Brevet FR3060907A1 — publié le 20180622

L'invention concerne le domaine des dispositifs de pilotage de moteur électrique. ARRIERE PLAN DE L'INVENTION L'alimentation d'un moteur électrique tel qu'un moteur synchrone triphasé nécessite, pour produire une consigne de courant du moteur électrique, de convertir une tension continue en une tension alternative triphasée contrôlée. Pour cela, il est connu dans le domaine aéronautique, d'utiliser des solutions numériques utilisant des composants de type DSP, ASIC ou FPGA. Ces solutions sont soit très compliquées à concevoir, à qualifier et à certifier, du fait notamment du niveau d'exigence élevé des normes RTCA DO-254 et DO-278, soit peu fiables, soit trop peu performantes au regard des perturbations électromagnétiques générées sur les réseaux de bord ou au regard des performances du système. Il a été envisagé d'utiliser des solutions de filtrage passif, utilisant par exemple des inductances et des condensateurs. Ces solutions sont satisfaisantes mais nécessitent un volume important pour loger les composants de filtrage. OBJET DE L'INVENTION L'invention a pour objet une solution pour produire une consigne de courant d'un moteur électrique qui ne présente pas les inconvénients cités ci-dessus. RESUME DE L'INVENTION En vue de la réalisation de ce but, on propose un dispositif de pilotage d'un moteur électrique comprenant trois phases, le dispositif de pilotage comportant : - un onduleur et un module de commande qui génère des signaux de commande de l'onduleur pour mettre en oeuvre 35 une boucle d'asservissement en courant du moteur 3060907 2 électrique ; - un module d'excitation produisant un signal d'excitation ; - un synchro-transmetteur comprenant deux enroulements 5 de couplage, un enroulement d'excitation solidaire en rotation d'un rotor du moteur électrique et trois enroulements de mesure montés sur un stator du moteur électrique, le signal d'excitation étant appliqué sur l'enroulement d'excitation via les deux enroulements de 10 couplage ; - trois premiers démodulateurs synchrones reliés chacun à l'un des trois enroulements de mesure du synchro-transmetteur, et générant chacun, à destination du module de commande, une consigne de courant de la 15 boucle d'asservissement en courant. L'utilisation du synchro-transmetteur et des premiers démodulateurs synchrones constitue une solution simple, fiable, et peu volumineuse pour générer la consigne de courant de la boucle d'asservissement en 20 courant du moteur électrique. L'invention sera mieux comprise à la lumière de la description qui suit d'un mode de mise en oeuvre particulier non limitatif de l'invention. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS 25 Il sera fait référence aux dessins annexés, parmi lesquels : - la figure 1 représente une boucle d'asservissement en courant du dispositif de pilotage selon l'invention, et illustre le fonctionnement de celle-ci ; 30 - les figures 2 et 3 représentent le mode de couplage et de génération des informations de consigne de courant en fonction de la position angulaire ainsi que la solution de communication via le synchro transmetteur des informations permettant de mesurer la vitesse angulaire, indépendamment l'une de l'autre ; 3060907 3 - la figure 4 est un schéma du dispositif complet de pilotage selon l'invention ; - la figure 5 représente un exemple de réalisation du module d'excitation du dispositif de pilotage selon 5 l'invention, et illustre le fonctionnement de celui-ci ; - la figure 6 représente un exemple de réalisation des premiers démodulateurs synchrones du dispositif de pilotage selon l'invention ; - la figure 7 représente un exemple de réalisation des 10 démodulateurs synchrones du dispositif de mesure de vitesse angulaire selon l'invention, deuxièmes démodulateurs qui sont reliés à un module de mesure de vitesse angulaire ; - la figure 8 représente des moyens de détection et de 15 protection contre une divergence de la boucle d'asservissement en courant. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION En référence à la figure 1, le dispositif de pilotage selon l'invention 1 est ici utilisé pour piloter 20 un moteur électrique synchrone triphasé. Le dispositif de pilotage 1 comporte un module de commande 3, ici du type à modulation de largeur d'impulsion (module MLI), un synchro-transmetteur 4, un module d'excitation 5, et trois premiers démodulateurs 25 synchrones 8. Le module de commande 3 est utilisé pour générer des signaux de commande triphasés pour piloter un onduleur qui alimente le moteur électrique. Le synchro-transmetteur 4 comprend un premier 30 enroulement de couplage 6, un deuxième enroulement de couplage 7, un enroulement d'excitation 9 solidaire en rotation d'un rotor du moteur électrique et trois enroulements de mesure 11. Le premier enroulement de couplage 6, fixe, est 35 relié au module d'excitation 5. Le premier enroulement de 3060907 4 couplage 6 est couplé magnétiquement au deuxième enroulement de couplage 7 qui est, lui, solidaire en rotation du rotor du moteur électrique. Les bornes du deuxième enroulement de couplage 7 sont reliées aux 5 bornes de l'enroulement d'excitation 9. Le module d'excitation 5 produit un signal d'excitation Se à une fréquence d'excitation fe, qui est appliqué sur l'enroulement d'excitation 9 du synchrotransmetteur 4 via le premier enroulement de couplage 6 10 et le deuxième enroulement de couplage 7. La fréquence fe est ici égale à 10kHz. Le signal d'excitation Se induit ainsi un courant statorique Is dans chaque enroulement de mesure 11 du synchro-transmetteur 4. Chaque courant statorique Is présente une amplitude qui est fonction de 15 la position angulaire du rotor du moteur électrique. Les trois premiers démodulateurs synchrones 8 sont reliés chacun à l'un des enroulements de mesure 11 du synchro-transmetteur 4. Chaque premier démodulateur synchrone 8 comprend un 20 premier multiplieur 12 et un premier filtre passe-bas 13. Le premier multiplieur 12 reçoit du module d'excitation 5 un premier signal de démodulation Sdl à la fréquence d'excitation fe et multiplie le courant statorique Is, présent sur l'enroulement de mesure 11 auquel est relié 25 le premier multiplieur 12, par le premier signal de démodulation Sdl. Un premier signal multiplié Sml, en sortie du premier multiplieur 12, est appliqué en entrée du premier filtre passe-bas 13. Le premier filtre passe-bas 13 est ici un filtre 30 Butterworth du troisième ordre présentant une fréquence de coupure à -3dB de 5kHz, ou bien un filtre actif Sallen Key du troisième ordre présentant une fréquence de coupure à -3dB de 5kHz, ou bien un autre type de filtre passe-bas. 35 Un premier signal filtré Sfl sortant du premier 3060907 5 filtre passe-bas 13 de chaque premier démodulateur synchrone 8 est appliqué en entrée du module de commande 3. Le module de commande 3 reçoit ainsi trois premiers 5 signaux filtrés Sfl qui présentent chacun une phase et une amplitude qui dépend de la position angulaire du rotor du moteur électrique. Les trois premiers signaux filtrés Sf1 forment chacun une consigne de courant d'une boucle d'asservissement en courant du moteur électrique. 10 En référence aux figures 2 et 3, le dispositif de pilotage 1 comporte de plus trois deuxièmes démodulateurs synchrones 15 et un module de mesure de vitesse angulaire 16 qui est relié aux deuxièmes démodulateurs synchrones 15. Les deuxièmes démodulateurs synchrones 15 sont reliés 15 chacun à l'un des enroulements de mesure 11 du synchro- transmetteur 4. Chaque deuxième démodulateur synchrone 15 comprend un deuxième multiplieur 17 et un deuxième filtre passe-bas 18. Le deuxième multiplieur 17 reçoit du module 20 d'excitation 5 un deuxième signal de démodulation Sd2 à la fréquence d'excitation fe et multiplie le courant statorique Is, présent sur l'enroulement de mesure 11 auquel est relié le deuxième multiplieur 17, par le deuxième signal de démodulation Sd2. Un deuxième signal 25 multiplié Sm2, en sortie du deuxième multiplieur, est appliqué en entrée du deuxième filtre passe-bas 18. Le deuxième filtre passe-bas 18 est ici un filtre Butterworth du troisième ordre présentant une fréquence de coupure à -3dB de 5kHz, ou bien un filtre actif Sallen 30 Key du troisième ordre présentant une fréquence de coupure à -3dB de 5kHz, ou bien un autre type de filtre passe-bas. Un deuxième signal filtré Sf2 sortant du deuxième filtre passe-bas 18 de chaque deuxième démodulateur 35 synchrone 15 est appliqué en entrée du module de mesure 3060907 6 de vitesse angulaire 16. Le module de mesure de vitesse angulaire 16 reçoit ainsi trois deuxièmes signaux filtrés Sf2 présentant chacun une amplitude qui dépend de la position angulaire 5 du rotor du moteur électrique. Les trois deuxièmes signaux filtrés Sf2 forment donc chacun une information de position angulaire du rotor du moteur électrique. Les trois deuxièmes signaux filtrés Sf2 permettent d'obtenir une vitesse angulaire mesurée du rotor du moteur 10 électrique. La vitesse angulaire mesurée permet de générer une erreur de vitesse angulaire sv d'une boucle d'asservissement en vitesse angulaire du moteur électrique. Le module d'excitation 5 comporte un générateur IQ 15 20, un modulateur 21 et un sommateur 22. Le sommateur 22 est ici un sommateur analogique. Le générateur IQ 20 comporte une sortie Q et une sortie I. Un signal déphasé Sd par rapport à un signal de référence à la fréquence d'excitation est présent sur la 20 sortie Q du générateur IQ. Un signal en phase Sp par rapport au signal de référence à la fréquence d'excitation est présent sur la sortie I du générateur IQ. Le signal en phase Sp et le signal déphasé Sd sont déphasés de 90°. 25 Le premier signal de démodulation Sdl est le signal déphasé Sd. Le deuxième signal de démodulation Sd2 est le signal en phase Sp. Le modulateur 21 reçoit l'erreur de vitesse angulaire EV de la boucle d'asservissement en vitesse 30 angulaire du moteur électrique et multiplie l'amplitude du signal déphasé Sd par l'erreur de vitesse angulaire ev (et par +/-1 selon le sens de rotation du rotor du moteur électrique). Le modulateur 21 produit ainsi un premier signal 35 d'excitation Sel à partir du signal déphasé Sd présent 3060907 7 sur la sortie Q du générateur IQ 20. Un deuxième signal d'excitation Se2 est produit à partir du signal en phase Sp ; le deuxième signal d'excitation Se2 est en l'occurrence égal au signal en 5 phase Sp. L'amplitude du deuxième signal d'excitation Se2 est donc constante. Le sommateur 22 somme alors le premier signal d'excitation Sel et le deuxième signal d'excitation Se2 pour obtenir le signal d'excitation Se. 10 On voit ainsi, sur les courbes de la figure 2, le premier signal d'excitation Sel, le deuxième signal d'excitation Se2, et le signal d'excitation Se, lorsque le rapport M de l'amplitude entre le deuxième signal d'excitation Se2 et le premier signal d'excitation Sel 15 est égal à 0,9, lorsque le rapport M est égal à 0,5, et lorsque le rapport M est égal à 0,1. Sur ces courbes, la fréquence Fm du moteur électrique est égale à 500Hz, et donc la vitesse angulaire du rotor du moteur électrique est égale à 15000 tours/minute. 20 On voit aussi, sur les courbes de la figure 2, le premier signal multiplié Sml, lorsque le rapport M de l'amplitude entre le deuxième signal d'excitation Se2 et le premier signal d'excitation Sel est égal à 0,9, lorsque le rapport M est égal à 0,5, et lorsque le 25 rapport M est égal à 0,1. On voit aussi, sur les courbes de la figure 2, le deuxième signal multiplié Sm2, lorsque le rapport M de l'amplitude entre le deuxième signal d'excitation Se2 et le premier signal d'excitation Sel est égal à 0,9, 30 lorsque le rapport M est égal à 0,5, et lorsque le rapport M est égal à 0,1. On retrouve sur la figure 4 l'ensemble des éléments du dispositif de pilotage 1 qui viennent d'être décrits. Le module de commande 3 génère les signaux de 35 commande triphasés qui sont transmis à l'onduleur 30 via 3060907 8 une interface de pont de puissance 31. Le moteur électrique 32 est asservi en courant grâce à la boucle d'asservissement en courant qui comporte le module de commande 3, le synchro-transmetteur 4, les 5 premiers démodulateurs synchrones 8 et le module d'excitation 5. Les trois premiers signaux filtrés Sf1 en sortie des premiers démodulateurs synchrones 8 forment chacun une consigne de courant de la boucle d'asservissement en courant. La boucle d'asservissement 10 en courant comporte en outre un module de mesure de courant 33 qui produit des mesures de courants de phase qui sont présents sur les phases du moteur électrique 32 et qui alimentent le moteur électrique 32. Le moteur électrique 32 est asservi en vitesse 15 angulaire grâce à la boucle d'asservissement en vitesse angulaire qui comporte le module de mesure de vitesse angulaire 16, le synchro-transmetteur 4, les deuxièmes démodulateurs synchrones 15 et le module d'excitation 5. La boucle d'asservissement en vitesse angulaire 20 comporte en outre une interface de consigne de vitesse angulaire 35, un module de mesure d'erreur de vitesse angulaire 36, et un bloc de traitement 37. L'interface de consigne de vitesse angulaire 35 reçoit une consigne de vitesse angulaire Cv et transmet 25 la consigne de vitesse angulaire Cv au module de mesure d'erreur de vitesse angulaire 36. L'interface de consigne de vitesse angulaire 35 transmet aussi au module de commande 3 une autorisation de commande du moteur électrique 32, et aux premiers démodulateurs synchrones 8 30 le sens de rotation du rotor du moteur électrique 32. Le module de mesure d'erreur de vitesse angulaire 36 produit une erreur de vitesse angulaire EV à partir de la consigne de vitesse angulaire Cv et de la vitesse angulaire mesurée produite à partir des trois deuxièmes 35 signaux filtrés Sf2 en sortie des trois deuxièmes 3060907 9 démodulateurs synchrones 15. Le bloc de traitement 37, qui met en oeuvre un amplificateur d'erreur et un filtre passe-bas du premier ordre, transmet l'erreur de vitesse angulaire sv au bloc 5 modulateur 21 du module d'excitation 5. On obtient ainsi une boucle d'asservissement en courant et une boucle d'asservissement en vitesse angulaire du moteur électrique 32 qui sont imbriquées grâce au synchro-transmetteur 4 et grâce au module 10 d'excitation 5. Les consignes de courant de la boucle d'asservissement en courant, à partir desquelles le module de commande 3 commande l'onduleur 30 et pilote le moteur électrique 32, sont générées à partir de l'erreur de vitesse angulaire sv. L'erreur de vitesse angulaire EV 15 est elle-même utilisée pour produire le premier signal d'excitation Sel à partir du signal déphasé Sd présent sur la sortie Q du générateur IQ 20, et donc le signal d'excitation Se qui est appliqué sur l'enroulement d'excitation 9 du synchro-transmetteur 4. 20 On note que l'information de position angulaire, permettant d'obtenir la mesure de vitesse angulaire (voie Q) est indépendante des consignes de courant (voie I). En effet, les signaux I et Q sont en quadrature et sont indépendants et démodulés comme tels par les 25 premiers démodulateurs synchrones et par les deuxièmes démodulateurs synchrones. On décrit maintenant plus précisément certains des éléments qui viennent d'être évoqués. En référence à la figure 5, le module d'excitation 5 30 produit à partir du signal en phase Sp (présent sur la sortie I du générateur IQ) le premier signal d'excitation Sel. Le module d'excitation 5 produit aussi le signal déphasé Sd (présent sur la sortie Q du générateur IQ), et reçoit une erreur de vitesse angulaire sv. Le signal 35 déphasé Sd et l'erreur de vitesse angulaire EV sont 3060907 10 transmis au modulateur 21. Le modulateur 21 comprend un multiplieur 40, qui multiplie l'amplitude du signal déphasé Sd par l'erreur de vitesse angulaire EV pour obtenir le deuxième signal d'excitation Se2. Le sommateur 5 22 additionne le premier signal d'excitation Sel et le deuxième signal d'excitation Se2, et un module de puissance 41 produit à partir de la sortie du sommateur 22 le signal d'excitation Se. En référence à la figure 6, les premiers 10 démodulateurs synchrones 8 comportent chacun un premier multiplieur 12 et un premier filtre passe bas 13. Chaque premier multiplieur 12 multiplie le premier signal de démodulation Sdl par le courant statorique Is présent sur l'enroulement de mesure 11 auquel est relié le premier 15 multiplieur 12. Le premier filtre passe-bas 13 représenté sur la figure 5 est un filtre actif Sallen Key du troisième ordre présentant une fréquence de coupure à -3dB de 5kHz et une atténuation de 36dB à la fréquence de 20kHz 20 (ladite fréquence correspondant à la fréquence du signal redressé double alternance de la fréquence fe=10kHz). En référence à la figure 7, chaque deuxième démodulateur synchrone 15 comporte un deuxième multiplieur 17, qui multiplie une tension représentative 25 du signal présent sur l'enroulement de mesure 11 auquel est relié le deuxième démodulateur synchrone 15 par le deuxième signal de démodulation Sd2. Les tensions représentatives des signaux présents sur les enroulements de mesure 11 sont Phi, - Ph1_, Ph2+ - 30 Ph2_ et Ph3+ - Ph3_. Un gain de +/-1 est par ailleurs appliqué par chaque deuxième multiplieur 17. En sortie de chaque deuxième multiplieur 17, le deuxième signal multiplié est appliqué en entrée d'un deuxième filtre passe-bas 18. La sortie du deuxième 35 filtre passe-bas 18 est appliquée en entrée d'un 3060907 11 comparateur 50 du module de mesure de vitesse angulaire 16, qui est ici un comparateur à six niveaux. La sortie du comparateur 50 est dérivée par un dérivateur 51 cadencé par une horloge H de fréquence d'horloge ici 5 égale à 5,12MHz. Puis, les sorties de chaque dérivateur 51 sont sommées par un sommateur 53. On obtient ainsi un signal numérique de vitesse angulaire comprenant dix-huit impulsions 56 par tour du rotor du moteur électrique 32. 10 La sortie du sommateur 53 est appliquée en entrée d'un compteur 54. La sortie du compteur 54 est appliquée en entrée d'un convertisseur numérique analogique 55. Le convertisseur numérique analogique 55 est ici un convertisseur numérique analogique douze bits cadencé lui 15 aussi par l'horloge H. Le convertisseur numérique analogique 55 produit, à partir de la sortie du compteur 54, une vitesse angulaire mesurée qui est une mesure analogique. La vitesse angulaire mesurée est ensuite utilisée 20 par le module de mesure d'erreur de vitesse angulaire 36 (visible sur la figure 3) pour produire l'erreur de vitesse angulaire EV. En référence à la figure 8, le dispositif de pilotage 1 comporte de plus des moyens de protection 25 contre une divergence de la boucle d'asservissement en courant du moteur électrique 32. Les moyens de protection utilisent le module de mesure de courant 33 et comprennent un module de mesure de tension moyenne 60 et trois sommateurs 61. 30 Chaque sommateur 61 additionne une mesure d'un courant de phase présent sur une phase du moteur électrique 32 et produite par le module de mesure de courant 33, et une tension moyenne générée par le module de mesure de tension moyenne 60, ladite tension moyenne 35 étant égale à une moyenne des tensions présentes sur 3060907 12 chaque phase en sortie de l'onduleur 30. Le module de commande 3 reçoit les signaux en sortie des sommateurs 61 et, grâce à ces signaux, corrige les offsets moyens des courants de phase et la tension 5 moyenne en sortie de l'onduleur 30 en adaptant les signaux de commande triphasés qui pilotent l'onduleur 30. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit mais englobe toute variante entrant dans le champ de l'invention telle que définie par les 10 revendications. Les valeurs des fréquences citées dans ce document et, notamment, la valeur de la fréquence d'excitation, ne sont données qu'à titre d'exemple, et pourraient bien sûr être différentes. 15 De même, les ordres et les fréquences de coupure des filtres passe-bas pourraient être différents. Les filtres passe-bas ne sont pas nécessairement des filtres de type Butterworth ou Sallen Key. De même, les amplitudes des signaux visibles sur les 20 figures 1 et 2 pourraient bien sûr être différentes. REVENDICATIONS1. Dispositif de pilotage d'un moteur électrique (32) comprenant trois phases, le dispositif de pilotage comportant : - un onduleur (30) et un module de commande (3) qui génère des signaux de commande de l'onduleur pour mettre en oeuvre une boucle d'asservissement en courant du moteur électrique (32) ; - un module d'excitation (5) produisant un signal d'excitation (Se); - un synchro-transmetteur (4) comprenant deux enroulement de couplage, un enroulement d'excitation (9) solidaire en rotation d'un rotor du moteur électrique et trois enroulements de mesure (11) montés sur un stator du moteur électrique, le signal d'excitation étant appliqué sur l'enroulement d'excitation (9) via les deux enroulements de couplage ; - trois premiers démodulateurs synchrones (8) reliés 20 chacun à l'un des trois enroulements de mesure du synchro-transmetteur, et générant chacun, à destination du module de commande, une consigne de courant de la boucle d'asservissement en courant. 25 2. Dispositif de pilotage selon la revendication 1, comprenant en outre trois deuxièmes démodulateurs synchrones (15) reliés chacun à l'un des trois enroulements de mesure du synchro-transmetteur pour produire une information de position angulaire du rotor. 30 3. Dispositif de pilotage selon la revendication 2, dans laquelle l'information de position angulaire du rotor est indépendante des consignes de courant. 35 3060907 14 4. Dispositif de pilotage selon la revendication 3, comprenant un module de mesure de vitesse angulaire (16) du rotor du moteur électrique 5 relié aux deuxièmes démodulateurs synchrones, le module de mesure de vitesse angulaire étant utilisé pour générer une erreur de vitesse angulaire (Ev) d'une boucle d'asservissement en vitesse angulaire du moteur électrique (32). 10 5. Dispositif de pilotage selon la revendication 4, dans lequel le signal d'excitation (Se) est modulé en amplitude par l'erreur de vitesse angulaire (Ev). 15 6. Dispositif de pilotage selon la revendication 5, dans lequel le signal d'excitation est obtenu en sommant un premier signal d'excitation (Sel) présentant une amplitude fonction de l'erreur de vitesse angulaire et un deuxième signal d'excitation (Se2), les premiers démodulateurs synchrones étant adaptés chacun à détecter un signal de même fréquence et en phase avec le premier signal d'excitation, et les deuxièmes démodulateurs synchrones étant adaptés chacun à détecter un signal de même fréquence et en phase avec le deuxième signal d'excitation. 7. Dispositif de pilotage selon la revendication 6, dans lequel le module d'excitation comporte un générateur de type IQ (20), le premier signal d'excitation étant produit à partir d'un signal déphasé par rapport à un signal de référence et présent sur une sortie Q du générateur de type IQ, et le deuxième signal d'excitation étant produit à partir d'un signal en phase avec le signal de référence et présent sur une sortie I du générateur de type IQ. 3060907 15 8. Dispositif de pilotage selon la revendication 7, dans lequel le signal déphasé et le signal en phase sont déphasés de 90°. 5 9. Dispositif de pilotage selon la revendication 7, dans lequel le module d'excitation (5) comporte en outre un modulateur (21) et un sommateur (22), le modulateur multipliant par l'erreur de vitesse 10 angulaire le signal déphasé pour obtenir le premier signal d'excitation, le deuxième signal d'excitation étant le signal en phase, et le sommateur étant adapté à sommer le premier signal d'excitation et le deuxième signal d'excitation pour obtenir le signal d'excitation. 15 10. Dispositif de pilotage selon la revendication 1, dans lequel le module de commande (3) est du type à modulation de largeur d'impulsion. 20