Brevet FR2953077A1 — publié le 20110527

-1- DOMAINE DE L 'INVENTION [001] La présente invention se rapporte au pilotage de moteurs électriques synchrones. 5 Plus précisément, elle se rapporte au pilotage des moteurs électriques de traction de véhicules. ETAT DE LA TECHNIQUE 10 [002] On sait qu'un tel moteur comporte, au stator, un circuit magnétique et des bobinages de fil conducteur de l'électricité capables d'engendrer un flux magnétique statorique, et au rotor, des aimants permanents et un circuit magnétique engendrant un flux magnétique rotorique ; un tel moteur est équipé d'un « resolver » donnant la position du rotor par rapport au stator. Un tel moteur est toujours associé à un onduleur pour en 15 assurer le pilotage. L'homme du métier sait qu'en pratique, un tel moteur est réversible, c'est-à-dire qu'il fonctionne aussi en alternateur. Lorsque l'on parle ci-dessous de moteur, c'est par commodité de langage, étant entendu que dans le contexte de la présente invention, il n'y a pas lieu de distinguer entre un fonctionnement en moteur et un fonctionnement en alternateur. 20 [3] Dans de très nombreuses applications, notamment aux véhicules automobiles, la source d'énergie électrique est une source à courant continu comme une batterie ou une pile à combustible. Dans ce cas, l'onduleur de pilotage du moteur comporte un onduleur transformant le signal continu en un signal alternatif d' amplitude et de fréquence adaptées 25 aux consignes de fonctionnement du moteur. Le rôle de l'onduleur triphasé associé à un moteur synchrone à aimant permanent est de générer un couple mécanique souhaité en sortie d'arbre moteur à partir d'une alimentation de puissance continue. [4] Dans la plupart des applications requérant des puissances importantes, on utilise 30 des machines triphasées. Le principe de fonctionnement est le suivant : l'interaction entre le champ magnétique statorique du moteur, créé par le courant dans le bobinage, et le P10-2364-FR - 2 - champ magnétique rotorique, créé par les aimants, produit un couple mécanique. A partir de la tension continue de l'alimentation, l'onduleur, grâce à trois branches de transistors de puissance, réalise un système de courants triphasés d'amplitude appropriée, de fréquence appropriée et de phase appropriée par rapport au champ rotorique, pour alimenter les trois phases du moteur. Afin de contrôler l'amplitude des courants, l'onduleur dispose de capteurs de courant permettant de connaître les courants de chaque phase du moteur. Pour contrôler la fréquence et la phase des courants, l'onduleur reçoit les signaux d'un resolver qui mesure la position du rotor par rapport au stator. [005] Le contrôleur général est équipé d'une modélisation du moteur qui permet de connaître exactement les courants de phases à réaliser pour obtenir le couple moteur souhaité. L'onduleur, à partir de la modélisation du moteur, détermine les consignes des courants de phase du moteur et les réalisent grâce à ses régulateurs. L'onduleur n'asservit donc pas le couple, mais le courant du moteur. En fonction des différentes conditions de fonctionnement (température du moteur, température de l'onduleur, longueur des câbles) et de la dispersion de fabrication des onduleurs et des moteurs, pour un courant moteur donné, les pertes du moteur, de l'onduleur et des câbles peuvent varier. En conséquence, la puissance, donc le courant absorbé sur la source peuvent être différents d'un cas à l'autre. [6] En conséquence, il est nécessaire de modéliser les pertes d'un système onduleur-moteur choisi comme étalon, la modélisation étant effectuée à une température donnée. La température est en général choisie plutôt haute de façon à surestimer les pertes du moteur, celles-ci étant parmi toutes les pertes celles qui sont les plus dépendantes de la température. De cette façon, pour une consigne couple donnée, on surestime le courant à prélever sur la source de courant pour garantir que le courant ne dépasse pas le courant acceptable par la source. [7] Cette approche n'est pas optimale parce qu'il est difficile d'effectuer une 30 modélisation suffisamment représentative de tous éléments dans tous les cas d'usage. En pratique, on réalise des modélisations sur banc en laboratoire et non pas sur véhicule ou, P10-2364-FR 15 - 3 - même si l'on poursuit par des modélisation sur véhicule, on ne balaye pas tous les cas d'usage de celui-ci, sans parler de la prise en compte du vieillissement des composants dans la modélisation. [008] Cette approche (modélisation) conduit donc à ne pas utiliser la pleine puissance de la source dans les cas ou les pertes réelles sont plus basses que celles estimées (basse température par exemple) et elle ne tient pas compte du vieillissement et donc de la perte de rendement de l'onduleur ou du moteur. Ainsi, les performances maximales ne sont pas garanties dans toutes les conditions. [009] L'objectif de l'invention est de s'affranchir de la nécessité de modéliser les pertes et de proposer les moyens d'un meilleur pilotage du moteur. BREVE DESCRIPTION DE L'INVENTION [0010] L'invention propose un onduleur de pilotage d'un moteur électrique synchrone, le moteur comportant un stator ayant au moins deux phases et un rotor à aimants permanents, ledit rotor étant associé à un resolver donnant la position relative entre rotor et stator, ledit module comportant : 20 • deux bornes de branchement à un bus continu associé à une source d'énergie électrique à courant continu et à tension électrique continue, • un générateur de courant alternatif délivrant un courant à un bornier destiné à être connecté aux phases dudit moteur électrique synchrone, • une ligne d'alimentation entre les bornes de branchement et le générateur, 25 • une entrée recevant le signal délivré par ledit resolver, • un capteur de courant alternatif sur certaines phases alimentant ledit moteur électrique synchrone de façon à connaître le courant alternatif circulant dans chacune des phases, • un capteur de courant sur la ligne d'alimentation, P10-2364-FR - 4 - • une entrée recevant des informations comprenant au moins une valeur de « courant limite de la source », et une consigne couple demandé, • un contrôleur recevant les signaux du capteur de tension sur la ligne d'alimentation, du capteur de courant sur la ligne d'alimentation, du reso lver, du courant de chaque phase de la machine électrique synchrone, les courants limites de la source, la consigne couple demandé, le contrôleur permettant de piloter les courants de phase de la machine électrique en fonction de la consigne couple demandé et en maintenant le courant passant par la ligne à une valeur compatible avec les limites de la source. Dans une mise en oeuvre particulièrement intéressante lorsque l'invention est appliquée au pilotage des moteurs de traction d'un véhicule, le « courant limite de la source » comprend une consigne de courant maximal (de signe positif) correspondant à un courant soutiré à la source d'énergie électrique lorsque le moteur fonctionne en mode traction et une consigne de courant minimal (de signe négatif) correspondant à un courant renvoyé sur le bus à courant continu, en général pour recharger la source d'énergie électrique, lorsque le moteur électrique fonctionne en mode freinage récupératif. BREVE DESCRIPTION DES FIGURES [0011] La suite de la description permet de bien faire comprendre tous les aspects de l'invention au moyen des dessins joints dans lesquels : - la figure 1 illustre un onduleur selon l'invention ; - la figure 2 est un schéma bloc représentant un traitement spécifique de l'onduleur de l'invention ; - la figure 3 est un schéma bloc d'un dispositif additionnel de l'onduleur de l'invention. P10-2364-FR - 5 - DESCRIPTION DE MEILLEURS MODES DE REALISATION DE L'INVENTION [0012] A la figure 1, on voit un onduleur 1, un moteur électrique synchrone triphasée 6, une batterie 8 constituant la source d'énergie électrique continue et un bus CAN ® 7 sur lequel circulent des informations utilisées par l'onduleur 1. Le moteur électrique synchrone triphasée comporte un stator ayant au moins trois phases U, V, W et un rotor à aimants permanents. Ledit rotor étant associé à un resolver 60 donnant la position relative entre rotor et stator. [0013] L'onduleur 1 comporte deux bornes 2 et 10 de branchement à un bus à courant continu (bus DC) associé à une source d'énergie électrique à courant continu et à tension électrique continue. Il comporte un générateur de courant alternatif 3 délivrant un courant à un bornier 4 destiné à être connecté aux phases U, V et W dudit moteur électrique synchrone 6. L'onduleur 1 comporte une ligne d'alimentation 20 entre la borne 2 et le générateur de courants 3. L'onduleur 1 comporte un contrôleur 5 et un étage de pilotage 9 recevant des ordres de pilotage du contrôleur 5 et assurant le pilotage des transistors de puissance du générateur de courants 3. L'onduleur 1 comporte une entrée 51 recevant le signal délivré par ledit resolver. [0014] L'onduleur 1 comporte un capteur de courant alternatif, plus précisément deux capteurs 41, 42 installés sur les phases U et W, le courant sur la phase V étant la somme des courants de phase U et de phase W. Ces courants alternatifs alimentent le moteur électrique synchrone 6. [0015] L'onduleur 1 comporte un capteur de courant 21 sur la ligne d'alimentation 20, ainsi qu'un capteur de tension 22. L'onduleur 1 comporte encore une entrée 52 recevant des informations circulant sur le bus CAN ® 7. Parmi ces informations, il y a la consigne de courant limite Idc max de la source (consigne de signe positif) correspondant à un courant soutiré à la source d'énergie électrique lorsque le moteur fonctionne en mode P10-2364-FR - 6 - traction et la consigne de courant minimal Idc min de la source (consigne de signe négatif) correspondant à un courant renvoyé à la source d'énergie électrique lorsque le moteur électrique fonctionne en mode freinage récupératif. Cette dernière est le courant de recharge le plus intense que la source puisse accepter. [0016] Soulignons que les consignes de courant sont elles mêmes calculées en permanence en fonction de l'état du véhicule. Lorsque le courant renvoyé vers la source ne peut qu'être absorbé par ladite source, c'est un courant de recharge dont la valeur limite dépend de l'état de charge de la source et de sa technologie. Par exemple, une batterie au plomb n'admet que des courants de recharge faibles alors qu'un banc de super-condensateurs admet des courants de recharge élevés et identiques aux courants de décharges. Des Batteries Lithium polymère ou des batteries Lithium Ion acceptent des courants de charge assez importants mais toutefois moindres que les courants de charge. En résumé, la détermination de valeurs de « courant limite de la source » dépend de la technologie d'accumulateur électrique utilisé, de l'état de charge de l'accumulateur et des conditions de véhicules, toutes choses en dehors du cadre de la présente invention. Lesdites valeurs constituent des données d'entrées que la présente invention permet d'exploiter de manière astucieuse. [0017] L'onduleur 1 comporte un contrôleur 5 qui reçoit les signaux du capteur de tension 22 sur la ligne d'alimentation 2, du capteur de courant 21 sur la ligne d'alimentation 2, du resolver 60, du courant de chaque phase de la machine électrique synchrone grâce aux capteurs 41 et 42, les courants limites Idc max et Idc min de la batterie 8, la consigne couple demandé C CAN tel que souhaité circulant aussi sur le bus CAN ® 7. [0018] On voit à la figure 2 que le contrôleur comporte un régulateur de couple comportant une branche B1 de traitement recevant la consigne de courant maximal Idc max, une branche B2 de traitement recevant la consigne de courant minimal Idc min et un module de test T permettant de basculer entre l'une ou l'autre ligne selon le signe du courant. P10-2364-FR - 7 - [0019] Le courant transitant sur la ligne d'alimentation 20 est mesuré par le capteur de courant 21 (voir figure 1) qui communique la mesure Idc du courant au module de test T qui, à son tour et selon le signe du courant, envoie la mesure Idc sur la branche B1 en cas de valeur positive, c'est-à-dire de fonctionnement en traction du moteur 6, ou sur la branche B2 en cas de valeur négative, c'est-à-dire de fonctionnement en freinage récupératif. [0020] Une mesure du courant de deux des trois phases du moteur 6 est également l0 effectuée par un capteur 41 sur la phase U du moteur 6 et par un capteur 42 sur la phase W du moteur 6. Ces valeurs de courant sont communiquées au contrôleur qui calcule le courant sur la phase V. [0021] Par ailleurs, le contrôleur transforme la consigne de couple demandé C CAN en 15 consigne de couple de pilotage Cpil du moteur 6 comme on va l'expliquer ci-dessous puis transforme ce couple de pilotage Cpil en valeur de courant de phase moteur d'une façon classique et bien connue de l'homme du métier. [0022] Revenons à la figure 2 et considérons d'abord la branche B1. Cette branche 20 correspond au fonctionnement en mode moteur où l'onduleur consomme du courant sur la source. Dans un premier mode de réalisation, la consigne de couple de pilotage Ccons est identique à la consigne de couple demandé C CAN. La consigne de couple de pilotage Ccons est positive (Ccons > 0) en marche avant ou elle est négative (Ccons P10-2364-FR - 8 - [0023] Un sommateur 91 reçoit d'une part la consigne de courant limite Idc max de la source et d'autre part la mesure de courant Idc et délivre l'écart de courant par rapport à la valeur de courant limite de la source. Ledit écart est traité par un régulateur « Proportionnel Intégral » 92 et par un écrêteur 93 qui limite le résultat après régulateur Proportionnel Intégral 92 à la valeur « moins la valeur absolue du couple de consigne Ccons ». Le résultat, éventuellement plafonné par l'écrêteur 93, passe ensuite par un module « signe du couple » 94 qui maintient le signe du résultat ou le change, selon que la consigne initiale de couple voulue par le conducteur du véhicule est un couple tendant à augmenter le mouvement de déplacement du véhicule vers l'avant (signe positif) ou à l0 l'augmenter vers l'arrière (marche arrière, signe négatif pour obtenir le résultat Ct. Le résultat Ct entre dans un sommateur 95 qui reçoit par ailleurs la valeur de consigne de couple Ccons et délivre une consigne couple de pilotage Cpil pour piloter le couple du moteur électrique 6. 15 [0024] Ainsi, si l'on est en mode fraction (couple de consigne positif, supposé proche du couple maximal pour le raisonnement, branche BU, si le courant Idc max vaut 1 OOA, si le courant mesuré vaut 105A, au-delà de la limite, le sommateur 91 délivre une valeur -5A négative, dont l'amplitude est proportionnelle au dépassement, transformée en couple d'écart de valeur proportionnelle au dépassement et de signe « moins » par le régulateur 20 Proportionnel Intégral 92. Ensuite, il y a inversion du signe du couple d'écart par le module « signe du couple » 94 car on est en mode fraction. Après le sommateur 95, le couple d'écart Ct est retranché du couple de consigne Ccons pour donner un couple de pilotage moteur Cpil réduit pour tenir compte du dépassement de courant admissible par la source. Dans tous les cas où la sortie du régulateur Proportionnel Intégral 92 est une 25 valeur nulle, la sortie de l'écrêteur 93 est une valeur nulle, la sortie du module « signe du couple » 94 est une valeur nulle et le couple de pilotage Cpil reste identique à la consigne de couple Ccons. Si le courant Idc est positif alors que la consigne de couple est négative (le véhicule est en marche arrière et en fonctionnement moteur), alors le régulateur augmente (c'est-à-dire fait tendre vers 0) la consigne pour diminuer la consommation sur 30 la source. P10-2364-FR - 9 - [0025] La branche B2 correspond au fonctionnement en mode freinage récupératif où l'onduleur injecte du courant sur la source. La consigne de couple Ccons est positive (Ccons > 0) en marche arrière ou elle est négative (Ccons seraient préjudiciables, à iso puissance, au poids du système, ou à iso coefficient de sécurité, en diminuant le risque d'endommagement. [0028] Le fait d'avoir ajouté une mesure du courant de bus permet maintenant de réaliser au sein de l'onduleur la maîtrise de ce courant. En effet, un régulateur interne modifie en temps réel le pilotage du moteur afin de respecter un courant maximum (consommé sur la source) ou minimum (injecté sur la source) de la source. [0029] La gestion du système en est grandement simplifiée. Il n'y a plus besoin de connaître les caractéristiques des éléments moteur, onduleur, câble. Une unité centrale du véhicule (non représentée) envoie par le bus CAN ® 7 au onduleur deux consignes de courant de bus : courant de bus maximum (Idc Max > 0) et courant de bus minimum (Idc Min [0031] En fonctionnement normal du véhicule, c'est-à-dire lorsque le courant de Idc n'a pas atteint l'une des limites, les sorties de l'ensemble régulateur Proportionnel Intégral 92 et l'écrêteur 93 et l'ensemble régulateur Proportionnel Intégral 92B et l'écrêteur 93B sont des valeurs nulles, qui activent l'état INC si C CAN > Ccons, ou qui activent l'état DEC si C CAN Ccons), on incrémente Ccons de AC/AT selon une rampe choisie et de la même manière, tant que la consigne de couple demandé C CAN est inférieur à la consigne de couple de pilotage Ccons (C CAN P10-2364-FR - 12 - entré en fonctionnement. En revanche, on l'autorise la consigne de couple de pilotage Ccons à diminuer. [0033] En conclusion, indiquons que l'invention permet également d'effectuer des contrôles de bon fonctionnement du système onduleur-moteur. En effet, des contrôles de cohérence de puissance consommée (ou générée) peuvent être effectués entre l'entrée de l'onduleur sur ligne d'alimentation 20 et la sortie de l'onduleur 1 sur les phases U, V, W du moteur 6. De plus, le capteur de courant 21 permet de calculer en temps réel le rendement de l'onduleur 1. En outre, l'invention permet de faire des contrôles de cohérence. Par exemple, si le resolver 60 du moteur 6 se décale accidentellement, l'asservissement en courant du moteur va fonctionner normalement mais le champ magnétique statorique ne sera pas phasé correctement par rapport au rotor. Le couple réellement engendré sera plus faible que le couple de consigne. Soulignons le ce contrôle de cohérence est possible même si le couple n'est pas mesuré. La puissance mécanique en sortie du moteur 6 vaut le produit du couple mécanique par la vitesse de rotation. La puissance électrique consommée en entrée de l'onduleur doit correspondre à la puissance mécanique additionnée des pertes. Grâce à la mesure de la tension et du courant de ligne d'alimentation 20, cette puissance électrique est connue et permet d'estimer une puissance mécanique (en retranchant une valeur plausible de pertes), ce qui permet d'estimer le couple mécanique à l'arbre de sortie du moteur. On peut alors comparer ce couple mécanique à la consigne de couple. Un écart au delà d'un seuil expérimental permet d'activer une alerte, et on peut l'on peut proposer comme aide au dépannage les causes possibles que sont un défaut du resolver 60 ou d'un capteur de courant de phase ou celui du bus DC, la mesure de tension du bus DC, .... P10-2364-FR REVENDICATIONS1. Onduleur de pilotage d'un moteur électrique synchrone (6), le moteur comportant un stator ayant au moins deux phases et un rotor à aimants permanents, ledit rotor étant associé à un resolver (60) donnant la position relative entre rotor et stator, ledit module comportant : • deux bornes (2 et 10) de branchement à un bus continu associé à une source d'énergie électrique à courant continu et à tension électrique continue, • un générateur de courant alternatif (3) délivrant un courant à un bornier (4) destiné à être connecté aux phases dudit moteur électrique synchrone (6), • une ligne (20) d'alimentation entre les bornes de branchement et le générateur, • une entrée (51) recevant le signal délivré par ledit resolver, • un capteur de courant alternatif (41, 42) sur certaines phases alimentant ledit moteur électrique synchrone de façon à connaître le courant alternatif circulant dans chacune des phases, • un capteur de courant (21) sur la ligne d'alimentation, • une entrée (52) recevant des informations comprenant au moins une valeur de « courant limite de la source », et une consigne couple demandé, • un contrôleur (5) recevant les signaux du capteur de tension sur la ligne d'alimentation, du capteur de courant sur la ligne d'alimentation, du resolver, du courant de chaque phase de la machine électrique synchrone, les courants limites de la source (Idc max et Idc min), la consigne couple demandé (C CAN), le contrôleur permettant de piloter les courants de phase de la machine électrique en fonction de la consigne couple demandé et en maintenant le courant passant par la ligne (20) à une valeur compatible avec les limites de la source. 2. Onduleur de pilotage d'un moteur électrique synchrone selon la revendication 1 dans lequel le « courant limite de la source » comprend une consigne de courant maximal (de signe positif) correspondant à un courant soutiré à la source d'énergie électrique lorsque le moteur fonctionne en mode traction et une consigne de courant minimal (de signe négatif) correspondant à un courant renvoyé à la source d'énergie électrique lorsque le moteur électrique fonctionne en mode freinage récupératif. P10-2364-FR lo 2953077 - 14 - 3. Onduleur de pilotage d'un moteur électrique synchrone selon la revendication 2 dans lequel le contrôleur comprend une ligne de traitement recevant la consigne de courant maximal et une ligne de traitement recevant la consigne de courant minimal et un 5 module permettant de basculer entre l'une ou l'autre ligne selon le signe du courant. 4. Onduleur de pilotage d'un moteur électrique synchrone selon l'une des revendications 1 à 3, un bloc « rampe de couple » (96) recevant en entrée la consigne de couple C CAN et délivrant une consigne de couple de pilotage Ccons retraitée. 5. Onduleur de pilotage d'un moteur électrique synchrone selon l'une des revendications 1 à 4, utilisé avec un moteur électrique utilisé pour la traction d'un véhicule électrique. 6. Onduleur de pilotage d'un moteur électrique synchrone selon l'une des revendications 15 1 à 4, utilisé avec une batterie comme source d'énergie électrique. P10-2364-FR