Brevet FR3036557A1 — publié le 20161125

-1 PROCEDE ET DISPOSITIF DE COMMANDE D'UNE MACHINE ELECTRIQUE TOURNANTE PAR DES SIGNAUX MLI, ET MACHINE ELECTRIQUE DE VEHICULE AUTOMOBILE CORRESPONDANTE DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION. La présente invention concerne un procédé et un dispositif de commande d'une machine électrique par des signaux MLI. L'invention concerne aussi une machine électrique de véhicule automobile comportant un tel dispositif. ARRIERE PLAN TECHNOLOGIQUE DE L'INVENTION. Le contexte général de l'invention est celui de la commande des machines électriques alimentées par un onduleur. Il est bien connu qu'un onduleur convertit une tension continue en une tension alternative avec une amplitude et une fréquence déterminées. Il s'agit d'un dispositif électronique comprenant des commutateurs électroniques de type MOSFET (acronyme de "Metal-Oxyde Semiconductor Field Effect Transistor" en terminologie anglaise, c'est-à-dire "Transistor à Effet de Champ à Semiconducteur Métal-Oxyde") ou IGBT (acronyme de "Insulated Gate Bipolar Transistor", c'est-à-dire "Transistor Bipolaire à Grille Isolée"). La forme d'onde alternative est obtenue en commandant une succession de commutations. La source continue est modulée sur le principe d'une modulation en largeur d'impulsion (MLI) d'un signal de manière à obtenir la fréquence et l'amplitude désirées. Le signal MLI est un signal alternatif discret calculé par un algorithme de commande. Sa période de discrétisation dépend d'une fréquence d'échantillonnage de la commande. Dans la mesure où le signal MLI est la base de la modulation de tension, sa fréquence d'échantillonnage est inévitablement présente dans le spectre de la tension alternative produite par l'onduleur. Plusieurs problèmes sont liés à ces harmoniques tels que la compatibilité électromagnétique (CEM) ou le bruit vibratoire. Dans ce cadre, l'invention vise à réduire l'énergie contenue dans les harmoniques du signal MLI. Pour ce faire, une période fondamentale du signal MLI est rendue variable. L'énergie des harmoniques est alors étalée dans la bande de fréquence correspondant à cette variation de période fondamentale. 3 0 3 6 5 5 7 - 2 - Un tel procédé est déjà connu de la société VALEO ELECTRICAL SYSTEMS qui le décrit dans sa demande de brevet américain US20050069301 pour une application à un moteur électrique à courant continu, dont la vitesse est contrôlée par un courant d'alimentation présentant un rapport cyclique variable, de 5 manière à réduire des parasites induits dans un poste de radio d'un véhicule. Conventionnellement ce procédé est appliqué à des commandes par signaux MLI de machines électriques plus complexes qu'un moteur électrique à courant continu, telles que des machine électriques tournantes synchrones polyphasées. Pour ce type de machines, l'onduleur doit alimenter les phases d'un stator de 10 manière à produire un champ magnétique tournant entraînant un rotor. Un procédé dit de "Modulation en Largeur d'Impulsion Vectorielle " ou SVM (acronyme de "Space Vector Modulation" en terminologie anglaise) permet de produire les signaux MLI alimentant les phases en fonction d'une vitesse et d'un couple requis. 15 Ces signaux MLI sont le plus souvent générés par des algorithmes élaborés, exécutés par un microprocesseur ou un microcontrôleur, tels que décrits par exemple dans la demande de brevet français FR2895597 au nom de la société VALEO EQUIPEMENTS ELECTRIQUES MOTEURS. Dans le procédé connu pour obtenir des signaux MLI échantillonnés à une 20 fréquence variable, les calculs relatifs à la commande MLI vectorielle sont effectués à cette fréquence variable, ce qui présente un inconvénient car il peut être nécessaire que tous les algorithmes de commande soient exécutés à cette fréquence variable. 25 DESCRIPTION GENERALE DE L'INVENTION. La présente invention propose donc un procédé pour pallier cet inconvénient. Elle a précisément pour objet un procédé de commande d'une machine électrique par des signaux MLI du type de ceux où ces signaux sont échantillonnés 30 à une fréquence d'échantillonnage variable. Selon le procédé de l'invention, on effectue successivement: - un calcul des signaux MLI à une fréquence de calcul fixe prédéterminée; - une écriture des signaux MLI dans un registre; - une relecture des signaux MLI dans le registre à la fréquence d'échantillonnage. 3036557 - 3 - Dans le procédé de commande d'une machine électrique par des signaux MLI selon l'invention, ce calcul est avantageusement une détermination des vecteurs de commande d'une modulation en largeur d'impulsion vectorielle. L'invention concerne également un dispositif de commande d'une machine 5 électrique par des signaux MLI apte à la mise en oeuvre du procédé décrit précédemment. Le dispositif dont il s'agit est du type de ceux comportant une unité électronique de contrôle générant les signaux MLI à une fréquence d'échantillonnage variable. 10 Selon l'invention, cette unité électronique de contrôle comprend: - une première horloge à une fréquence de calcul fixe prédéterminée; - une unité de calcul calculant les signaux MLI à la fréquence de calcul; - un registre; - des moyens d'écriture des signaux MLI dans le registre; 15 - une seconde horloge à une fréquence d'échantillonnage variable; - des moyens de relecture des signaux MLI dans le registre à la fréquence d'échantillonnage. Le dispositif de commande d'une machine électrique par des signaux MLI selon l'invention comprend en outre avantageusement un onduleur piloté par l'unité 20 électronique de contrôle apte à être relié à un réseau électrique de bord alimenté par une batterie et destiné à être connecté à des enroulements de phases de la machine électrique. Selon l'invention, l'unité de calcul exécute avantageusement à la fréquence de calcul au moins un algorithme de détermination des vecteurs de commande 25 d'une modulation en largeur d'impulsion vectorielle destinés à contrôler la machine électrique. On tirera bénéfice d'une machine électrique de véhicule automobile, comprenant le dispositif de commande décrit précédemment. De préférence, cette machine électrique sera une machine électrique tournante synchrone polyphasée. 30 L'invention vise aussi une mémoire informatique apte à être implémentée dans le dispositif de commande décrit ci-dessus, comportant un code informatique représentatif du procédé de commande d'une machine électrique par des signaux MLI selon l'invention. Ces quelques spécifications essentielles auront rendu évidents pour 3036557 - 4 - l'homme de métier les avantages apportés par l'invention 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 5 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. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS. La Figure 1 est un schéma électrique simplifié d'un dispositif de commande par des signaux MLI d'une machine électrique triphasée reliée à un onduleur selon 10 l'invention. Les Figures 2a et 2b sont respectivement des spectres d'une tension de sortie de l'onduleur montré sur la Figure 1, sans et avec la mise en oeuvre du procédé de commande selon l'invention. 15 DESCRIPTION DES MODES DE REALISATION PREFERES DE L'INVENTION. Une machine électrique 1 de véhicule automobile est généralement une machine électrique tournante polyphasée alimentée à partir d'une tension d'alimentation B+ du réseau électrique de bord 2, quand elle fonctionne en moteur, ou fournissant de l'énergie électrique à ce réseau 2 quand elle fonctionne en 20 alternateur. Un convertisseur CC/CA réversible 3 connecté au stator 4 permet de réaliser ces deux modes de fonctionnement. Comme le représente schématiquement la Figure 1 (dans le cas d'une machine triphasée par simplification), le convertisseur CC/CA réversible 3 comporte des éléments de commutation à semi-conducteur 5, 6, le plus souvent 25 des transistors de puissance de technologie MOSFET, organisés en pont 5, 6. Chaque bras comporte un premier transistor de puissance 5 reliant un enroulement de phase u, y, w à la tension d'alimentation B+ (transistor dit "high sicle" 5) quand il est passant, et un second transistor de puissance 6 reliant cet enroulement de phase u, y, w à une masse (transistor dit "low sicle") quand il est 30 passant. Ces éléments de commutation 5, 6, sont pilotés par une unité électronique de contrôle 7 de manière à ce que le convertisseur 3 constitue un redresseur synchrone pour un fonctionnement en alternateur de l'alterno-démarreur, et 3036557 - 5 - constitue un générateur polyphasé, ou onduleur, créant dans le stator 4 un champ tournant pour un fonctionnement en moteur. Pour créer ce champ tournant, on applique sur les phases u, y, w des tensions appropriées en pilotant l'onduleur 3 de manière à ce qu'il fournisse des 5 signaux modulés en largeur d'impulsion (MLI vectorielle) correspondants C. Selon un procédé bien connu de l'état de la technique, la génération de ces signaux MLI est basée sur l'exécution par une unité de calcul 8 de l'unité de contrôle 7 d'un microprogramme stocké dans une mémoire 9 consistant essentiellement à comparer des rampes périodiques aux niveaux de signaux de 10 référence, généralement sinusoïdaux, correspondant à une modulation des courants de phases nécessaire pour créer un champ tournant dans le stator 4. Selon le procédé de l'invention, on commande l'onduleur 3 de manière à limiter les harmoniques des tensions de sortie V1 de l'onduleur 3, sans faire varier la période de calcul 1/Fcal. 15 Pour ce faire, l'unité électronique de contrôle 7 comprend une première horloge 10 à la fréquence de calcul Fcal fixe (de préférence égale à 16 KHz) déterminant un cycle de calcul de l'unité de calcul 8. Les signaux MLI calculés sont écrits dans un registre 11 de l'unité électronique de contrôle 7, avant d'être relus dans le registre 11 sous le contrôle 20 d'une seconde horloge 12 de l'unité électronique de contrôle 7 à une fréquence d'échantillonnage Fpwm variable, pour piloter l'onduleur 3. La Figure 2a est un premier spectre 13 d'une tension de sortie V1 de l'onduleur 3 quand la fréquence de calcul Fcal et la fréquence d'échantillonnage Fpwm sont fixes, égales à 16 KHz, c'est-à-dire dans le cas où le procédé selon 25 l'invention n'est pas mis en oeuvre. Ce premier spectre 13 montre bien une raie fondamentale 14 à 16 KHz et les nombreux harmoniques 15 de grande amplitude. La Figure 2b est un second spectre 16 de la tension de sortie V1 de l'onduleur 3 quand la fréquence de calcul Fcal est fixe, égale à 16 KHz, et la fréquence d'échantillonnage Fpwm est variable, comprise entre 13 KHz et 19 KHz, 30 c'est-à-dire dans le cas où le procédé selon l'invention est mis en oeuvre. Ce second spectre 16 montre que la raie fondamentale 14 est moins perceptible et que tous les autres harmoniques 15 sont atténués et étalés. Le procédé permet donc de réduire le bruit vibratoire audible et d'améliorer la compatibilité électromagnétique de la machine électrique 1. 3036557 - 6 - Des instructions représentatives du procédé selon l'invention sont stockées dans la mémoire 9 de l'unité électronique de contrôle 7. Elles comprennent des instructions de calcul de vecteurs de commande de la MLI vectorielle à la fréquence de calcul Fcal et des instructions de chargement du registre 11 avec des 5 valeurs de MLI résultant de ce calcul. Ces instructions représentatives du procédé comprennent également des instructions de lecture des valeurs MLI dans le registre 11 à la fréquence d'échantillonnage. L'unité électronique de contrôle 7 est formée avantageusement par un microcontrôleur à double base de temps 10, 12. io Comme il va de soi, l'invention ne se limite pas aux seuls modes d'exécution particuliers décrits ci-dessus. Dans le domaine automobile, l'invention trouvera de nombreuses applications dans la commande des moteurs électriques. Par exemple, dans la commande des moteurs électriques des dispositifs d'essuie-glace ou des machines 15 électriques tournantes réversibles, telles qu'un alterno-démarreur, lorsque celles-ci fonctionnent en mode moteur. Le procédé selon l'invention pourra s'appliquer à une machine électrique présentant un plus grand nombre de phases u, y, w que la machine 1 décrite ici en référence à la Figure 1. Le procédé pourrait également s'appliquer à un moteur à courant continu 20 alimenté par une tension MLI pour contrôler sa vitesse,. Les types de composants électroniques ne sont indiqués qu'à titre d'exemple, et pourront être remplacés autant que de besoin par d'autres composants ayant une même fonction, notamment l'unité électronique de calcul 7 pourra être formée par un microprocesseur, un ASIC (acronyme de "Application 25 Specific Integrated Circuit" en terminologie anglaise, c'est-à-dire "Circuit Intégré Spécifique à une Application"), ou même en partie par une logique câblée. Les valeurs numériques de la fréquence de calcul Fcal et de la fréquence d'échantillonnage Fpwm ne sont aussi données qu'à titre d'exemple. D'autres valeurs numériques seront utilisées en fonction des caractéristiques électro30 mécaniques des machines électriques 1 à commander. L'invention embrasse donc toutes les variantes possibles de réalisation qui resteraient dans le cadre défini par les revendications ci-après. REVENDICATIONS1) Procédé de commande d'une machine électrique (1) par des signaux MLI (C) du type de ceux où lesdits signaux MLI (C) sont échantillonnés à une fréquence 5 d'échantillonnage variable (Fpwm), caractérisé en ce que l'on effectue successivement: - un calcul desdits signaux MLI (C) à une fréquence de calcul (Fcal) fixe prédéterminée; - une écriture desdits signaux MLI (C) dans un registre (11); 10 - une relecture desdits signaux MLI (C) dans ledit registre (11) à ladite fréquence d'échantillonnage (Fpwm). 2) Procédé de commande d'une machine électrique par des signaux MLI (C) selon la revendication 1 précédente, caractérisé en ce que ledit calcul est une 15 détermination des vecteurs de commande d'une modulation en largeur d'impulsion vectorielle. 3) Procédé de commande d'une machine électrique par des signaux MLI (C) selon la revendication 1 ou 2 précédente, caractérisé en ce que ladite fréquence de 20 calcul (Fcal) est sensiblement égale à 16 KHz et ladite fréquence d'échantillonnage (Fpwm) est comprise entre 13 KHz et 19 KHz. 4) Dispositif de commande (17) d'une machine électrique (1) par des signaux MLI (C) apte à la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 25 1 à 3 précédentes, du type de ceux comportant une unité électronique de contrôle (7) générant lesdits signaux MLI (C) à une fréquence d'échantillonnage (Fpwm) variable, caractérisé en ce que ladite unité électronique de contrôle (7) comprend: - une première horloge (10) à une fréquence de calcul (Fcal) fixe prédéterminée; - une unité de calcul (8) calculant lesdits signaux MLI (C) à ladite fréquence de 30 calcul (Fcal); - un registre (11); - des moyens d'écriture desdits signaux MLI (C) dans ledit registre (11); - une seconde horloge (12) à une fréquence d'échantillonnage (Fpwm) variable; 3 0 3 6 5 5 7 - 8 - - des moyens de relecture desdits signaux MLI (C) dans ledit registre (11) à ladite fréquence d'échantillonnage (Fpwm). 5) Dispositif de commande (17) d'une machine électrique (1) par des signaux MLI (C) selon la revendication 4 précédente, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un onduleur (3) piloté par ladite unité électronique de contrôle (7) apte à être relié à un réseau électrique de bord (2) alimenté par une batterie (Batt+) et destiné à être connecté à des enroulements de phases (u, y, w) de ladite machine électrique (1). 6) Dispositif de commande (17) d'une machine électrique (1) par des signaux MLI (C) selon la revendication 5 précédente, caractérisé en ce que ladite unité de calcul (8) exécute à ladite fréquence de calcul (Fcal) au moins un algorithme de détermination des vecteurs de commande d'une modulation en largeur d'impulsion vectorielle destinés à contrôler ladite machine électrique (1). 7) Dispositif de commande (17) d'une machine électrique par des signaux MLI (C) selon l'une quelconque des revendications 4 à 6 précédentes, caractérisé en ce que ladite fréquence de calcul (Fcal) est sensiblement égale à 16 KHz et ladite fréquence d'échantillonnage (Fpwm) est comprise entre 13 KHz et 19 KHz. 8) Machine électrique (1) de véhicule automobile, caractérisée en ce qu'elle comprend un dispositif de commande (17) selon l'une quelconque des revendications 4 à 7 précédentes. 9) Machine électrique (1) de véhicule automobile selon la revendication 8 précédente, caractérisée en ce qu'elle est du type d'une machine électrique tournante synchrone polyphasée. .10) Mémoire informatique (9) apte à être implémentée dans un dispositif de commande (17) d'une machine électrique par des signaux MLI (C) selon l'une quelconque des revendications 4 à 7 précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte un code informatique représentatif du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 précédentes.