Brevet FR3025890A1 — publié le 20160318

PROCEDE ET DISPOSITIF DE DIAGNOSTIC DE DEFAUTS DE CAPTEURS DE COURANTS DE PHASES D'UN SYSTEME DE PILOTAGE D'UNE MACHINE ELECTRIQUE TOURNANTE SYNCHRONE DE VEHICULE AUTOMOBILE DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION. La présente invention concerne un procédé et un dispositif de diagnostic de défauts de capteurs de courants de phases d'un système de pilotage d'une machine électrique tournante synchrone de véhicule automobile. L'invention concerne également une machine électrique tournante synchrone comprenant un tel dispositif, notamment une machine telle qu'un moteur électrique synchrone à aimants permanents pour des applications dans des véhicules automobiles électriques et hybrides, des directions assistées électriques, des compresseurs de climatisation et des ventilateurs. ARRIERE PLAN TECHNOLOGIQUE DE L'INVENTION. Le nombre d'équipements électroniques et de fonctions électriques dans des systèmes embarqués dans des véhicules est en augmentation constante. Cela est dû à leur grande souplesse d'utilisation, leur compacité et leur faible contrainte de 20 maintenance. Cependant leur disponibilité et leur fiabilité représentent un enjeu, car ils peuvent être sujets à des pannes. De ce fait, des mécanismes sont prévus très en amont, dès la phase de leur conception, de manière à faciliter la détection des défauts, le diagnostic et la 25 reconfiguration appropriée des commandes. De nombreux travaux ont été effectués dans le domaine de la détection des défauts des systèmes de pilotage électriques et de leurs caractérisations. Les cas des capteurs de courants, du capteur de position angulaire, et du capteur de tension continue d'une commande d'un moteur synchrone à aimants 30 permanents sont connus de l'état de la technique, et de bons résultats expérimentaux ont été obtenus, mais peu de détails sont donnés sur la question de l'isolation du défaut dans le cas des capteurs de courant. Pour l'homme de métier, le procédé le plus utilisé pour la détection et la caractérisation du défaut (FDI en terminologie anglaise, acronyme de "Fault 3025890 - 2 - Detection and Isolation") est basé sur l'observation du comportement du système réel par rapport à un modèle théorique. Les différences qui apparaissent permettent de décider si le système comporte un défaut ou non. 5 Toutefois ce procédé présente de nombreux inconvénients. Il nécessite notamment de construire un modèle prenant en compte toutes les variables d'état du système, et il est difficile de modéliser les perturbations, dues au couple résistant ou à la variation de vitesse par exemple, qui ne sont pas des défauts. 10 Pour pallier ces inconvénients, il a été proposé dans l'article "Current Sensor Fault Diagnosis in Stationary Frame for PMSM Drive in Automotive Systems", S. Diao et al., 2014 Ninth International Conference on Ecological Vehicules and Renewable Energies (EVER), IEEE, une alternative basée sur une estimation à partir d'un système d'équations différentielles d'une dynamique d'une différence 15 entre les courants de phases mesurés et des courants de phases nominaux. Toutefois, les estimateurs utilisés font intervenir des paramètres électriques qui ne sont pas indépendants de la machine et sont calculés dans un repère stationnaire qui ne permet pas d'opérer toutes les simplifications possibles dans le cas d'un système de pilotage. DESCRIPTION GENERALE DE L'INVENTION. Le but de la présente invention est donc de prendre en compte les propriétés d'un système de pilotage pour simplifier les calculs de ces différences. Elle a précisément pour objet un procédé de diagnostic de défauts de 25 capteurs de courants de phases d'un système de pilotage d'une machine électrique tournante synchrone de véhicule automobile. Conformément à l'invention, le procédé prend en compte des différences entre des mesures fournies par les capteurs et des valeurs nominales des courants de phases afin de diagnostiquer des défauts, ces différences étant calculées dans 30 un repère en rotation et étant indépendantes d'un modèle électromécanique de la machine. Selon une autre caractéristique de l'invention, ce repère est un repère de Park. Dans le procédé selon l'invention, on détecte les défauts de capteurs si ces 35 différences sont sensiblement non nulles. 3025890 - 3 - Selon l'invention, on détecte un défaut d'offset d'au moins un des capteurs si une pulsation résiduelle des différences est sensiblement égale à une vitesse mesurée du système de pilotage. Selon l'invention encore, on détecte alternativement un défaut de gain d'au 5 moins un des capteurs si une pulsation résiduelle des différences est sensiblement égale au double d'une vitesse mesurée du système de pilotage. Dans le procédé selon l'invention, on identifie un capteur défaillant parmi les capteurs de courants de phases du système de pilotage en comparant à un angle électrique mesuré un angle électrique résiduel défini par la relation: 10 ares= arctan(- Tql id ) où id et Tg sont les différences définies ci-dessus. L'invention concerne également un dispositif de diagnostic de défauts de capteurs de courants de phases d'un système de pilotage d'une machine électrique tournante synchrone de véhicule automobile apte à la mise en oeuvre du procédé 15 décrit ci-dessus. Le dispositif dont il s'agit est du type de ceux comprenant: - des moyens d'acquisition de mesures fournies par les capteurs et d'un angle électrique du système de pilotage; - des moyens de traitement numériques de ces mesures; 20 - des moyens de génération de drapeaux signalant les défauts de capteurs. Selon l'invention, ces moyens de traitement exécutent une transformation de Park. Selon l'invention encore, ces moyens de traitement comprennent des moyens d'analyse de formes d'onde des courants de phases dans un repère de 25 Park, ces moyens d'analyse de formes d'onde incluant des moyens de calcul d'une moyenne glissante dans le temps. Dans le dispositif selon l'invention, les moyens d'acquisition acquièrent en outre une vitesse du système de pilotage et les moyens de traitement comprennent en outre des moyens de détection d'un défaut d'offset et/ ou d'un défaut de gain 30 d'au moins un des capteurs en fonction de cette vitesse. Selon l'invention, les moyens de traitement comprennent en outre des moyens d'identification d'un capteur défaillant parmi les capteurs de courants de phases en fonction de l'angle électrique. L'invention a également pour objet une machine électrique tournante 35 synchrone comportant au moins un système de pilotage. 3025890 - 4 - Cette machine comprend, selon l'invention, un dispositif de diagnostic de défauts de capteurs de courants de phases du système de pilotage ayant les caractéristiques décrites ci-dessus. Une mémoire informatique à semi-conducteurs, destinée à être intégrée 5 dans un dispositif de diagnostic de défauts de capteurs de courants de phases d'un système de pilotage d'une machine électrique tournante synchrone de véhicule automobile selon l'invention, remarquable en ce qu'elle contient un code informatique représentatif du procédé selon l'invention, est aussi visée par l'invention. 10 Ces quelques spécifications essentielles auront rendu évidents pour l'homme de métier les avantages apportés par le procédé et le dispositif de diagnostic de défauts de capteurs de courants de phases d'un système de pilotage d'une machine électrique tournante synchrone de véhicule automobile selon l'invention, ainsi que par la machine électrique tournante synchrone et la mémoire informatique 15 associée, par rapport à l'état de la technique antérieur. Les spécifications détaillées de l'invention sont données dans la description qui suit en liaison avec les dessins ci-annexés. Il est à noter que ces dessins n'ont d'autre but que d'illustrer le texte de la description et ne constituent en aucune sorte une limitation de la portée de l'invention. 20 BREVE DESCRIPTION DES DESSINS. La Figure 1 est un schéma de principe général d'un système de pilotage d'une machine électrique tournante synchrone. La Figure 2 est schéma de principe d'une unité de contrôle du système de 25 pilotage d'une machine électrique tournante synchrone montré sur la Figure 1 incorporant un dispositif de diagnostic de défauts de capteurs de courants de phases selon l'invention. La Figure 3 est un organigramme illustrant le procédé selon l'invention de diagnostic de défauts de capteurs de courants de phases d'un système de pilotage 30 d'une machine électrique tournante synchrone. DESCRIPTION DU MODE DE REALISATION PREFERE DE L'INVENTION. Un système de pilotage 1 d'une machine électrique tournante synchrone 2, tel que celui montré sur la Figure 1, comprend généralement une unité de contrôle 3025890 -5- 3 commandant un onduleur 4 alimentant la machine électrique synchrone 2 en courant à partir d'une source de tension continu 5. Des mesures de la tension Vbat de la source de tension continu 5, des courants de phases ia, ib, ic correspondant aux trois phases A, B, C, de l'angle 5 électrique e et de la vitesse w associées aux consignes de couple Fre et de vitesse Wref sont les entrées habituelles de l'unité de contrôle 3. Cette unité de contrôle 3 génère les signaux de commande U, V, W de l'onduleur 4 de façon que la machine électrique synchrone 2 fournisse le couple requis Fre à la vitesse spécifiée curef, paramètres le plus souvent transmis sur un 10 bus de terrain 6. La Figure 2 montre les principaux éléments de l'unité de contrôle 3. L'angle électrique e du système de pilotage 1 est fourni à l'unité de contrôle 3 par un capteur de position 7 d'un rotor 8 de la machine électrique tournante synchrone 2. 15 La vitesse w est fournie par un capteur de vitesse 9, ou par un calcul à partir de l'angle électrique e. Les mesures des courants de phases ia, ib, ic, sont fournies par des capteurs de courants de phases 10. Ce sont précisément ces capteurs de courants de phases 10 qui peuvent 20 présenter des défauts, soit un défaut d'offset, soit un défaut de gain. Ces défauts sont évidemment préjudiciables au bon fonctionnement du système de pilotage 1 de la machine électrique tournante synchrone 2, et il convient de les détecter et de caractériser le capteur défaillant. Le but de l'unité de contrôle 3 est de permettre un fonctionnement efficace 25 du système de pilotage 1 dans une large gamme de couples et de vitesses. Pour ce faire, une boucle de contrôle fermée est nécessaire 11. La boucle de contrôle fermée 11 est un correcteur qui assure un bon asservissement des courants de phases mesurés à partir d'un courant de référence [cf. Un bloc de calcul de courant de référence 12 donne ce courant de référence 30 leef à partir des références de couple Fref ou de vitesse cure, et des paramètres électriques de la machine électrique tournante 2. Ce bloc de calcul de courant de référence 12 transforme une référence mécanique en une référence électrique. Après que les tensions de référence Vref ont été calculées par la boucle de 35 contrôle fermée 11, le bloc de contrôle de modulation en largeur d'impulsion 13 3025890 - 6 - génère les signaux de commande U, V, W modulés en largeur d'impulsion (ou PWM, acronyme de "Pulse Width Modulation" en terminologie anglaise) de l'onduleur 4. En ce qui concerne la boucle de contrôle fermée 11, puisqu'il s'agit d'un 5 système de pilotage 1, le contrôle peut être réalisé dans différents repères. Le transformation de Clarke bien connue est une projection de grandeurs de phases sur deux axes fixes (11,6). Ensuite la transformation de Clarke peut être suivie par une rotation qui convertit les composantes alternatives du repère (11,6).en composantes continues 10 sur des axes direct et en quadrature (le repère (d, q)). La combinaison d'une transformation de Clarke et d'une rotation du repère (ct,p) au repère (d, q) est appelée usuellement une transformation de Park. Le principal avantage de ces transformations est une réduction de l'ordre du système (de 3 à 2) et un découplage des variables de contrôle. 15 Un pilotage efficace d'un système de pilotage électrique 1 nécessite que les courants instantanés ia, ib, ib soient bien connus. Pour un fonctionnement fiable du système de pilotage électrique 1, la stratégie de contrôle doit être tolérante à un défaut de capteur 10. Alors, la continuité du fonctionnement est assurée et les contraintes de sécurité sont satisfaites. 20 Actuellement, dans les applications les plus exigeantes, une redondance du matériel est utilisée pour surmonter une panne de capteur 10. Cette solution rend la conception du système de pilotage électrique 1 plus complexe et en augmente le coût. En revanche, une redondance logicielle est beaucoup plus intéressante du 25 fait de sa capacité d'évolution en plus de son bas coût. A cette fin, un procédé de diagnostic basé sur une analyse des formes d'onde des courants dans un repère en rotation (repère (d,q)) est élaboré. Ce procédé, illustré par la Figure 3, a seulement besoin des courants de phases ia, ib, ib fournis en entrée 14, de l'angle électrique 6 et de la vitesse w pour 30 détecter 15 et identifier 16 le capteur défaillant parmi l'ensemble des capteurs de courants de phases 10. On fait l'hypothèse d'une défaillance d'un seul capteur 10, mais cette hypothèse est réaliste car la probabilité de la défaillance simultanée de deux capteurs est très faible. 3025890 - 7 - L'analyse de la forme d'onde des courants dans le repère en rotation est détaillée ci-dessous. Les équations des courants sont d'abord données dans le repère naturel (a, b, c) et dans le repère de Park (d,q) en mode de fonctionnement habituel, ou 5 nominal, en l'absence de défaut de capteur 10 (l'indice h indique des variables dans ce mode). Dans le repère naturel (a, b, c), on a les valeurs nominales suivantes: 'a,h = Icos(0) ibm 27c = I cos(0 - ) /cm 27c = Icos(0 + ) Dans le repère de Park (d,q), on calcule 17: 1 1 1 Vi Vi Vi = ii32 cas 0 COS(0 - -an) cos(0 + -an) 3 3 -sine -sin(0-72t 3 3 ) -sin(e+72t) La conséquence d'un capteur défaillant est ensuite modélisée dans un premier cas d'un défaut d'offset et dans un second cas d'un défaut de gain. 20 Dans le premier cas, les mesures fournies 14 par les capteurs de courants de phases 10 s'écrivent pour chacune des trois phases A, B, C: iam= ia,h + AIa ibm = ib,h + Aib 'cm = ic,h + Aic Olj: Dia, Dib et Dib sont les offsets sur les phases A, B et C respectivement. ia m, ibm et icm sont les mesures fournies par les capteurs de courants de phases 10 des phases A, B et C respectivement. Des différences id, Tg entre les mesures et les valeurs nominales sont 30 obtenues 18 dans le repère de Park au moyen des égalités: 7 . . lq = le - ' dm 'd - id,h /dm 10 15 1o,h la ib ic. 302 5 890 - 8 - Lorsque les valeurs nominales /ah et ne sont pas connues, elles peuvent être approchées en appliquant une moyenne glissante dans le temps aux valeurs des courants. On a pour chacune des phases A, B et C : 5 PhaseA PhaseB PhaseC lid = 3 cos(0 --237c), - 2 27c IÎc, = -2 cos(0 + -27c) . REVENDICATIONS1) Procédé de diagnostic (15, 16) de défauts de capteurs de courants de phases (10) d'un système de pilotage (1) d'une machine électrique tournante synchrone (2) de véhicule automobile, caractérisé en ce que ledit procédé prend en compte des différences (id, Tg) entre des mesures fournies (14) par lesdits capteurs (10) et des valeurs nominales desdits courants de phases (ie, ib, ic) afin de diagnostiquer des défauts, lesdites différences (id, 7q) étant calculées (18) dans un repère en rotation et étant indépendantes d'un modèle électromécanique de ladite machine (2). 2) Procédé de diagnostic (15, 16) de défauts de capteurs de courants de phases (10) d'un système de pilotage (1) d'une machine électrique tournante synchrone (2) de véhicule automobile selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit repère est un repère de Park (17). 3) Procédé de diagnostic (15, 16) de défauts de capteurs de courants de phases (10) d'un système de pilotage (1) d'une machine électrique tournante synchrone (2) de véhicule automobile selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'on détecte lesdits défauts de capteurs si lesdites différences (id, 7q) sont sensiblement non nulles (19). 4) Procédé de diagnostic (15, 16) de défauts de capteurs de courants de phases (10) d'un système de pilotage (1) d'une machine électrique tournante synchrone (2) de véhicule automobile selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'on détecte (21, 22) un défaut d'offset d'au moins un desdits capteurs (10) si une pulsation résiduelle ((Aires) desdites différences (id, 7q) est sensiblement égale à une vitesse mesurée (w) dudit système de pilotage (1). 5) Procédé de diagnostic (15, 16) de défauts de capteurs de courants de phases (10) d'un système de pilotage (1) d'une machine électrique tournante synchrone (2) de véhicule automobile selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'on détecte (21, 22) un défaut de gain d'au moins un desdits capteurs (10) si une pulsation résiduelle desdits différences (id, 7q) est sensiblement égale au double d'une vitesse (w) mesurée dudit système de pilotage (1). 3025890 - 12 - 6) Procédé de diagnostic (15, 16) de défauts de capteurs de courants de phases (10) d'un système de pilotage (1) d'une machine électrique tournante synchrone (2) de véhicule automobile selon l'une quelconque des revendications 4 ou 5 5 précédentes, caractérisé en ce que l'on identifie (16) un capteur défaillant parmi lesdits capteurs (10) en comparant à un an,g_leesiélectrique mesuré (6) dudit système (n de pilotage (1) un angle électrique résiduel 1 défini par la relation: ares= arctan(- Tql id où id et Tg sont lesdites différences. 10 7) Dispositif de diagnostic (25) de défauts de capteurs de courants de phases (10) d'un système de pilotage (1) d'une machine électrique tournante synchrone (2) de véhicule automobile apte à la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque de revendications 1 à 6 précédentes, du type de ceux comprenant: 15 - des moyens d'acquisition de mesures (la, lb, 0 fournies par lesdits capteurs (10) et d'un angle électrique (6) dudit système de pilotage (1); - des moyens de traitement numériques desdites mesures (la, ib, 0; - des moyens de génération de drapeaux signalant lesdits défauts de capteurs (10); caractérisé en ce que lesdits moyens de traitement exécutent une transformation 20 de Park. 8) Dispositif de diagnostic (25) de défauts de capteurs de courants de phases (10) d'un système de pilotage (1) d'une machine électrique tournante synchrone (2) de véhicule automobile selon la revendication 7, caractérisé en ce que lesdits moyens 25 de traitement comprennent des moyens d'analyse de formes d'onde desdits courants de phases (ia, ib, ic) dans un repère de Park (17), lesdits moyens d'analyse de formes d'onde incluant des moyens de calcul d'une moyenne glissante dans le temps. 30 9) Dispositif de diagnostic (25) de défauts de capteurs de courants de phases (10) d'un système de pilotage (1) d'une machine électrique tournante synchrone (2) de véhicule automobile selon la revendication 8, caractérisé en ce que lesdits moyens d'acquisition acquièrent en outre une vitesse (w) dudit système de pilotage (1) et en ce que lesdits moyens de traitement comprennent en outre des moyens de 3025890 - 13 - détection d'un défaut d'offset et/ ou d'un défaut de gain d'au moins un desdits capteurs (10) en fonction de ladite vitesse (w). 10) Dispositif de diagnostic (25) de défauts de capteurs de courants de phases (10) 5 d'un système de pilotage (1) d'une machine électrique tournante synchrone (2) de véhicule automobile selon la revendication 9, caractérisé en ce que lesdits moyens de traitement comprennent en outre des moyens d'identification d'un capteur défaillant parmi lesdits capteurs (10) en fonction dudit angle électrique (e). 10 11) Machine électrique tournante synchrone (2) comportant au moins un système de pilotage (1) intégré, caractérisée en ce qu'elle comprend un dispositif de diagnostic (25) de défauts de capteurs de courants de phases dudit système de pilotage (1) selon l'une quelconque des revendications 7 à 10 précédentes. 15 12) Mémoire informatique (26) à semi-conducteurs destinée à être intégrée dans un dispositif de diagnostic (25) de défauts de capteurs de courants de phases (10) d'un système de pilotage (1) d'une machine électrique tournante synchrone (2) de véhicule automobile selon l'une quelconque des revendications 7 à 10 précédentes, caractérisée en ce qu'elle contient un code informatique représentatif du procédé 20 selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 précédentes.