Brevet FR2959625A1 — publié le 20111104

Domaine de l'invention La présente invention se rapporte à un procédé et à un dispositif de commande d'une machine électrique à excitation par un aimant permanent, pour saisir la position du rotor et commander la machine électrique. Etat de la technique Les machines électriques polyphasées, à excitation par aimant permanent nécessitent pour leur fonctionnement, des tensions de commande avec des niveaux alternant pour chaque phase et les tensions de commande sont appliquées en fonction de la position instantanée du rotor pour générer le couple moteur. Pour permettre une commutation appropriée de telles machines électriques polyphasées, il faut, pour générer les tensions de commande, disposer d'une résolution de la position du rotor de la machine électrique (dans le cas de machines électriques rotatives) qui correspond au moins au rapport 360°/nombre de pôles du rotor/nombre de phases. Dans le cas d'une machine électrique triphasée, on aura ainsi une résolution angulaire de l'angle électrique du rotor égale à 120° électrique de la position du rotor. La position électrique du rotor correspond à la position mécanique du rotor divisée par le nombre de pôles du rotor. Une machine électrique à excitation par aimant permanent et commutation électronique est en général commandée par un circuit pilote approprié qui fournit à des lignes de phase, les tensions de commande appropriées pour commander les différentes phases de la machine électrique. Une machine électrique triphasée peut par exemple se commander par trois lignes de phase, alimentées en alternance en fonction du segment de position du rotor dans lequel se trouve le rotor de la machine électrique. Le circuit pilote peut se présenter par exemple sous la forme d'un montage en pont H ou d'un montage à inverseur (circuit B6). Pour générer les tensions de commande, une unité de commande fournit des signaux de commande appliqués aux commutateurs de puissance du circuit pilote pour les bloquer ou les ouvrir. Le nombre de signaux de commande appliqués simultanément est appelé ci-après "motif de commutation". 2 Pour pouvoir modifier le motif de commutation à un instant approprié il faut que la résolution du capteur de position du rotor corresponde au moins à la résolution indiquée ci-dessus. Comme un capteur de position de rotor comporte en général plusieurs détecteurs de position de rotor installés de manière décalée sur le rotor de la machine électrique, on aura plusieurs signaux de position de rotor indiquant la position actuelle du rotor. Changer l'un des signaux de position de rotor fournis par les détecteurs de position de rotor et indiquant la position du rotor se traduit alors nécessairement pour une modification correspondante du motif de commutation du circuit pilote. Les motifs de commutation du circuit pilote sont en général fournis par l'unité de commande recevant les signaux de position de rotor. Par exemple dans le cas d'une machine triphasée, pour obtenir la position correspondante du rotor par des capteurs de position de rotor réalisés à l'aide de capteurs Hall ou de capteurs GMR, et pour en déduire la position absolue du rotor, il faut trois signaux de position de rotor pour arriver à une résolution de position de rotor de 60° pour la position mécanique ce qui correspond à 30° pour la position électrique du rotor (dans le cas de deux paires de pôles de rotor). Si la machine électrique a plus de trois phases, le nombre de détecteurs de position de rotor 3 sera plus élevé. Pour déterminer aussi exactement que possible l'instant où la position du rotor quitte un segment de position, et produire une commutation du circuit pilote par une modification du motif de commutation, les signaux de position du rotor sont fournis à l'unité de commande. Celle-ci peut calculer le nouveau motif de commutation à l'aide d'un tableau d'association ou en appliquant une fonction d'association. L'unité de commande est usuellement constituée par un microcontrôleur ayant des entrées d'interruption recevant les signaux de position de rotor. Lors d'une variation d'au moins l'un des signaux de position de rotor, une interruption sera déclenchée qui produit la commutation correspondante du motif de commutation dans le circuit pilote. Dans le cas de machines électriques triphasées il faut ainsi trois entrées d'interruption dans le microcontrôleur pour reconnaître la 3 position du rotor et permettre une commande appropriée de la machine électrique. En outre le circuit pilote utilisé pour commander de telles machines électriques comporte pour chaque phase au moins deux commutateurs de puissance, par exemple des transistors MOSFET ou des composants analogues commandés par des signaux de commande respectifs. Cela signifie que dans le cas d'un circuit pilote B6 (un circuit inverseur par phase) pour fournir les trois tensions de commande alimentant une machine électrique triphasée il faut six signaux de commande que l'unité de commande doit fournir au circuit pilote par des sorties appropriées. La commande se fait en général jusqu'alors pour que chaque fois deux des lignes de phase de la machine électrique soient alimentées (par l'application de la tension de commande à la phase à commander) alors que la troisième ligne de phase est hors courant. Le courant peut se régler pour chaque phase par une modulation de largeur d'impulsion. But de l'invention La présente invention a pour but de développer un système de moteur pour la gestion d'une machine électrique qui soit plus simple à réaliser et dont notamment le nombre de branchements utilisés pour la gestion de la machine électrique soit réduit. Exposé et avantages de l'invention A cet effet l'invention a pour objet un système de moteur comprenant : - une machine électrique à commutation électronique, - un circuit pilote pour gérer la machine électrique, - une unité de commande pour commander le circuit pilote suivant le segment de position du rotor dans lequel se trouve une position du rotor de la machine électrique avec des signaux de commande selon un motif de commutation associée au segment de position de rotor, - un capteur de position de rotor ayant deux détecteurs de position de rotor pour fournir des signaux de position de rotor en fonction de la variation relative de la position du rotor, et dans ce système, 4 l'unité de commande détermine la position absolue actuelle du rotor à partir des signaux de position du rotor et associe le motif de commutation à la position absolue du rotor. Une caractéristique du système de moteur ci-dessus pour la gestion d'une machine électrique consiste à utiliser à la place d'une résolution absolue de la position du rotor, une résolution relative qui n'a besoin que de deux détecteurs de position de rotor. Cela permet de diminuer le nombre d'entrées de l'unité de commande pour assurer la détection de la position du rotor. L'unité de commande selon l'invention comporte un microcontrôleur et les signaux de position de rotor sont appliqués aux entrées d'interruption du microcontrôleur pour qu'après chaque variation de l'un des signaux de position de rotor, le traitement soit interrompu dans l'unité de commande et la position du rotor soit actualisée. Le capteur de position du rotor aura une résolution pour donner un nombre entier de variations de la position du rotor dans un segment de position de rotor. En particulier l'unité de commande permet de calibrer la position de rotor après le branchement du système de moteur. Selon une caractéristique, pour calibrer on a un autre capteur de position de rotor pour discriminer au moins un segment de position de rotor. Suivant une caractéristique, le circuit pilote comporte un nombre de circuits inverseurs correspondant chaque fois à une phase de la machine électrique et chacun des circuits inverseurs comporte deux commutateurs en série, commandés uniquement à l'aide de l'un des signaux de commande pour fournir uniquement soit un premier potentiel d'alimentation soit un second potentiel d'alimentation pour la phase de la machine électrique. L'unité de commande permet de fournir les signaux de commande en modulation de largeur d'impulsion suivant un rapport de travail. Pour répartir la puissance perdue au niveau des 35 transistors, l'unité de commande génère un motif de commutation pour le circuit pilote selon lequel seulement les commutateurs reliés au premier potentiel d'alimentation dans les circuits inverseurs ou seulement les commutateurs reliés au second potentiel d'alimentation du circuit inverseur sont modulés en largeur d'impulsion. 5 Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'un exemple de système de moteur selon l'invention représenté schématiquement dans les dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une vue schématique d'un système de moteur équipé d'une unité de commande et d'une machine électrique commandée, - la figure 2 montre un schéma fonctionnel montrant comment déterminer la position du rotor à l'aide de deux détecteurs de position de rotor, - La figure 3 montre un vecteur de tension servant à la commande des lignes de phase d'une machine électrique triphasée avec alimentation permanente de chaque phase, - La figure 4 montre un chronogramme présentant différents motifs de commutation par des signaux de commande à modulation de largeur d'impulsion pour répartir la charge par des courants de roue libre. Description de modes de réalisation de l'invention La figure 1 montre schématiquement un système de moteur 1 comportant une machine électrique 2 par exemple sous la forme d'un moteur synchrone à excitation par aimant permanent, comme moteur asynchrone ou analogue. La machine électrique 2 est une machine à commutation électronique à trois phases dans cet exemple. Pour la gestion d'une telle machine électrique 2 il faut des tensions de commande correspondant au nombre des phases de la machine électrique 2. Dans le cas présent d'une machine synchrone triphasée, un circuit pilote 3 fournit les tensions de phase Uu, Uv, Uw comme tensions de commande. Le circuit pilote 3 comporte 3 circuits inverseurs 31 correspondant au nombre des phases ; les circuits inverseurs comportent chacun un transistor côté haut 32 et un 6 transistor côté bas 33. Chaque transistor côté haut 32 est en série avec un transistor côté bas 33 correspondant, entre le potentiel d'alimentation haut VH et le potentiel d'alimentation bas VL. Le potentiel d'alimentation haut VH et le potentiel d'alimentation bas VL définissent une tension d'alimentation Uvers. Une unité de commande 4 commande les transistors 32, 33 du circuit pilote 3 ; cette unité de commande 4 est réalisée par un microcontrôleur ou un moyen analogue. L'unité de commande 4 fournit des signaux de commande Su, Sv, Sw pour commander les circuits inverseurs 31 du circuit pilote 3. L'unité de commande 4 nécessite une information concernant la position instantanée absolue du rotor du moteur électrique 2 pour fournir les signaux de commande Su, Sv, Sw. En d'autres termes, pour fixer un vecteur de tension donnant un couple moteur prédéfini et composé des tensions de phases Uu, Uv, Uw, il faut connaître la position du rotor. Pour fournir l'information relative à la position du rotor, dans l'exemple présenté, il n'y a que deux détecteurs de position de rotor 5 ayant chacun une résolution inférieure à la plage angulaire d'un segment de position de rotor pour un certain vecteur de tension. Aussi longtemps que le rotor se trouve dans le segment de position de rotor conservé, les tensions de phase Uu, Uv, Uw ne sont pas modifiées (indépendamment d'un éventuel cadencement lié à une commande par modulation de largeur d'impulsion) pour fournir le vecteur de tension souhaité. De manière préférentielle, la résolution de position fournie par les détecteurs de position de rotor 5 correspond à un diviseur entier de la plage angulaire d'un segment de position de rotor pour avoir le vecteur de tension souhaité. Pour déterminer la position absolue du rotor en fonction des détecteurs de position de rotor 5 on peut réaliser une fonction dans l'unité de commande 4 comme celle présentée à la figure 2. La figure 2 est un schéma par blocs pour présenter de manière simplifiée la fonction générant les signaux de commande Su, Sv, Sw pour le circuit pilote 3. Les détecteurs de position de rotor 5 sont installés sur la machine électrique 2 pour que lorsque le rotor tourne, ils génèrent un 7 signal rectangulaire dépendant de la position du rotor. Les détecteurs de position de rotor 5 sont décalés par rapport au rotor de la machine électrique 2 de sorte que les signaux rectangulaires des détecteurs de position de rotor 5 sont également déphasés. En fonction de la phase des deux signaux, on pourra reconnaître le sens de rotation du rotor de la machine électrique 2. Une telle connaissance de la phase est effectuée dans un discriminateur de phase 10 recevant les signaux de position de rotor LLS1, LLS2. Le discriminateur de phase 10 fournit soit un signal de marche avant VS soit un signal de marche arrière RS selon le sens de rotation du rotor de la machine électrique 2. Le signal de marche avant VS ou le signal de marche arrière RS correspondent également à un signal rectangulaire généré par exemple par la combinaison logique OU exclusif des signaux de position de rotor LLS 1, LLS2. Le signal de marche avant VS est appliqué à un compteur de marche avant 11 qui incrémente son état de comptage pour chaque flanc du signal de marche avant. Le signal de marche arrière est appliqué à un compteur de marche arrière 12 qui incrémente son état de comptage pour chaque flanc du signal de marche arrière. Les états de comptage du compteur de marche avant 11 et du compteur de marche arrière 12 sont appliqués chacun à un bloc de commande 13 ; à partir des états de comptage du compteur de marche avant 11 et du compteur de marche arrière 12 ce bloc de commande 13 détermine la position absolue du rotor. Le bloc de commande 13 associe à la position absolue du rotor et au sens de rotation prédéfini, souhaité, un motif de commutation selon lequel doivent être commandés les commutateurs de puissance du circuit pilote 3. Les signaux de commande du motif de commutation peuvent également être traités avec une modulation de largeur d'impulsion en fonction de la vitesse de rotation de consigne prédéfinie ou du couple de consigne prédéfini ; en prédéfinissant un rapport de travail à régler, cette modulation assure le cadencement des signaux de commande. Par le cadencement des signaux de commande selon le rapport de travail on pourra régler la tension de commande (tension des phases) générée effectivement par le circuit pilote 3 pour 8 que la valeur effective du vecteur de tension à régler puisse être réglée de manière variable. Le bloc de commande 13 est réalisé pour qu'à partir des états de comptage du compteur de marche avant 11 et du compteur de marche arrière 12 on détermine la position instantanée du rotor. A la position ainsi déterminée du rotor on associe le motif de commutation de sorte que chaque fois après un nombre N de flancs comptés pour le signal de marche avant VS ou le signal de marche arrière RS, on puisse déclencher une interruption. L'interruption donne le changement de la position du rotor pour le segment suivant de la position du rotor et produit ainsi une variation du motif de commutation. Toutefois au démarrage du système il faut synchroniser le compteur de marche avant 11 et le compteur de marche arrière 12 une fois sur les segments de position de rotor. Pour cela on prévoit d'autres détecteurs de position de rotor 6 (qui ne sont pas reliés aux entrées d'interruption du microcontrôleur) d'un autre capteur ou détecteur de position de rotor qui peut indiquer la position absolue du rotor par d'autres signaux de position de rotor avec une résolution suffisante pour discriminer les segments de position de rotor. Dans ce cas, le calibrage peut se faire suivant la position absolue du rotor pour que la machine électrique puisse fonctionner avec un vecteur de tension tournant, par exemple sans être synchronisé. Ainsi le rotor s'accroche dans une certaine position et il est entraîné par le vecteur de tension tournant. Pour chaque flanc du signal de position du rotor fourni par les détecteurs de position de rotor 5, on exploite avec la commande d'interruption le fait que le motif de signal a changé pour les trois autres détecteurs de position de rotor 6. Si cela est le cas on peut initialiser le compteur de marche avant 11 et le compteur de marche arrière 12 correspondants avec un motif de commutation associé au segment de position instantané du rotor correspondant aux trois autres signaux de position de rotor. Au cours de la suite du mouvement, le compteur correspondant 11, 12 est alors compté alors en modulo 360° et le calibrage se termine. Ensuite l'unité de commande 4 constatera chaque fois 35 seulement pour chaque nième flanc du signal de marche avant VS ou 9 du signal de marche arrière RS, une alternance vers le segment de position de rotor suivant et le motif de commutation correspondant sera commuté. Le bloc de commande 13 peut en outre prévoir de régler la position des segments de position de rotor par rapport au rotor pas à pas pour une meilleure résolution des détecteurs de position de rotor 5, pour optimiser le couple moteur de la machine électrique 2. Il est également possible de ne pas prévoir les autres détecteurs de position de rotor 6 et d'assurer le calibrage en appliquant un motif de commande de calibrage arbitraire. Le motif de commande de calibrage sera choisi pour que le vecteur de tension tourne lentement d'un tour pour que le rotor puisse s'aligner dans la direction du vecteur de champ magnétique, instantané. Après une durée prédéterminée au cours de laquelle le rotor s'est probablement aligné sur le vecteur de tension, on met le compteur correspondant sur une valeur initiale associée à l'angle de position du vecteur de tension. Si la machine électrique 2 est en butée, il faut vérifier par ce procédé si le rotor s'est également déplacé lors de l'application du motif arbitraire de commande de calibrage car sinon on ne peut garantir que le rotor se trouve dans le segment de position de rotor souhaité lors de l'initialisation du compteur. En variante ou en plus, à l'aide du courant de phase on peut constater si le rotor s'est aligné suivant le motif de commande de calibrage. Si les autres détecteurs de position de rotor 6 sont prévus, cela permet de constater les instants ou de vérifier régulièrement si les compteurs 11, 12 indiquent toujours l'angle de position de rotor correct ou le segment de position de rotor correct ou si leurs états de comptage n'indiquent pas la position effective du rotor par exemple à cause de signaux perturbateurs. Pour cela on peut prévoir qu'à certains instants ou régulièrement on compare la position du rotor donnée par le compteur de marche avant 11 ou le compteur de marche arrière 12 avec le segment de position de rotor qui résulte des signaux de position de rotor des autres détecteurs de position de rotor 6. Si un écart prédéfini est alors dépassé, on peut recalibrer le système de moteur 1. Pour cela le motif des signaux de position de rotor des autres détecteurs de position de rotor 6 sera exploité avec le motif des 10 détecteurs de position de rotor 5 en ce que le motif saisi pour la position de rotor qui vient d'être déterminée, sera comparé avec les motifs provenant du tableau et qui sont autorisés pour cette position. A la différence des systèmes de moteurs actuels, dans le cas du système de moteur de la figure 1, on ne fournit que trois signaux de commande Su, Sv, Sw pour générer les tensions de phases. Cela ne permet pas d'appliquer une tension de OV aux lignes de phase. Il est uniquement possible d'appliquer une tension positive ou une tension négative aux lignes de phase. La figure 3 montre des variantes de motifs de tension de phase pour lesquelles à chaque instant de chaque ligne de phase le moteur électrique triphasé est alimenté. Cela signifie qu'à chaque instant une tension de phase est appliquée aux lignes de phase du moteur électrique. Le vecteur de tension généré par une telle suite de commandes correspondant à la figure 3 est ainsi décalé de 30° par comparaison avec un vecteur de tension usuel pour lequel chaque fois seulement deux des lignes de phase sont alimentées. Pour assurer l'alimentation présentée à la figure 3 il faut que les transistors côté haut 32 et les transistors côté bas 33 de chaque circuit inverseur des phases présentent chacun B6 états de circuit comme cela paraît dans le tableau ci-après, en fonction du segment de position de rotor, instantané. 30 35 Segment de position de rotor S S S S S S 1 2 3 4 5 6 UH (phase U, état de commutation transistor 1 1 1 0 0 0 côté haut) UL (phase U, état de commutation transistor 0 0 0 1 1 1 côté bas) VH (phase V, état de commutation transistor 1 0 0 0 1 1 côté haut) VL (phase V, Etat de commutation transistor 0 1 1 1 0 0 côté bas) WH (phase W, Etat de commutation 0 0 1 1 1 0 transistor côté haut) WL (phase W, état de commutation transistor 1 1 0 0 0 1 côté bas) Dans ce tableau le chiffre « 1 » correspond à un transistor débloqué et le chiffre « 0 » correspond à un transistor bloqué. Cette propriété permet de n'utiliser que l'un des signaux de commande Su, Sv, Sw pour le circuit d'inversion du circuit B6. Il suffit d'inverser ce signal de sorte que toujours le transistor côté haut 32 ou le transistor côté bas 33 soit conducteur alors que l'autre transistor est toujours bloqué (non conducteur). Pour cela, et comme le montre la figure 1, avant d'appliquer les signaux de commande Su, Sv, Sw au transistor côté bas 33 on les inverse par l'inverseur respectif 35. Ainsi contrairement à la commande à effectuer selon l'état de la technique, il suffit d'un nombre de lignes de commande pour les signaux de commande Su, Sv, Sw qui correspond au nombre des phases. Dans l'état de la technique, le nombre de signaux de commande nécessaires pour des circuits pilotes comparables à la topologie B6, nécessite le double de phases. Lors de l'alimentation des lignes de phase, selon laquelle chaque ligne de phase est toujours mise en tension, le circuit pilote 3 passe par une brève phase de roue libre active pendant les pauses du rapport de travail. Cela donne différentes possibilités pour générer un certain vecteur de tension par la modulation de largeur d'impulsion. Par 12 le choix des signaux de commande qui donne selon une modulation de largeur d'impulsion, une tension effective réduite appliquée à la ligne de phase associée, la roue libre active peut être assurée au choix par le transistor côté haut 32 ou le transistor côté bas 33 de l'un des circuits inverseurs 31 ou en variante par les transistors côté haut 32 ou les transistors côté bas 33 (ou les diodes de roue libre associées). Cela apparaît par exemple dans les diagrammes des signaux de la figure 4. La figure 4a montre une charge alternée des transistors côté haut 32 et des transistors côté bas 33 par le courant de roue libre alors que la figure 4b montre une charge limitée aux transistors côté haut 32 ; la figure 4c montre une charge limitée aux seuls transistors côté bas 33. Cela permet d'équilibrer la charge thermique entre les transistors côté haut 32 et les transistors côté bas 33. Cela est notamment possible du fait que les transistors côté haut 32 et les transistors côté bas 33 comportent des capteurs de température ce qui permet à l'unité de commande 4 d'appliquer une stratégie de commande appropriée. En variante il est également possible d'assurer une commande du circuit pilote 3 en combinant le motif de commutation usuel avec le motif de commutation de la figure 3, si l'unité de commande comporte six lignes de sortie fournissant les signaux de commande.25 NOMENCLATURE 1 système de moteur 2 machine électrique 3 circuit pilote 4 unité de commande 5 détecteur de position de rotor 6 détecteur de position de rotor discriminateur de phase 10 11 compteur de marche avant 12 compteur de marche arrière 13 bloc de commande 31 circuit inverseur 32 transistor côté haut 33 transistor côté bas 35 inverseur Uu tension de phase Uv tension de phase Uw tension de phase VH potentiel d'alimentation VL potentiel d'alimentation Uvers potentiel d'alimentation Su signaux de commande Sv signaux de commande Sw signaux de commande LLS 1 signaux de position de rotor LLS2 signaux de position de rotor VS signal de marche avant RS signal de marche arrière N nombre de flancs comptés du signal35 REVENDICATIONS1 °) Système de moteur comprenant : une machine électrique à commutation électronique (2), - un circuit pilote (3) pour gérer la machine électrique (2), - une unité de commande (4) pour commander le circuit pilote (3) suivant le segment de position du rotor dans lequel se trouve une position du rotor de la machine électrique (2) avec des signaux de commande selon un motif de commutation associé au segment de position de rotor, - un capteur de position de rotor ayant deux détecteurs de position de rotor (5) pour fournir des signaux de position de rotor en fonction de la variation relative de la position du rotor, système caractérisé en ce que l'unité de commande (4) détermine la position absolue actuelle du rotor 15 à partir des signaux de position du rotor et associe le motif de commutation à la position absolue du rotor. 2°) Système de moteur (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que 20 l'unité de commande (4) comporte un microcontrôleur, les signaux de position du rotor étant reliés aux entrées d'interruption du microcontrôleur pour que selon la variation de l'un des signaux de position du rotor, le traitement soit interrompu dans l'unité de commande (4) et la position du rotor soit actualisée. 25 3°) Système de moteur (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'unité de commande (4) est réalisée pour calibrer la position du rotor selon le branchement du système de moteur (1). 30 4°) Système de moteur (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le capteur de position du rotor a une résolution pour donner un nombre entier de variations de la position du rotor dans un segment de position 35 de rotor. °) Système de moteur (1) selon la revendication 3, caractérisé en ce que pour le calibrage il comporte un autre capteur de position de rotor à 5 plusieurs autres détecteurs de position de rotor (6) pour discriminer au moins un segment de position de rotor. 6°) Système de moteur (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit pilote (3) comporte un nombre de circuits inverseurs (31) associés chaque fois à une phase du moteur électrique (1), chaque circuit inverseur (31) comporte deux commutateurs (32, 33) branchés en série et commandés uniquement à l'aide de l'un des signaux de commande de sorte que seulement un premier potentiel d'alimentation (VH) ou un second potentiel d'alimentation (VL) soit fourni pour la phase de la machine électrique (1). 7°) Système de moteur (1) selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'unité de commande (4) fournit les signaux de commande avec modulation de largeur d'impulsion selon un rapport de travail. 8°) Système de moteur (1) selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'unité de commande (4) génère un motif de commutation pour le circuit pilote, et seulement les commutateurs (32) reliés au premier potentiel d'alimentation (VH) des circuits inverseurs (31) ou les commutateurs (33) des circuits inverseurs (31) reliés au second potentiel 30 d'alimentation (VL) sont modulés en largeur d'impulsion.