Brevet FR3075516A1 — publié le 20190621

PROCEDE DE PILOTAGE D'UNE MACHINE ELECTRIQUE TOURNANTE SUITE A UNE DETECTION D'UN APPEL DE CHARGE La prosente invention porte sur un procede de pilotage d'une machine electrique tournante suite a une detection d'un appel de charge. Dans le domaine automobile, on connalt des machines electriques tournantes a excitation, utilisees comme alternateur ou alterno-domarreur, qui comprennent un inducteur tournant muni d'une bobine d'excitation ainsi qu'un stator polyphase. Lorsque la machine fonctionne en alternateur et que le rotor est tournant, les enroulements du stator fournissent des tensions alternatives qui sont redressees afin d'obtenir un courant et une tension continus. Cette tension continue est regulee de maniere a fournir au reseau de bord d'alimentation electrique du vehicule une tension continue constante pour la charge de la batterie et ('alimentation des consommateurs connectos au reseau. L'alternateur fonctionne alors en generateur de courant a tension fixe. La regulation de la tension de sortie de l'alternateur est realisee de maniere classique en ajustant le courant d'excitation circulant dans la bobine de ('inducteur. A vitesse de rotation et a charge constante, la reponse de l'alternateur a une variation de consigne de tension et donc du courant d'excitation est limitoe par la bande passante intrinseque du systeme, constitue par la machine tournante, la batterie, les charges, et la regulation, qui depend des caracteristiques electromecaniques de l'alternateur. Pour les applications hoes a ('automobile, la tension de sortie doit etre regulee de maniere a rester constante dans des plages de fonctionnement de la machine tournante (plages de vitesse de rotation et de charge electrique reprosentee par la batterie et les consommateurs) qui sont definies par les constructeurs du vehicule. A cet effet, la tension de sortie est mesuree et comparee en permanence a une valeur de reference par un dispositif regulateur qui commande le courant 2 d'excitation de maniere a minimiser ou annuler l'erreur entre la tension de sortie mesuroe et la valeur de reference. Les regulateurs actuels pour alternateur integrent une fonction appeloe LRC (pour "Load Response Control" en anglais) qui permet d'eviter les a-coups 5 de couple lors de la connexion d'une charge a l'alternateur. La fonction LRC permet de limiter le couple proleve par l'alternateur suivant un mode de fonctionnement dit en "boucle ouverte" pendant lequel une rampe de progression du rapport cyclique d'excitation (exprime en pourcentage d'excitation par seconde) est appliquoe jusqu'a obtenir une tension de 10 regulation attendue par la boucle de regulation. Cependant, la valeur de couple limitoe n'est pas connue par la fonction LRC (qui ne Ore que le courant du rotor qui ne reprosente pas exactement le couple) en raison d'une variabilito des parametres intrinseques de la machine electrique, hoe notamment a la temperature d'utilisation de la 15 machine electrique ainsi qu'a la configuration des parties actives (rotor et stator). Cela peut poser des problemes de commande du moteur thermique du vehicule automobile. L'invention vise a remedier efficacement a cet inconvenient en proposant un procede de pilotage d'une machine electrique tournante destinoe a etre 20 entrainee mocaniquement en rotation pour fournir une onergie electrique a un dispositif de stockage d'energie, caracterise en ce qu'il comporte: - une otape de generation d'un premier rapport cyclique d'excitation a partir d'un ocart entre une valeur de tension de consigne et une valeur de tension reelle en sortie de la machine electrique tournante, 25 - une otape de generation d'un deuxieme rapport cyclique d'excitation a partir d'un ocart entre une valeur de couple de consigne et une valeur reelle d'un couple proleve par la machine electrique tournante, - une otape de selection du plus petit rapport cyclique d'excitation entre le premier rapport cyclique d'excitation et le deuxieme rapport cyclique 30 d'excitation, et - une otape d'application a un rotor bobine de la machine electrique tournante d'un signal de commande ayant le plus rapport cyclique d'excitation solectionne. 3 L'invention permet ainsi, en cas de detection d'un appel de charge, d'activer une boucle de regulation en couple fonctionnant en parallele de la boucle de regulation en tension. Cette boucle permet de connaltre a tout moment la valeur du couple proleve par l'alternateur, de sorte que les oventuels 5 problemes de commande du moteur thermique lors d'un appel de charge sont ovites. En outre, la boucle de regulation la plus restrictive est activoe naturellement, de telle fawn que lorsque la limitation en couple est prise en compte par le regulateur, la tension n'est plus regulee. Ainsi, quel que soit le mode de fonctionnement, le systeme reste en boucle fermee. 10 Selon une mise en oeuvre, l'etape de generation d'un deuxieme rapport cyclique d'excitation comporte en outre : - une otape de detection d'un appel de charge, - une otape de mesure ou d'estimation d'un couple proleve par la machine electrique tournante, 15 - une otape d'elaboration d'une consigne de couple de la machine electrique tournante. Selon une mise en oeuvre, l'appel de charge est detecto par comparaison d'un ocart entre un rapport cyclique appliqué et un rapport cyclique demande par rapport a un seuil. Ce seuil peut etre ajustable ou predetermine. 20 Selon une mise en oeuvre, l'appel de charge est detecto par comparaison entre un rapport cyclique demande et un seuil de declenchement determine par rapport a un rapport cyclique moyen. Ce rapport cyclique moyen est calcule. Selon une mise en oeuvre, l'appel de charge est detecto par comparaison 25 entre un couple demande et un seuil de declenchement determine par rapport a un couple moyen mesure ou estime. Selon une mise en oeuvre, le couple proleve par la machine electrique tournante est mesure au moyen d'un couple-metre. Selon une mise en oeuvre, le couple proleve par la machine electrique 30 tournante est estime a partir des parametres suivants: une vitesse de rotation, une tension delivree, un courant d'excitation, et un rendement de la 4 machine electrique tournante. L'utilisation du rendement de la machine permet d'amoliorer ('estimation du couple proleve par la machine electrique tournante. En outre, on ovite d'avoir recours a un capteur dodo, ce qui permet de limiter l'encombrement ainsi que le coOt du systeme. 5 Selon une mise en oeuvre, la consigne de couple est elaboree selon une rampe de consigne a partir du couple proleve mesure ou estime. Selon une mise en oeuvre, une valeur de couple maximal est ogalement prise en compte dans ('elaboration de la consigne de couple. Cela permet de limiter la demande de couple. 10 Selon une mise en oeuvre, la rampe de consigne et la valeur de couple maximal sont des valeurs fixes, enregistrees par defaut dans la memoire du regulateur, et/ou des valeurs ajustables, generees par un calculateur moteur et transmises, via un canal de communication, par le calculateur moteur au regulateur. 15 Selon une mise en oeuvre, ledit procede comporte en outre une otape de correction de l'ocart de couple et une otape de conversion de l'ocart de couple corrige en un rapport cyclique. Cela permet d'amoliorer la precision du pilotage de la machine electrique. Selon une mise en oeuvre, ledit procede comporte en outre une otape de 20 correction de l'ocart de tension et une otape de conversion de l'ocart de tension corrige en un rapport cyclique. Cela permet d'amoliorer la precision du pilotage de la machine electrique. Selon une mise en oeuvre, la machine electrique tournante pilotoe est un alternateur ou un alterno-domarreur pour vehicule automobile. 25 L'invention a egalement pour objet une machine electrique tournante de vehicule automobile munie d'un regulateur embarquant des fonctions pour la mise en oeuvre du procede de pilotage tel que procedemment defini. L'invention sera mieux comprise a la lecture de la description qui suit et a ('examen des figures qui l'accompagnent. Ces figures ne sont donnees qu'a 30 titre illustratif mais nullement limitatif de ('invention. 5 La figure 1 est une representation schematique d'une machine electrique tournante munie d'un regulateur mettant en oeuvre le procede de pilotage selon la prosente invention ; La figure 2 est une representation schematique illustrant une variante de 5 realisation du regulateur comportant un estimateur du couple proleve par l'arbre de la machine electrique tournante sur l'arbre moteur ; La figure 3 est une representation schematique illustrant une variante de realisation du regulateur determinant un seuil de declenchement de la boucle de regulation en couple par rapport a un couple moyen estime; 10 La figure 4 est une representation graphique d'une courbe de saturation pouvant etre implementee pour realiser la fonction de selection du plus petit rapport cyclique d'excitation appliqué a la bobine rotorique ; La figure 5 montre des representations graphiques de revolution, en fonction du temps, du rapport cyclique d'excitation et du couple de l'alternateur lors 15 d'une mise en oeuvre du procede selon la prosente invention. Les elements identiques, similaires, ou analogues conservent la meme reference d'une figure a l'autre. La figure 1 est une representation schematique d'un alternateur 10 apte a transformer renergie mocanique du moteur thermique en une onergie 20 electrique destinoe a alimenter les charges et a recharger un dispositif de stockage d'onergie, tel qu'une batterie 11. La batterie 11 ayant par exemple une tension de fonctionnement de 12V, 24V, ou 48V pourra etre une batterie au plomb, une batterie de type Lithium-Ion ou encore une association de ces deux types de batteries. 25 A cet effet, un rotor bobine 12 portant une bobine d'excitation est monte sur un arbre 13 comportant une poulie 14 reliee au moteur thermique via un dispositif de transmission de mouvement, notamment du type a courroie. Un stator 16 est muni d'un bobinage relio a un pont de diodes dont les sorties sont connectoes electriquement entre la borne positive et la masse de la 30 batterie 11. Des charges 17 du reseau de bord du vehicule automobile sont connectoes aux bornes de la batterie 11. 6 En outre, un regulateur 18 comporte un pont en H ou un otage de puissance 19 integrant des transistors de pilotage, typiquement de type MOS, permettant d'appliquer un signal de commande ayant un rapport cyclique variable aux bornes de la bobine d'excitation du rotor 12. Le courant moyen 5 dans la bobine d'excitation est proportionnel au rapport cyclique d'excitation de la commande. Le regulateur 18 embarque des fonctions pour la mise en oeuvre du procede de pilotage selon ('invention basoe sur le fonctionnement en parallele d'une boucle de regulation en tension 21 et d'une boucle de regulation en couple 10 22 de l'alternateur 10. Plus procisoment, la boucle de regulation en tension 21 permet de reguler la tension de sortie de l'alternateur 10. A cette fin, un comparateur 21.1 assure la comparaison entre une valeur de tension reelle Vs mesuree en sortie de l'alternateur 10 et une valeur de tension de consigne Vcons correspondant a 15 la tension souhaitoe aux bornes de la batterie 11 pour determiner un ocart en tension Ev entre ces deux valeurs. Un correcteur 21.2 assure une correction de l'ocart en tension Ev. Le correcteur 21.2 est de preference de type Proportionnel-Integral (PI), mais pourrait en variante etre un correcteur proportionnel (P) ou un correcteur 20 Proportionnel-Integral-Derive (PID). Un convertisseur 21.3, tel qu'un modulateur de largeurs d'impulsions, transforme l'ocart en tension Ev corrige en un rapport cyclique d'excitation Rv. On pourra se reforer au document W02011058259 pour plus de details sur le fonctionnement de la boucle de regulation en tension. 25 Par ailleurs, la boucle de regulation en couple 22 est intogree en parallele a la boucle de regulation en tension 21. Afin de realiser l'asservissement en couple lors d'une variation de charge electrique sur l'alternateur 10, it est nocessaire d'obtenir le couple de l'alternateur Cs a l'aide d'un dispositif de mesure de couple 23, 30 dit couple-metre. 7 Alternativement, dans les modes de realisation des figures 2 et 3, le couple proleve Cs par l'alternateur est estime, a l'aide du module 22.1, a partir des parametres suivants : une vitesse de rotation 0, une tension delivree Vs, un courant d'excitation Ir (courant rotor), et un rendement de l'alternateur n. Les 5 grandeurs electriques sont des variables d'etat disponibles dans le regulateur 18. Ainsi, le couple de l'alternateur peut s'obtenir via la relation simplifiee suivante : Cs=(Vs.lalt)/(nO), 10 - Cs otant le couple proleve par l'alternateur (N.m), - Vs otant la tension alternateur (V), - lalt otant le courant de sortie de l'alternateur (courant stator) (A), estime a partir de Ir, 0, Vs et n, - n otant le rendement de l'alternateur, et is - C2 otant la vitesse de rotation de l'alternateur (rad/s). Par ailleurs, le module 22.2 permet de detecter un appel de charge. Le module 22.2 peut par exemple detecter l'appel de charge par comparaison d'un ocart entre un rapport cyclique appliqué Rapp et un rapport cyclique demande Rv par rapport a un seuil. Ce seuil est soit ajustable, via un canal 20 de communication entre le regulateur 18 et le controle moteur, soit predetermine (valeurs par defaut implementees dans le regulateur). Alternativement, le module 22.2 detecte l'appel de charge par comparaison entre un rapport cyclique demande et un seuil de declenchement determine par rapport a un rapport cyclique moyen. 25 Alternativement, comme cela est illustre par la figure 3, l'appel de charge est detecto par comparaison entre un couple demande et un seuil de declenchement determine par rapport a un couple moyen mesure ou estime par le module 22.1. Dans ce cas, on definit un seuil de declenchement correspondant par exemple a une valeur du couple moyen a laquelle s'ajoute 30 une bande morte de couple, et des que le couple demande depasse le seuil de declenchement, la boucle de regulation en couple 22 est activoe. Lorsque l'excitation demandoe devient inferieure ou ogale a l'excitation appliquoe, la 8 boucle de regulation en couple 22 est dosactivee. La boucle de regulation en tension 21 est alors utilisoe. Le module 22.3 est apte a elaborer une consigne de couple de sortie Ccons. La consigne de couple Ccons est elaboree selon une rampe de consigne K 5 (exprimoe en N.m/s) commencant a partir du couple proleve Cs mesure ou estime. Une valeur de couple maximal Cmax est egalement prise en compte dans ('elaboration de la consigne de couple Ccons afin de pouvoir limiter le couple proleve. La rampe de consigne K et/ou la valeur de couple maximal Cmax peuvent 10 etre des valeurs ajustables. La rampe de consigne K et/ou la valeur de couple maximal Cmax peuvent ainsi etre des valeurs generees par le calculateur moteur via un canal de communication entre le regulateur 18 et le controle moteur de type LIN (pour "Local Interconnect Network" en anglais) ou CAN (pour "Controller Area Network" en anglais). 15 Alternativement, la rampe de consigne K et/ou la valeur de couple maximal Cmax sont des valeurs prodeterminees implementees dans le regulateur 18 (valeurs par defaut) en cas d'absence de communication avec le calculateur moteur. Un comparateur 22.4 assure la comparaison entre la valeur du couple Cs 20 proleve par l'alternateur 10 et la valeur du couple de consigne Ccons pour determiner un ocart en couple Ec entre ces deux valeurs. Un correcteur 22.5 assure une correction de l'ocart en couple Ec et assure la stabilito du couple en boucle fermee. Le correcteur 22.5 permet de garantir une marge de phase et une marge de gain suffisante de la boucle 25 d'asservissement du controle en couple 22. Le correcteur 22.5 permet egalement de minimiser l'erreur de couple Ec entre la consigne Ccons et la valeur de couple Cs mesuree ou estimoe. Le correcteur 22.5 est de preference de type Proportionnel-Integral (PI), mais pourrait en variante etre un correcteur proportionnel (P) ou un correcteur Proportionnel-Integral- 30 Derive (PID). Une amelioration serait d'utiliser un correcteur de type PI2 afin d'annuler l'erreur de trainage en couple. 9 Un convertisseur 22.6, tel qu'un modulateur de largeurs d'impulsions, transforme l'ocart en couple Ec corrige en un rapport cyclique d'excitation Rc. Le module 21.4 assure une selection du plus petit rapport cyclique d'excitation entre le rapport cyclique d'excitation Rv et le rapport cyclique 5 d'excitation Rc. Le plus petit rapport cyclique d'excitation peut etre solectionne par exemple via ('application d'une courbe de saturation Csat ayant une valeur maximale imposee par le rapport cyclique d'excitation Rc. Ainsi, comme cela est illustre par la figure 4, la courbe Csat solectionne un rapport cyclique Rapp correspondant au rapport cyclique Rv sauf dans le cas 10 ou le maximum impose par le rapport cyclique Rc est inforieur a la valeur de Rv. Le signal de commande Rapp ayant le plus petit rapport cyclique d'excitation solectionne est appliqué au rotor bobine 12 de l'alternateur 10 via l'etage de puissance 19. 15 Ainsi, lorsque le minimum de rapport cyclique est en faveur de la tension Vs, l'alternateur 10 est piloto de telle fawn que le rapport cyclique Rv est appliqué au rotor 12. II en resulte un asservissement de la tension de sortie Vs de l'alternateur 10. Lorsque le minimum de rapport cyclique est en faveur du couple Cs du fait 20 d'une detection d'un appel de charge, l'alternateur est piloto de telle fawn que le rapport cyclique Rc est appliqué au rotor bobine 12 de l'alternateur 10. II en resulte un asservissement du couple proleve Cs par l'alternateur 10. On docrit ci-apres en reference avec la figure 5, ('activation de la boucle de regulation en couple 22 suite a la detection d'un appel de charge basoe sur 25 la comparaison entre le rapport cyclique demande Rv et un seuil de declenchement A determine par rapport au rapport cyclique moyen demande Rmoy. Le seuil de declenchement A est calcule en permanence par rapport a la valeur moyenne du rapport cyclique de regulation Rmoy. Le seuil de 30 declenchement A est obtenu en ajoutant une valeur prodeterminee a la valeur moyenne du rapport cyclique Rmoy. Cela permet de definir une 10 "bande morte" B autorisant une variation du rapport cyclique Rv sans activer la boucle de regulation en couple 22, tel que cela est le cas entre les instants tO et t1. L'alternateur 10 est alors piloto par un asservissement de la boucle de regulation en tension 21. 5 A l'instant t1, des que le rapport cyclique demande Rv depasse le seuil de declenchement A, la boucle de regulation en couple 22 est activoe. Le module 22.3 elabore alors une consigne de couple Ccons suivant une rampe K prodeterminee a partir du couple Cs mesure ou estime et de la valeur de couple maximale Cmax. Cette rampe de couple K controle un 10 asservissement de couple proleve par l'alternateur pendant la poriode transitoire entre les instants t1 et t2. Lorsque, a l'instant t2, le rapport cyclique demande Rv devient inforieur ou egal au rapport cyclique appliqué Rc, la boucle de regulation en couple 22 n'est plus solectionnee par le module 21.4 et l'alternateur 10 est de nouveau 15 piloto par un asservissement de la boucle de regulation en tension 21. On definit alors, a chaque instant, un nouveau rapport cyclique moyen et un nouveau seuil de declenchement determine par rapport au nouveau rapport cyclique moyen. Bien entendu, la description qui precede a oto donnoe a titre d'exemple 20 uniquement et ne limite pas le domaine de ('invention dont on ne sortirait pas en rem placant les differents elements par tous autres equivalents. En outre, les differentes caracteristiques, variantes, et/ou formes de realisation de la prosente invention peuvent etre associoes les unes avec les autres selon diverses combinaisons, REVENDICATIONS1. Procede de pilotage d'une machine electrique tournante (10) destinoe a etre entrainee mocaniquement en rotation pour fournir une onergie electrique a un dispositif de stockage d'onergie (11), caracterise en ce qu'il comporte: - une otape de generation d'un premier rapport cyclique d'excitation (Rv) a partir d'un ocart (Ev) entre une valeur de tension de consigne (Vcons) et une valeur de tension reelle (Vs) en sortie de la machine electrique tournante, - une otape de generation d'un deuxieme rapport cyclique d'excitation (Rc) a partir d'un ocart (Ec) entre une valeur de couple de consigne (Ccons) et une valeur reelle d'un couple (Cs) proleve par la machine electrique tournante, - une otape de selection du plus petit rapport cyclique d'excitation entre le premier rapport cyclique d'excitation (Rv) et le deuxieme rapport cyclique d'excitation (Rc), et - une otape d'application a un rotor bobine de la machine electrique tournante d'un signal de commande ayant le plus petit rapport cyclique d'excitation solectionne. 2. Procede selon la revendication 1, caracterise en ce que l'etape de generation d'un deuxieme rapport cyclique d'excitation (Rc) comporte en outre : - une otape de detection d'un appel de charge (App_ch), - une otape de mesure ou d'estimation d'un couple proleve (Cs) par la machine electrique tournante (10), - une otape d'elaboration d'une consigne de couple (Ccons) de la machine electrique tournante (10). 3. Procede selon la revendication 2, caracterise en ce que l'appel de charge (App_ch) est detecto par comparaison d'un ocart entre un rapport cyclique appliqué (Rapp) et un rapport cyclique demande (Rv) par rapport a un seuil. 4. Procede selon la revendication 2, caracterise en ce que l'appel de charge (App_ch) est detecto par comparaison entre un rapport cyclique 12 demande (Rv) et un seuil de declenchement (A) determine par rapport a un rapport cyclique moyen (Rmoy). 5. Procede selon la revendication 2, caracterise en ce que l'appel de charge (App_ch) est detecto par comparaison entre un couple demande et 5 un seuil de declenchement determine par rapport a un couple moyen mesure ou estime. 6. Procede selon l'une quelconque des revendications 1 a 5, caracterise en ce que le couple proleve (Cs) par la machine electrique tournante est mesure au moyen d'un couple-metre (23). 10 7. Procede selon l'une quelconque des revendications 1 a 5, caracterise en ce que le couple proleve (Cs) par la machine electrique tournante (10) est estime a partir des parametres suivants : une vitesse de rotation (0), une tension delivree (Vs), un courant d'excitation (Ir), et un rendement (n) de la machine electrique tournante (10). 15 8. Procede selon l'une quelconque des revendications 1 a 7, caracterise en ce que la consigne de couple (Ccons) est elaboree selon une rampe de consigne (K) a partir du couple proleve (Cs) mesure ou estime. 9. Procede selon la revendication 8, caracterise en ce qu'une valeur de couple maximal (Cmax) est ogalement prise en compte dans ('elaboration 20 de la consigne de couple (Ccons). 10. Procede selon les revendications 8 et 9, caracterise en ce que la rampe de consigne (K) et la valeur de couple maximal (Cmax) sont des valeurs fixes, enregistrees par defaut dans une memoire d'un regulateur (18), et/ou des valeurs ajustables, generees par un calculateur moteur et 25 transmises, via un canal de communication, du calculateur moteur au regulateur (18). 11. Procede selon l'une quelconque des revendications 1 a 10, caracterise en ce qu'il comporte en outre une otape de correction de l'ocart de couple (Ec) et une otape de conversion de l'ocart de couple (Ec) corrige 30 en un rapport cyclique (Rc). 13 12. Procede selon I'une quelconque des revendications 1 a 11, caracterise en ce qu'iI comporte en outre une otape de correction de l'ocart de tension (Ev) et une otape de conversion de l'ocart de tension (Ev) corrige en un rapport cyclique (Rv). 5 13. Procede selon I'une quelconque des revendications 1 a 12, caracterise en ce que la machine electrique tournante pilotoe (10) est un alternateur ou un alterno-domarreur pour vehicule automobile. 14. Machine electrique tournante de vehicule automobile munie d'un regulateur (18) embarquant des fonctions pour la mise en oeuvre du procede io de pilotage tel que defini selon I'une quelconque des revendications procedentes.