Brevet FR2938070A1 — publié le 20100507

Circuit de mesure du courant efficace d'un signal à contrôler La présente invention concerne un circuit de mesure du courant efficace d'un signal à contrôler, notamment dans le domaine du contrôle du courant des machines électriques à inductance variable telle que les actionneurs utilisés pour les soupapes dites électromagnétiques (système � camless � en anglais) dans les véhicules automobiles. Plus généralement, l'invention concerne tout équipement nécessitant une ou plusieurs mesures simultanées d'une grandeur efficace vraie, notamment un courant efficace, pour de la surveillance, du diagnostique ou de la protection rapprochée, relativement à des équipements dans lesquels il n'y a pas de ressources numériques ou de puissances de calcul disponibles ou suffisantes pour traiter la mesure, et dans lesquels on ne souhaite pas introduire des composants analogiques coûteux tels que les multiplicateurs analogiques ou d'autres circuits intégrés spécifiques peu répandus. L'invention est particulièrement intéressante pour un diagnostic fiable d'une surcharge notamment pour un système de soupape électromagnétique optimisée dont on souhaite exploiter le maximum des possibilités sans dépasser les limites de fonctionnement. En effet, les équipements alimentant une charge en courant fort doivent être surveillés pour notamment assurer la sécurité des personnes et du matériel, optimiser la consommation des charges, détecter une anomalie éventuelle de ces charges (surcharge) et/ou adapter les seuils de protection en fonction de paramètres externes et/ou variables tels que la température, le mode démarrage ou une configuration particulière de l'équipement. Dans le cas d'une charge linéaire, que le courant soit alternatif ou continu, il suffit de mesurer le courant crête, le courant moyen ou le courant redressé moyen pour obtenir une mesure indirecte du courant efficace. De fait, il existe un lien direct entre la grandeur mesurée d'une part et la consommation du système ou l'échauffement des composants qui conduisent le courant. II n'est alors pas nécessaire d'effectuer une mesure du cou- rant efficace. Toutefois, lorsque la charge est non linéaire et que le facteur de forme du courant est faible et variable en fonction du temps, les mesures de courant crête, de courant moyen ou de courant redressé moyen ne sont plus significatifs du courant efficace. En considérant par exemple le courant pulsionnel représenté sur la figure 1, le rapport entre une mesure moyenne 'moyen et une mesure efficace lefficace est la racine carrée du rapport cyclique, ce dernier étant défini comme le rapport entre la durée t1 du signal sur sa période T. Selon un exemple propre au domaine automobile, 1 'efficace = T ji2(t)dt = 0 T 'moyen = JZ(t)dt = * 0 T 1 moyen 'efficace ù = 0.3 (avec tl = 7, 2ms et T = 80ms) Cette situation se produit dans une commande de soupape électromagnétique, où les actionneurs de soupapes consomment un courant pul- sionnel de fréquence adaptée au régime moteur. Ainsi, la largeur des impulsions varie peu contrairement à leur période de telle sorte que la moyenne d'un tel signal est constante alors que son courant efficace ne l'est pas. Dans ce cas de figure, ni la valeur crête, ni la valeur moyenne ne peut représenter l'échauffement de l'actionneur, des câbles d'alimentation ou de tout autre composant conduisant le courant. Les solutions existantes fournies par l'art antérieur sont principale-ment de cinq types : - l'approche de la valeur du courant efficace par la combinaison de la valeur crête et de la valeur moyenne : Une telle méthode est décrite, par exemple, dans la demande de brevet W09505023 "METHOD AND APPARATUS FOR RMS CURRENT APPROXIMATION". Cette méthode est limitée par le taux de distorsion d'harmonique du signal. De plus, cette méthode est très sensible aux perturbations extérieures et aux différents types de commande ce qui réduit sa reproductibilité. Notamment, cette méthode ne peut pas être améliorée par un facteur de correction tel que proposé par le brevet US5027060 "MEASURING DE-VICE OF THE RMS VALUE OF A SIGNAL, NOTABLY FOR CURRENT MEASURMENT IN A SOLID-STATE TRIP DEVICE". - la déduction de la valeur du courant efficace par un calcul numérique : La mesure du courant efficace peut être obtenue par des calculs nu- mériques basés sur des acquisitions analogiques-numériques qui requièrent une bande passante et une fréquence d'échantillonnage suffisamment importantes pour ne pas filtrer de façon excessive les signaux traités. De ce fait, ces calculs peuvent monopoliser d'importantes ressources numériques, notamment en termes de puissance de calcul, d'autant plus significatifs que le nombre de mesures de courant à surveiller est élevé et que le taux d'harmonique est important. Cette solution présente donc un coût élevé. - la déduction de la valeur du courant efficace par un calcul analoqique : Pour ne pas monopoliser des ressources de calcul, on peut avoir re- cours à des circuits analogiques. Il existe sur le marché différents dispositifs analogiques permettant de réaliser les calculs nécessaires pour obtenir la valeur efficace, notamment la multiplication et la fonction racine carrée. A l'aide de tels dispositifs analogiques, il est possible d'obtenir une valeur du carré de la valeur efficace d'un signal. Il est également possible d'associer cette mesure du carré de la va-leur efficace avec une fonction destinée à en extraire sa racine carrée et tendre ainsi vers la valeur de la mesure efficace. C'est le cas en particulier des solutions basées sur les cellules de Gilbert, telles que celle proposée par le brevet US7002394 LOW SUPPLY CURRENT RMS-TO-DC CONVERTER". Mais lorsqu'il est nécessaire d'effectuer la mesure sur un grand nombre de voies, comme dans le cas d'un circuit électronique de commande de 8 ou 16 soupapes électromagnétiques, le coût de la fonction devient élevé comme dans la méthode précédente. En outre, la mesure du carré de la valeur efficace ne permet pas d'avoir une bonne sensibilité sur une large échelle de valeur, l'erreur relative et la résolution des mesures variant inversement au carré mesuré. - l'utilisation de l'effet thermique : La puissance dissipée étant proportionnelle au carré du courant efficace, on peut trouver la valeur du courant efficace en asservissant l'élévation de température d'une résistance traversée par un courant continu stabi- lisé à celle d'une résistance traversée par un courant image du courant mesuré. De telles solutions sont divulguées dans les brevets US3911359 et US3624525 "TRUE RMS CONVERTER" ainsi que dans le brevet US2007024265 "SYSTEMS AND METHODS FOR MEASURING AN RMS VOLTAGE." Mais cette technique est très délicate à mettre en oeuvre car il faut garantir une symétrie des impédances thermiques ainsi qu'une isolation contre la chaleur environnante pou ne pas perturber la mesure. De plus, le temps d'intégration de ce circuit est difficilement ajustable et les constantes de temps thermiques limitent la réactivité du montage. - les disionctions de courant : Les solutions de disjonction de courant généralement utilisées sont les fusibles et les disjoncteurs électro-magnéto-thermiques. Ces solutions ont de nombreux défauts : la tolérance sur le seuil est large et sensible à la température, une intervention externe est nécessaire pour le remplacement du fusible ou le réarmement du disjoncteur, l'encombrement est important et les seuils de disjonction ou les délais de déclenchement ne sont pas ajustables en temps réel. Dans ce contexte, la présente invention vise à fournir un circuit de mesure de courant efficace d'un signal à contrôler présentant un faible coût et une fiabilité satisfaisante pour une application telle que le contrôle du courant d'alimentation de soupapes électromagnétiques d'un moteur automobile. A cette fin, l'invention propose un circuit de mesure du courant efficace d'un signal à contrôler caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour asservir un signal de référence continu au signal à contrôler de telle sorte que le courant efficace du signal de référence continu soit égal au cou- rant efficace du signal à contrôler. Un circuit de mesure conforme à l'invention présente notamment les avantages suivants : - Son coût est réduit compte tenu du fait qu'il peut être mis en oeuvre avec des circuits électroniques peu onéreux, de façon analogique et en évi- tant d'avoir recours à des calculs numériques. De plus, un circuit conforme à l'invention peut être mis en oeuvre au moyen de composants à faibles coûts, tels que des amplificateurs opérationnels standards. Il ne requiert donc pas des multiplicateurs analogiques ou des circuits intégrés spécifiques. - Son utilisation met en oeuvre un signal continu dont la tension ou l'intensité sont aisément mesurables. - Sa bande passante n'est limitée que par la fréquence de découpage et par la rapidité des composants, tels que des amplificateurs opérationnels, qui sont utilisés. Ainsi, on peut adapter cette bande passante au rapport coût/performance souhaité pour le circuit. - Sa constante de temps est ajustable ce qui permet, à nouveau, d'adapter ce paramètre au rapport coût/performance souhaité. - Sa mise en oeuvre n'élimine aucune des harmoniques inclus dans la bande passante ce qui prévient tout filtrage excessif du courant à contrôler. - Sa mesure du signal à contrôler s'effectue par l'intermédiaire d'une mesure proportionnelle au carré du courant efficace, ce qui permet des me-sures sensibles mêmes pour les faibles valeurs de ce courant efficace. - Sa bande passante est ajustable. Dans le cadre d'une disjonction en courant efficace, cette solution offre la possibilité de régler le seuil de dis- jonction en temps réel. Un circuit selon l'invention peut également présenter une ou plusieurs des caractéristiques ci-dessous, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles : Dans une réalisation, le circuit comprend un premier modulateur et un second modulateur traitant respectivement le signal à contrôler ou le signal de référence afin de fournir un premier signal modulé ou un second signal modulé dont le courant moyen est proportionnel, respectivement, au carré du courant efficace du signal à mesurer ou au carré du courant efficace du signal de référence. Selon une réalisation, le circuit comprend des moyens pour moduler le premier signal modulé et le second signal modulé en largeur d'impulsion et en amplitude à l'aide d'un signal périodique. Dans une réalisation, le premier modulateur comprend des moyens pour que la modulation en largeur d'impulsion corresponde à un rapport cyclique proportionnel à l'intensité du courant à contrôler. Selon une réalisation, le circuit comprend des moyens pour moduler le signal à contrôler et le signal de référence continu avec une fréquence de découpage telle que, sur une période T de calcul de la valeur moyenne du premier signal modulé ou du second signal modulé, cette valeur moyenne soit proportionnelle au carré du courant efficace du signal à mesurer ou du signal de référence. Dans une réalisation, chaque modulateur comprend un amplificateur opérationnel recevant, à une première entrée, un signal à moduler et, à une seconde entrée, le signal périodique. Selon une réalisation, le circuit comprend : - un bloc effectuant la comparaison entre les courants efficaces des signaux modulés via leur valeur moyenne respectives, et - un bloc injectant le résultat de cette comparaison dans le circuit, via une boucle de rétroaction, comme étant le signal de référence continu. L'invention concerne également un procédé de mesure du courant efficace d'un signal à contrôler caractérisé en ce qu'on asservit un signal de référence continu au signal à contrôler de telle sorte que le courant efficace du signal de référence continu soit égal au courant efficace du signal à con- trôler au moyen d'un circuit conforme à l'une des réalisations précédentes. Dans une réalisation, on mesure le courant d'alimentation d'un actionneur de soupape électromagnétique d'un véhicule automobile. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront clairement de la description qui est donnée ci-dessous, à titre indicatif et non limitatif, d'une réalisation de l'invention faite en référence aux figures annexées, parmi lesquelles : - la figure 1, déjà décrite, illustre un courant pulsionnel, - la figure 2 représente un circuit comparateur mis en oeuvre pour moduler un signal selon une réalisation de l'invention; - la figure 3 représente un signal doublement modulé en largeur d'impulsion et en amplitude selon une réalisation de l'invention; - la figure 4 est un schéma fonctionnel d'un circuit de mesure selon une réalisation de l'invention; - la figure 5 représente des circuits à amplificateur opérationnel et comparateur; et - la figure 6 est un schéma électrique permettant d'effectuer les fonc- tions décrites à la figure 4 ; Dans toutes les figures, les éléments communs portent les mêmes numéros de référence. Selon l'invention, un circuit de mesure du courant efficace d'un signal à contrôler i(t) comprend des moyens pour asservir un signal de référence continu ipc(t) à ce signal i(t) à contrôler afin que le courant efficace ipceff(t) de ce signal de référence ioc(t) soit égal au courant efficace ieff(t) du signal à contrôler. Pour effectuer cet asservissement, un circuit conforme à l'invention peut mettre en oeuvre une fonction de double modulation appliquée tant au signal i(t) à contrôler qu'au signal ioc(t) de référence. Cette double modulation, similaire pour les deux signaux, est décrite ci-dessous vis-à-vis du signal i(t) à contrôler. Elle comprend notamment : - une première modulation en largeur d'impulsion telle que le rapport cyclique a(t), c'est-à-dire la largeur d'une impulsion à l'instant t, du signal modulé u(t) soit proportionnel à l'intensité du courant à mesurer i(t) selon la formule : a(t)= K*i(t) où K est une constante. - une seconde modulation en amplitude telle que l'amplitude du signal u(t) modulé soit proportionnelle à l'intensité du courant à mesurer i(t). De façon pratique, cette double modulation de largeur et d'amplitude d'impulsion peut être réalisée au moyen d'un modulateur 11 (figure 2) comprenant un amplificateur opérationnel 10. A cet effet, le signal i(t) à contrôler est fourni à l'entrée V+ (12) de l'amplificateur opérationnel 10 tandis qu'un signal périodique, typiquement en dents de scie, est fourni à l'entrée V- (14) de ce même amplificateur opérationnel 10. Une résistance 16 de rappel impose la tension du signal i(t) lorsque la la tension à la borne V+ (12) est supérieure à la tension à la borne V- (14) de l'amplificateur 10. Le cas échéant, cette tension est nulle. La forme du signal u(t) résultant d'une telle double modulation est il-lustrée sur la figure 3 qui représente, en fonction du temps - axe des abscis- ses 17 - l'intensité de ce signal u(t) - axe des ordonnées 18. Grâce à cette double modulation, on obtient un signal u(t) dont la va-leur moyenne peut être, de façon pratique, proportionnelle à son intensité efficace ieff(t). En effet, en considérant que la période d'impulsion du signal, égale- ment dénommée période de découpage, est grande par rapport à un temps T d'intégration mis en oeuvre pour évaluer une valeur moyenne U(T) de ce signal u(t), cette valeur moyenne U(T) s'écrit de la façon suivante: T T 1 Ju(t)dt - Ji(t) * a(t)dt = f i2(t)dt = K.i2e.ff ff Par la suite, la valeur moyenne U(T) de ce signal u(t) issu de la double modulation du signal i(t) à contrôler peut être comparée à la valeur moyenne Uoc(T) du signal upc(t) issu de la double modulation du signal de référence continu iDC(t). Ainsi, il est possible de prévoir un circuit d'asservissement alimenté par l'écart entre ces deux valeurs moyennes U(T) et UDc(t) qui tend à annu- ler cet écart. Dès lors, la valeur moyenne U(T) du signal modulé obtenu à partir du courant i(t) à contrôler tend à être identique à la valeur moyenne UDc(T) du signal modulé obtenu à partir du courant de référence iDC(t). Cette égalité s'écrit alors, sur cette période T : T j[U(t) - UD(. (t)]dt = 0 o T T fU(t)dt = $UDcdt 0 0 z z en., efJ = K 1DC eJf (lmesuré )eJJ (1DC )eff Cette égalité traduit ainsi la fonction du circuit d'asservissement qui tend à modifier le signal de référence iDC(t) vers une valeur telle que son courant efficace iDCeff(t) soit égal au courant efficace ieff(t) du signal à contrô- ler i(t). En référence à la figure 4, un circuit 22 conforme à l'invention comprend ainsi une boucle 20 d'asservissement - alimentée par le signal de sortie d'un comparateur 24 - des valeurs moyennes U(T) et UDc(T) respectives des signaux u(t), modulé à partir du courant à mesurer i(t), et upc(t), modulé à partir du courant de référence iDC(t). Après traitement par un amplificateur 26, ce signal de sortie est le signal de référence continu iDC(t) transmis à l'entrée du modulateur 19 dont le fonctionnement est similaire au fonctionnement du modulateur 11 déjà décrit. De façon pratique, le circuit 22 peut se présenter sous la forme d'un circuit à amplificateur opérationnel illustré sur la figure 5. Plus précisément, un amplificateur opérationnel 30 peut effectuer la fonction du comparateur 24 en recevant, à son entrée 32, le signal u(t) modulé à partir du courant à mesurer et, à son entrée 34, le signal UDC(t) modulé à partir du courant de référence. La boucle 20 est mise en oeuvre sous la forme d'un circuit intégrateur à amplificateur opérationnel 36 qui intègre l'écart mesuré et le réinjecte dans le circuit sous la forme du signal de référence continu. De façon fonctionnelle, un circuit conforme à l'invention comprend dans cette réalisation quatre blocs opérationnels, à savoir : - un bloc 11 effectuant la double modulation du signal à contrôler i(t), - un bloc 19 effectuant la double modulation du signal de référence ioc(t), - un bloc 24 effectuant la comparaison entre les courants ieff(t) et ioceff(t) puis moyennant le résultat, - un bloc 26 réinjectant le résultat de cette comparaison dans le montage comme signal de référence ieff(t). A titre d'exemple, la figure 6 représente le schéma électrique d'un circuit conforme à l'invention. Il convient de noter que les composants mis en oeuvre ù amplificateur opérationnel, comparateur et résistances ù présentent un faible coût et une fiabilité satisfaisante pour la mise en oeuvre de l'invention. On notera également que l'invention a été plus particulièrement décrite dans le cas d'une utilisation d'amplificateurs permettant de réaliser les fonctions décrites. Toutefois, d'autres types d'éléments, notamment à transistors, peuvent également être utilisés sans sortir du cadre de l'invention. Enfin, on pourra remplacer tout moyen par un moyen équivalent.20 REVENDICATIONS1. Circuit (22) de mesure du courant efficace (ieff(t)) d'un signal à contrôler (i(t)) caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour asservir un signal de référence continu (iDc(t)) au signal à contrôler (i(t)) de telle sorte que le courant efficace (iDCeff(t)) du signal de référence continu (ipc(t)) soit égal au courant efficace (ieff(t)) du signal à contrôler (i(t)). 2. Circuit (22) selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comprend un premier modulateur (11) et un second modulateur (19) traitant, respecti- vement, le signal à contrôler (i(t)) ou le signal de référence (ioc(t)) afin de fournir un premier signal modulé (u(t)) ou un second signal modulé (upc(t)) dont le courant moyen (U(T), UDc(T)) est proportionnel, respectivement, au carré du courant efficace (ieff(t)) du signal à contrôler (i(t)) ou au carré du courant efficace (iDCeff(t)) du signal de référence (ipc(t)). 3. Circuit (22) selon la revendication 2 caractérisé en ce que le premier (11) et le second (19) modulateurs comprennent des moyens pour moduler le premier signal modulé (u(t)) ou le second signal modulé (uDc(t)) en largeur d'impulsion et en amplitude à l'aide d'un signal périodique. 4. Circuit (22) selon la revendication 3 caractérisé en ce que le premier (11) modulateur comprend des moyens pour que la modulation en largeur d'impulsion du premier signal modulé (u(t)) corresponde à un rapport cyclique (a) proportionnel à l'intensité du signal à contrôler (i(t)). 5. Circuit (22) selon la revendication 4 caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour moduler le signal à contrôler (i(t)) et le signal de référence (ipc(t)) avec une fréquence de découpage telle que, sur une période T de calcul de la valeur moyenne (U(T), Uoc(T)) du premier signal modulé ou du second signal modulé, cette valeur moyenne (U(T), UDc(T)) soit proportionnelle au carré du courant efficace (ieff(t), iDceff(t) du signal à contrôler (i(t)) ou du signal de référence (ieff(t)). 6. Circuit (22) selon la revendication 3, 4 ou 5 caractérisé en ce que chaque modulateur (11, 19) comprend un amplificateur opérationnel (10) recevant à une première entrée (12) un des signaux à traiter ((i(t), (ieff(t)) et à une seconde entrée (14) le signal périodique. 7. Circuit (22) selon l'une des revendications 2 à 6 caractérisé en ce qu'il comprend : - un bloc (24) effectuant la comparaison entre les courants (ieff(t), IDCeff(t)) efficaces des signaux traités ((i(t), (ieff(t)) via leur valeur moyenne respecti- ves (U(T), UDC(T)), et - un bloc (26) injectant le résultat de cette comparaison dans le circuit via une boucle de rétroaction comme signal de référence (ieff(t)) pour le circuit (22). 8. Procédé de mesure du courant efficace (ieff(t)) d'un signal à contrôler (i(t)) caractérisé en ce qu'on asservit un signal de référence continu (iDC(t)) au signal à contrôler (i(t)) de telle sorte que le courant efficace (iDCeff(t)) du signal de référence continu (iDc(t)) soit égal au courant efficace (ieff(t)) du signal à contrôler (i(t)) au moyen d'un circuit conforme à l'une des revendications précédentes. 9. Procédé selon la revendication 8 caractérisé en ce qu'on contrôle un signal relatif au courant d'alimentation d'un actionneur de soupape électromagnétique d'un véhicule automobile.