Brevet FR2940557A1 — publié le 20100625

Le domaine de l'invention est celui des équipements avioniques. L'invention concerne plus précisément les systèmes avioniques comprenant un contrôleur central et un ou plusieurs équipements périphériques distants reliés au contrôleur central par l'intermédiaire d'une ligne électrique de puissance. Les systèmes avioniques comprennent aujourd'hui des périphériques distants de type capteurs ou actionneurs de plus en plus intelligents. Il s'agit notamment d'équipements critiques de commande de vol, par exemple des vérins électriques, qui sont non seulement commandés par le contrôleur 1 o central mais également aptes à élaborer des rapports destinés au contrôleur central. Un canal de communication bidirectionnel entre le contrôleur central et un périphérique distant s'avère alors nécessaire d'une part pour que le contrôleur central puisse transmettre ses ordres et consignes au 15 périphérique distant et d'autre part pour que le périphérique puisse faire remonter ses rapports au contrôleur central. Les échanges de données sont typiquement de l'ordre de 10 000 échantillons par seconde, de sorte qu'une bande passante de l'ordre de 100 kbits à 1 Mbits s'avère nécessaire. On relèvera que les besoins en termes de 20 bande passante sont plus particulièrement élevés lorsque le périphérique forme avec le contrôleur central une boucle d'asservissement. On souhaite ainsi d'une part alimenter en puissance électrique un périphérique distant (typiquement plusieurs kW, sous des tensions élevées, typiquement 540 Vdc) et d'autre part assurer un canal de communication 25 bidirectionnel avec un périphérique distant (jusqu'à 50m typiquement) avec un débit d'informations utiles de 1 Mbits/s. Dans l'objectif de réduire l'encombrement pour répondre aux contraintes d'intégration au sein d'un avion, il a été proposé par la Demanderesse (voir notamment la demande de brevet FR 0856924 déposée 30 le 13 octobre 2008), de regrouper sur un même support physique (ligne bifilaire de puissance) un signal numérique de débit 1 Mbps et une 2 alimentation de puissance de quelques dizaines de kiloWatts. La mise en oeuvre de filtrages passe-bas (pour la partie puissance) et passe-haut (pour la partie données) permet alors de séparer les signaux d'alimentation des signaux de données transitant sur la même ligne. Cette solution est représentée schématiquement sur la figure 1 où un contrôleur central C est relié à un ou plusieurs périphériques distants P1-PN par l'intermédiaire d'une ligne 3 mutualisée pour la transmission de puissance du contrôleur C (disposant d'un émetteur de puissance 1) vers les périphériques distants P1-PN et l'échange de données entre le contrôleur 1 o central C et les périphériques distants P1-PN (le contrôleur C et les périphériques étant dotés de moyens d'émission-réception de données 2). L'émetteur de puissance 1 (ou, pour un périphérique, récepteur de puissance, non représenté sur la figure 1) est relié à la ligne mutualisée 3 par l'intermédiaire d'un filtre passe-bas 4 (condensateur CBF) et d'inductances en 15 série 5 agencées au niveau du filtre passe-bas pour venir augmenter l'impédance de la ligne 3, tandis que les moyens d'émission-réception de données 2 sont reliés à la ligne mutualisée 3 par l'intermédiaire d'un filtre passe-haut 6 (condensateur CHF) et d'un transformateur de couplage des données 7. 20 Cette solution conduit toutefois à un volume et une masse relativement importants pour la partie de filtrage passe-bas. En particulier, les circuits magnétiques des inductances 5 doivent être dimensionnés de manière à ne pas saturer. Or afin de supporter les pics de courant (de l'ordre de 100 A), il est nécessaire de les dimensionner pour la puissance crête. Mais la 25 puissance de l'alimentation est telle que les circuits magnétiques doivent être très volumineux. A titre d'exemple, une inductance 5 adaptée à une telle solution est une inductance de 160 �H présentant un volume de l'ordre de 100100150 mm. Cette solution n'est donc pas totalement satisfaisante du fait du circuit 30 magnétique nécessairement volumineux pour en éviter la saturation sous l'action des forts courants véhiculés (en moyenne et en transitoire). L'invention a pour objectif de pallier à cet inconvénient et propose à cet effet selon un premier aspect un coupleur puissance/données destiné à être relié à une ligne électrique mutualisée pour la transmission de puissance en basse fréquence et la transmission d'un signal numérique de données en haute fréquence, comprenant un circuit magnétique dans lequel en utilisation la puissance génère un flux magnétique dans la partie basse du spectre et le signal numérique génère un flux magnétique dans la partie haute du spectre, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour générer dans le circuit magnétique un flux magnétique de basse fréquence, dit flux démagnétisant, 1 o de sens opposé au flux magnétique généré par la puissance. Selon un second aspect, l'invention propose un dispositif formant contrôleur central destiné à être relié à un ou plusieurs périphériques distants par l'intermédiaire d'une ligne électrique mutualisée pour la transmission de puissance en basse fréquence du contrôleur central vers le périphérique 15 distant et pour l'échange de données en haute fréquence entre le contrôleur central et le périphérique distant, caractérisé en ce qu'il comporte un coupleur selon le premier aspect de l'invention. Selon un troisième aspect, l'invention propose un dispositif formant périphérique distant caractérisé en ce qu'il comporte un coupleur selon le 20 premier aspect de l'invention. Selon un quatrième aspect, l'invention propose un système comprenant un dispositif formant contrôleur central selon le second aspect de l'invention, un ou plusieurs dispositifs formant périphérique distant selon le troisième aspect de l'invention, et une ligne électrique mutualisée pour la transmission 25 de puissance en basse fréquence du contrôleur central vers le ou les périphériques distants et pour l'échange de données en haute fréquence entre le contrôleur central et le ou les périphériques distants. D'autres aspects, buts et avantages de la présente invention apparaîtront mieux à la lecture de la description détaillée suivante de formes 30 de réalisation préférées de celle-ci, donnée à titre d'exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels : 4 - la figure 1, déjà discutée, est un schéma représentant un coupleur proposé antérieurement par la Demanderesse conduisant à un volume et à une masse relativement importants pour la partie filtrage basse-pas ; - la figure 2, représente un premier mode de réalisation possible du coupleur selon le premier aspect de l'invention ; - la figure 3, représente une première variante d'un second mode de réalisation possible du coupleur selon le premier aspect de l'invention. - la figure 4, représente un système selon le quatrième aspect de l'invention disposant d'un contrôleur central et d'un périphérique distants conformes à une seconde variante du second mode de réalisation possible du coupleur selon le premier aspect de l'invention; - la figure 5 représente un mode de réalisation possible d'une chaîne d'asservissement des moyens de génération du flux démagnétisant ; - la figure 6 représente un modèle d'un transformateur disposant d'un enroulement destiné à être relié à des moyens d'émission-réception de données ; - la figure 7 représente un modèle d'un transformateur disposant de deux enroulements destinés à être relié à des moyens d'émission-réception de données, l'un des enroulements étant destiné à l'émission de données tandis que l'autre est destiné à la réception de données conformément à la seconde variante du second mode de réalisation. Selon un premier aspect, l'invention concerne un coupleur puissance/données destiné à être relié à une ligne électrique mutualisée pour la transmission de puissance en basse fréquence d'un contrôleur central vers un ou plusieurs périphériques distants et la transmission d'un signal numérique de données en haute fréquence entre le contrôleur et le ou les périphériques. Le coupleur comprend un circuit magnétique dans lequel en utilisation, lorsque la ligne mutualisée véhicule puissance et données, la puissance génère un flux magnétique dans la partie basse du spectre (0 à 100 kHz typiquement) et le signal numérique génère un flux magnétique dans la partie haute du spectre (1 à 10 MHz typiquement). L'invention propose d'une manière générale de venir superposer dans le circuit magnétique un flux identique, mais opposé, au flux généré par la puissance. La résultante de ces flux étant alors moindre, il s'avère possible de diminuer la taille du circuit magnétique. On superpose plus précisément un flux de basse fréquence, de manière à ne pas venir perturber le flux engendré par la transmission des données. Pour ce faire, le coupleur selon l'invention comporte des moyens pour 1 o générer dans le circuit magnétique un flux magnétique de basse fréquence, dit flux démagnétisant, de sens opposé au flux magnétique généré par la puissance. On vient de la sorte réduire le flux de basse fréquence, tandis que le flux de haute fréquence n'est pas altéré. Dans la mesure où les puissances mises en jeux par la transmission de données sont faibles 15 (typiquement de l'ordre d'une centaine de milliWatt), il s'avère alors possible de réduire la taille du circuit magnétique. On rappelle que le circuit magnétique de la solution représentée sur la figure 1 doit être dimensionné pour la puissance crête, de manière à pouvoir supporter les pics de courant. En réalisant une diminution du flux de 20 puissance, le coupleur selon le premier aspect de l'invention peut quant à lui être dimensionné pour la valeur moyenne du courant (les pics de courant peuvent dans un tel cas de figure être supportés par l'inertie thermique du cuivre des enroulements de puissance). Or le ratio puissance crête/puissance moyenne peut être important, notamment du fait des 25 courants de démarrage des moteurs des périphériques branchés sur la ligne. En référence aux figures 2 et 3 illustrant deux modes de réalisation possible de l'invention, les moyens de génération du flux démagnétisant comprennent des moyens 8 de mesure du courant circulant sur la ligne, un générateur de courant 12 relié au circuit magnétique 5, 15 de manière à y 30 générer un flux de basse fréquence opposé au flux de puissance et des moyens 11 pour asservir le générateur de courant sur la mesure du courant circulant sur la ligne. Comme représenté sur la figure 5, les moyens 11 d'asservissement du générateur de courant 12 comprennent par exemple des moyens de filtrage passe-bas 25 interposés entre les moyens 8 de mesure du courant (dont le signal de sortie est une tension) et une boucle d'asservissement du générateur de courant 12 sur le signal issu de la mesure de courant, ladite boucle comprenant, sur la chaîne directe, des moyens de mise à niveau du signal 21 (par exemple un correcteur PID) et un convertisseur 1 o tension/courant 22 dont la sortie est reliée au générateur de courant 12, et sur la chaîne de rebouclage, des moyens de mesure 23 du courant injecté par le générateur de courant 12 et des moyens de correction du gain 24. On relèvera que les moyens de génération du flux démagnétisant sont préférentiellement configurés pour fonctionner jusqu'aux fréquences de 15 découpage des périphériques de puissance (aux alentours de 100 kHz). Par ailleurs, les moyens 8 de mesure du courant circulant sur la ligne réalisent préférentiellement une mesure du courant en mode différentiel, par exemple via des sondes à effet Hall. Selon un premier mode de réalisation représenté par la figure 2, le 20 circuit magnétique est celui des inductances 5 des moyens de filtrage passe-bas déjà discutés précédemment en regard de la figure 1 qui sont interposés entre un émetteur (pour le contrôleur central) ou un récepteur (pour un périphérique distant) de puissance 1 et la ligne électrique mutualisée 3. Le générateur de courant 12 est alors relié à des enroulements 10 25 permettant de superposer dans le circuit magnétique des inductances 5 un flux basse fréquence (flux démagnétisant) opposé au flux de puissance. De telle manière on réduit le flux magnétique dans la partie basse du spectre, tandis que la partie haute du spectre est laissée libre, non compensée. On relèvera que ce premier mode de réalisation permet bien de réduire 30 le volume de la partie de filtrage passe-bas. Le transformateur de couplage des données 7 reste cependant nécessaire dans la partie de filtrage passe-haut. Selon un second mode de réalisation représenté sur les figures 3 et 4, le circuit magnétique est constitué par un noyau magnétique 15, par exemple en Ferrite, entourés par au moins quatre enroulements. Dans le cadre de ce deuxième mode de réalisation, et comme cela apparaîtra de la description qui suit, le composant � transformateur de couplage de données 7 � de la figure 2 est supprimé, ce qui permet de minimiser encore plus l'encombrement. 1 o Selon une première variante représentée sur la figure 3, les enroulements comprennent : - un premier enroulement 16 destiné à être relié aux moyens d'émission - réception de données numériques 2, - un second et un troisième enroulements 14a, 14b réalisant le couplage 15 entre la partie puissance et la partie numérique destinés à être reliés d'une part à l'émetteur ou récepteur de puissance 1 et d'autre part à la ligne électrique mutualisée 3, - et un quatrième enroulement 13 relié au générateur de courant 12 pour venir superposer dans le noyau magnétique 15 un flux de basse 20 fréquence opposé au flux de puissance. On vient ainsi réduire le flux magnétique dans la partie basse du spectre, tandis que la partie haute du spectre est laissée libre, non compensée. Selon une seconde variante représentée sur la figure 4, on prévoit deux enroulements 16a, 16b destinés à être reliés aux moyens d'émission- 25 réception de données numériques 3, l'un desdits enroulements étant consacré à l'émission de données tandis que l'autre desdits enroulements est consacré à la réception de données. Sur cette figure 4, un contrôleur central C disposant d'un émetteur de puissance 1 a (tel qu'une alimentation 540 Vdc) est relié à un périphérique distant disposant d'un récepteur de 30 puissance 1 b de type onduleur par l'intermédiaire de la ligne mutualisée 3. On a représenté sur la figure 6 un modèle d'un transformateur disposant d'un seul enroulement destiné à être relié aux moyens d'émission-réception de données. Le transformateur attaqué par un signal I de courant impulsionnel voit aux bornes de son primaire une tension Uprimaire qui contient à la fois les données présentes sur la ligne E2 mais également des impulsions parasites apportées par une inductance de fuite Lfuite (ces impulsions étant liées à des défauts apportés par le bobinage). La lecture du signal HF sur la ligne est alors entachée de ces impulsions qui sont de forte amplitude et difficiles à supprimer. 1 o Il est proposé dans le cadre de cette seconde variante une autre méthode pour lire les données véhiculées par la ligne 3. La solution consiste à transmettre les impulsions par un enroulement 16a et à lire le signal présent sur la ligne sur un second enroulement 16b. La figure 7 représente à cet égard un modèle d'un transformateur disposant de deux enroulements 15 destinés à être relié aux moyens d'émission-réception de données, l'un des enroulements 16a étant destiné à l'émission de données tandis que l'autre 16b est destiné à la réception de données conformément à la variante du second mode de réalisation. En prévoyant plus précisément que le second enroulement 16b soit 20 chargé sur une forte impédance, aucun courant ne circule dans sa branche (i2=0). La tension Usecondaire lue aux bornes du secondaire ne contient alors plus d'impulsions parasites dans la mesure où la tension ULfuite2 aux bornes de l'inductance de fuite ULfuite2 est nulle. 25 Par ailleurs, revenant à la description générale du second mode de réalisation, le nombre de spires des second et troisième enroulements 14a, 14b traversés par le courant circulant sur la ligne 3 et le nombre de spires du quatrième enroulement 13 traversé par le courant issu du générateur de courant 12 sont préférentiellement tels que ces enroulements 13, 14a, 14b 3o présentent une même force magnétomotrice. Il est de telle manière possible d'utiliser un générateur de courant délivrant un courant de faible amplitude (par opposition aux courants de plusieurs dizaines d'ampères circulant sur la ligne mutualisée 3), et par conséquent de minimiser la taille d'un tel générateur. L'enroulement 13 connecté au générateur de courant 12 peut par exemple comporter entre une centaine et un millier de spires de plus que les enroulements de puissances 14a et 14b, le courant traversant l'enroulement 13 étant alors compris entre quelques dizaines à quelques centaines de milliAmpères. On relèvera que l'invention n'est pas limitée à un coupleur selon son premier aspect, mais s'étend également à un contrôleur central ou à un périphérique distant incorporant un tel coupleur, ainsi qu'à un système formé d'un contrôleur central incorporant un tel coupleur, d'un ou plusieurs périphériques distants incorporant chacun un tel coupleur et d'une ligne électrique mutualisée pour la transmission de puissance et l'échange de données numériques. 20 REVENDICATIONS1. Coupleur puissance/données (20, 30) destiné à être relié à une ligne électrique (3) mutualisée pour la transmission de puissance en basse fréquence et la transmission d'un signal numérique de données en haute fréquence, comprenant un circuit magnétique (5, 15) dans lequel en utilisation la puissance génère un flux magnétique dans la partie basse du spectre et le signal numérique génère un flux magnétique dans la partie 1 o haute du spectre, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (8-13, 21-25) pour générer dans le circuit magnétique un flux magnétique de basse fréquence, dit flux démagnétisant, de sens opposé au flux magnétique généré par la puissance. 15 2. Coupleur selon la revendication 1, dans lequel les moyens pour générer le flux démagnétisant comprennent des moyens (8) de mesure du courant circulant sur la ligne (3), un générateur de courant (12) relié au circuit magnétique (5, 15) de manière à y générer un flux de basse fréquence opposé au flux de puissance et des moyens (11) pour asservir le générateur 20 de courant sur la mesure du courant circulant sur la ligne. 3. Coupleur selon la revendication 2, dans lequel les moyens de mesure du courant circulant sur la ligne réalisent une mesure du courant en mode différentiel. 4. Coupleur selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel le circuit magnétique (5, 15) est dimensionné pour la valeur moyenne du courant circulant sur la ligne (3). 30 5. Coupleur (20) selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel le circuit magnétique est celui d'inductances (5) de moyens de filtrage passe-bas 25 11 destinés à être interposé entre un émetteur ou récepteur de puissance (1) et la ligne électrique mutualisée (3). 6. Coupleur (30) selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel le circuit magnétique est constitué par un noyau magnétique (15) entourés par moins quatre enroulements, les enroulements comprenant au moins un premier enroulement (16 ; 16a-16b) destiné à être relié à des moyens d'émission-réception de données numériques (2), un second et un troisième enroulements (14a, 14b) réalisant le couplage entre la partie puissance et la 1 o partie numérique destinés à être reliés d'une part à un émetteur (1 a) ou un récepteur de puissance (1 b) et d'autre part à la ligne électrique mutualisée (3), et un quatrième enroulement (13) relié aux moyens de génération du flux démagnétisant de telle manière à venir superposer dans le noyau magnétique (15) un flux opposé au flux de puissance. 15 7. Coupleur selon la revendication 6, dans lequel le nombre de spires des second et troisième enroulements (14a, 14b) traversés par le courant circulant sur la ligne et le nombre de spires du quatrième enroulement (13) traversé par le courant généré par les moyens de génération du flux 20 démagnétisant sont tels que ces enroulements (13, 14a, 14b) présentent une même force magnétomotrice. 8. Coupleur selon l'une des revendications 6 à 7, comprenant deux enroulements (16a, 16b) destinés à être reliés aux moyens d'émission- 25 réception de données numériques (3), l'un desdits enroulements étant consacré à l'émission de données tandis que l'autre desdits enroulements est consacré à la réception de données. 9. Dispositif formant contrôleur central destiné à être relié à un ou plusieurs 30 périphériques distants par l'intermédiaire d'une ligne électrique mutualisée (3) pour la transmission de puissance en basse fréquence du contrôleur 12 central vers le périphérique distant et pour l'échange de données en haute fréquence entre le contrôleur central et le périphérique distant, caractérisé en ce qu'il comporte un coupleur (20, 30) selon l'une des revendications 1 à 8. 10. Dispositif formant périphérique distant destiné à être relié à un contrôleur central par l'intermédiaire d'une ligne électrique mutualisée pour la transmission de puissance en basse fréquence du contrôleur central vers le périphérique distant et pour l'échange de données en haute fréquence entre le contrôleur central et le périphérique distant, caractérisé en ce qu'il comporte un coupleur (20, 30) selon l'une des revendications 1 à 8. 11. Système comprenant un dispositif formant contrôleur central (C) selon la revendication 9, un ou plusieurs dispositifs formant périphérique distant (P1-PN) selon la revendication 10, et une ligne électrique mutualisée (3) pour la transmission de puissance en basse fréquence du contrôleur central vers le ou les périphériques distants et pour l'échange de données en haute fréquence entre le contrôleur central et le ou les périphériques distants.20