet de couper l'alimentation rapidement lorsque celui-ci est défaillant notamment en situation de rotor bloqué ; ^ il couper l'alimentation du moteur lorsque le micro-contrôleur est 10 défaillant, et ce quel que soit l'état du signal de contrôle; ^ l'emploi d'un relais est d'un encombrement réduit, ce qui permet de l'intégrer à l'intérieur d'un appareil électroménager classique. ^ il permet dans certains cas d'utiliser un signal unique pour la commande de l'interrupteur statique de puissance et le relais REVENDICATIONS 1/ Appareil de préparation culinaire équipé d'un moteur électrique alimenté par un circuit d'alimentation incluant un relais électromécanique de protection (4), disposé en série avec le moteur (2) et un interrupteur statique (6), et comportant un micro-contrôleur (5) apte à : ^ générer des ordres de commande à destination des circuits d'alimentation pour la commande de la vitesse du moteur (2) ; ^ analyser des informations représentatives de la vitesse (15) du moteur (2) ; 10 caractérisé en ce que: le micro-contrôleur (5) est apte à générer un signal de contrôle (13) qui est nominalement variable, et constant en cas de fonctionnement anormal; il comporte un circuit (9) de commande de l'alimentation de la bobine (19) du relais (4) de protection, ledit circuit (9) assurant l'alimentation de la bobine (19) lorsque ledit signal de contrôle (13) est variable, et l'ouverture du relais lorsque ledit signal (13) est constant. 2/ Appareil de préparation culinaire selon la revendication 1, caractérisé en ce que le signal de contrôle (13) est directement déduit des ordres de commande envoyés 20 au circuit d'alimentation pour la commande de vitesse du moteur. 3/ Appareil de préparation culinaire selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit de commande (9) de la bobine comporte un interrupteur statique (17) commandé par un signal issu d'un circuit de conversion (21) alimenté par le signal de contrôle (13). 4/ Appareil de préparation culinaire selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit de conversion inclut un étage dérivateur (11, 12). 5/ Appareil de préparation culinaire selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit de conversion inclut un étage (8, 16) assurant une détection de valeur crête.