Brevet FR3083025A1 — publié le 20191227

SYSTÈME DE RÉGULATION AMÉLIORÉ POUR UNE MACHINE ÉLECTRIQUE TOURNANTE La présente invention porte sur un système de régulation amélioré pour une machine électrique tournante. L'invention trouve une application particulièrement avantageuse avec les machines électriques tournantes installées dans les véhicules automobiles. De façon connue en soi, les machines électriques tournantes comportent deux parties coaxiales à savoir un rotor et un stator entourant le corps du rotor. Le rotor pourra être solidaire d'un arbre de rotor menant et/ou mené et pourra appartenir à une machine électrique tournante sous la forme d'un alternateur, comme décrit par exemple dans le document W002/093717, ou d'un moteur électrique ou d'une machine réversible. Une telle machine électrique tournante réversible synchrone permet, d'une part, de transformer de l'énergie mécanique en énergie électrique lorsqu'il 15 fonctionne en mode alternateur pour notamment alimenter des consommateurs et/ou recharger une batterie et d'autre part de transformer de l'énergie électrique en énergie mécanique lorsqu'il fonctionne en mode moteur électrique pour notamment démarrer un moteur thermique de véhicule automobile. 20 I I est connu de l'homme du métier un système de régulation asservissant une tension de sortie générée par une machine électrique de type alternateur afin de contrôler la charge de la batterie. La figure 1 illustre un tel système de régulation 10 pour une machine électrique tournante 11. La machine électrique 11 comporte un stator 12 et un rotor 13 qui comprend un bobinage 25 rotorique et qui est apte à générer un flux magnétique interagissant avec le stator 12. Le bobinage de stator 12 comprend des fils de sortie qui sont reliés à un onduleur 15 représenté sous la forme d'une diode. Le stator 12 est apte à délivrer une tension de sortie Vdc et un courant de sortie Idc à une batterie 16 et des charges 17. Les charges 17 peuvent être branchées 30 électriquement en parallèle de la batterie 16. 2 Le système de régulation 10 permet d'appliquer différents modes de régulation en fonctionnement générateur, à savoir un mode dit Vdc, dans lequel la tension de sortie Vdc de la machine électrique 11 est régulée par une boucle de régulation en tension B_Vdc correspondante ou un mode dit Idc dans lequel le courant de sortie Idc de la machine électrique 11 est régulé par une boucle de régulation en courant B_Idc correspondante. A cet effet, le module "Yzmin(A,B)" référencé 18 permet de sélectionner la boucle de régulation la plus adaptée à la régulation en appliquant au rotor 13 la valeur minimale 'rot_ cons _sel parmi la consigne issue de la boucle de régulation B_Vdc ou de la boucle de régulation B_Idc. La boucle de régulation en tension B_Vdc compare une consigne de tension Vdc_cons issue du calculateur moteur avec une mesure de tension Vdc_mes pour générer une consigne de courant d'excitation Irot_cons. La boucle de régulation en courant B_Idc reçoit une consigne de courant limite Idc_lim_cons obtenue, via un module de conversion 19, à partir d'une consigne de limitation de couple Cmax issue du calculateur moteur. La boucle de régulation B_Idc compare la consigne de courant limite Idc_lim_cons avec une mesure de courant de sortie Idc_mes pour générer une consigne de courant d'excitation limite Irot_lim_cons. Un module 20 de contrôle d'une réponse en charge applique un gradient de courant Grad _ lrot_ cons à la consigne de courant d'excitation du rotor 13 sélectionné. La sortie du module 20 est appliquée en entrée d'une boucle de régulation B_Irot du courant d'excitation. La boucle de régulation B_Irot compare ladite sortie du module 20 avec une mesure du courant d'excitation l_rot_mes pour générer une consigne de tension d'excitation Vrot_cons appliquée au bobinage rotorique. Le problème d'une telle structure dite "parallèle" est que la sélection d'une boucle de régulation en tension B_Vdc vers l'autre boucle de régulation en courant B ldc (et vice versa) provoque des discontinuités importantes de 3 l'élaboration de la consigne du courant d'excitation du rotor 13, en sorte que la qualité de régulation n'est pas optimale. L'invention vise à remédier efficacement à cet inconvénient en proposant un système de régulation pour une machine électrique tournante, notamment pour véhicule automobile, ladite machine électrique tournante comportant un stator et un rotor. Selon l'invention, le système comporte : - une première boucle destinée à générer une consigne de courant de sortie de la machine électrique tournante à partir d'une comparaison entre plusieurs consignes de courant, 10 - une deuxième boucle de régulation d'un courant de sortie de la machine électrique tournante destinée à générer une consigne de courant d'excitation du rotor notamment à partir d'une comparaison entre la consigne de courant de sortie générée par la première boucle et un courant de sortie mesuré, et 15 - une troisième boucle de régulation du courant d'excitation du rotor destinée à générer une consigne de tension d'excitation à appliquer au rotor à partir d'une comparaison entre la consigne de courant d'excitation générée par la deuxième boucle de régulation et un courant d'excitation mesuré. 20 L'invention permet ainsi, en utilisant une structure de type "série" dans laquelle la sortie d'une boucle de régulation est appliquée en entrée de la boucle de régulation suivante, d'élaborer une seule et unique consigne de tension d'excitation et de supprimer les discontinuités entre les différentes boucles de régulation mises en oeuvre dans une architecture de type 25 "parallèle". L'invention présente également un caractère économique, dans la mesure où elle peut être implémentée de façon logicielle et/ou avec des circuits programmés. Selon une réalisation, la première boucle comporte une boucle de régulation d'une tension de sortie de la machine électrique tournante destinée à 30 générer une consigne de courant de sortie de la machine électrique tournante à partir d'une comparaison entre une consigne de tension de sortie de la machine électrique tournante et une tension de sortie mesurée. 4 Selon une réalisation, la première boucle comporte un module de sélection générant la consigne de courant de sortie en sélectionnant une consigne parmi la consigne de courant de sortie générée par la première boucle de régulation, et au moins un courant de sortie limite de la machine électrique 5 tournante. Selon une réalisation, la consigne de courant de sortie sélectionnée par le module de sélection est le minimum parmi les consignes possibles. Selon une réalisation, la première boucle comporte un module de conversion d'une limitation de couple en un courant de sortie limite, notamment via un bilan de puissance. Selon une réalisation, ledit système de régulation comporte un module de contrôle d'une réponse en charge appliquant un gradient de courant à la consigne de courant de sortie avant son application en entrée de la deuxième boucle de régulation. 15 Selon une réalisation, ledit système de régulation comporte un module de conversion d'un gradient de couple en un gradient de courant, notamment via un bilan de puissance Selon une réalisation, la consigne de tension de sortie et/ou la limitation en couple et/ou le gradient de couple sont fournis par un calculateur moteur. 20 Selon une réalisation, ledit système de régulation comporte des moyens de mesure de la tension de sortie de la machine électrique tournante. Selon une réalisation, les moyens de mesure de tension comportent un pont diviseur de tension, un convertisseur analogique-numérique, et un filtre antirepliement de spectre. 25 Selon une réalisation, ledit système de régulation comporte des moyens de mesure du courant de sortie de la machine électrique tournante ainsi que des moyens de mesure du courant d'excitation du rotor, les moyens de mesures étant par exemple des capteurs de courant ou des estimateurs de courant. 5 Selon une réalisation, les moyens de mesure de courant comportent un capteur à effet Hall, un convertisseur analogique-numérique et un filtre antirepliement de spectre. L'invention a également pour objet une machine électrique tournante 5 caractérisée en ce qu'elle comporte un système de régulation tel que précédemment défini. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l'examen des figures qui l'accompagnent. Ces figures ne sont données qu'a titre illustratif mais nullement limitatif de l'invention. 10 La figure 1, déjà décrite, est une représentation schématique d'un système de régulation pour véhicule automobile selon l'état de la technique; La figure 2 est une représentation schématique d'un système de régulation pour véhicule automobile selon l'invention; Les figures 3a à 3c sont des représentations schématiques des différentes 15 boucles de régulation mises en oeuvre dans le système selon l'invention. Les éléments identiques, similaires, ou analogues, conservent la même référence d'une figure à l'autre. La figure 2 illustre un système de régulation 10 selon l'invention pour une machine électrique 11. La machine électrique tournante 11 comporte un 20 stator 12 et un rotor 13 qui comprend un bobinage rotorique et qui est apte à générer un flux magnétique interagissant avec le stator 12. Le bobinage de stator 12 comprend des fils de sortie qui sont reliés à un onduleur 15 représenté sous la forme d'une diode. Le stator 12 est apte à délivrer une tension de sortie Vdc et un courant de sortie Idc à une batterie 16 et des 25 charges 17. Les charges 17 peuvent être branchées électriquement en parallèle de la batterie 16. Le système de régulation 10 comporte une première boucle 14. Cette première boucle 14 comporte une première boucle de régulation B_Vdc de la tension de sortie Vdc de la machine électrique. La première boucle B_Vdc 30 est destinée à générer une consigne de courant de sortie Idc_cons de la 6 machine électrique tournante 11 à partir d'une comparaison entre une consigne de tension de sortie Vdc_cons de la machine électrique tournante 11 et une tension de sortie mesurée Vdc mes. A cet effet, comme on peut le voir sur la figure 3a, la boucle de régulation B_Vdc comporte un comparateur 5 22.1 qui compare la consigne de tension de sortie Vdc_cons issue du calculateur moteur avec une tension de sortie mesurée Vdc_mes et génère un écart de tension E Vdc correspondant. Cet écart E_Vdc est appliqué en entrée d'un correcteur 23.1, notamment de type Proportionnel-Intégral, qui génère une consigne de courant de sortie Idc_cons de la machine électrique 10 11. Le système de régulation 10 comporte, en outre, une deuxième boucle de régulation B_Idc du courant de sortie Idc de la machine électrique 11 recevant la consigne de courant Idc_sel généré par la première boucle 14 et étant destinée à générer une consigne de courant d'excitation Irot_cons du 15 rotor 13 à partir d'une comparaison entre la consigne de courant Idc_sel générée par la première boucle 14 et un courant de sortie mesuré Idc_mes. A cet effet, comme on peut le voir sur la figure 3b, la boucle de régulation B Idc comporte un comparateur 22.2 qui compare la consigne de courant Idc_sel de la machine électrique 11 avec un courant de sortie mesuré 20 Idc mes et génère un écart de courant E ldc correspondant. Cet écart E Idc est appliqué en entrée d'un correcteur 23.2, notamment de type Proportionnel-Intégral, qui génère une consigne de courant d'excitation du rotor 'rot cons appliquée en entrée d'une troisième boucle de régulation B_Irot. 25 La troisième boucle de régulation B_Irot du courant d'excitation du rotor Irot_cons est destinée à générer une tension d'excitation Vrot_cons à appliquer au rotor à partir d'une comparaison entre la consigne de courant d'excitation Irot_cons générée par la deuxième boucle de régulation B_Idc et un courant d'excitation mesuré Irot_mes. A cet effet, comme on peut le voir 30 sur la figure 3c, la troisième boucle de régulation B_Irot comporte un comparateur 22.3 qui compare la consigne de courant d'excitation du rotor Irot_cons avec un courant d'excitation mesuré Irot_mes et génère un écart de courant E_Irot correspondant. Cet écart E_Irot est appliqué en entrée d'un correcteur 23.3, notamment de type Proportionnel-Intégral, qui génère une 7 tension d'excitation Vrot cons appliquée au rotor 13, notamment via un étage de puissance 24. Comme cela est montré sur la figure 2, la première boucle 14 pourra comprendre un module "min(A,B,C)" référencé 25 permettant de déterminer 5 la valeur de la consigne de courant de sortie Idc_sel en sélectionnant la valeur minimale parmi : - la consigne de courant de sortie Idc_cons générée par la première boucle de régulation B_Vdc, - un courant de sortie limite Idc_lim fourni par le calculateur moteur, et 10 - un courant de sortie limite Idc_lim' généré par un module de conversion 26 à partir d'une limitation en couple Cmax de la machine électrique 11 fournie par le calculateur moteur. A cette fin, le module 26 effectue par exemple un bilan de puissance basé sur la relation suivante : Idc_lim'z(Rend*Cmax*VV)Ndc ; Rend étant le rendement de la 15 machine électrique 11, Cmax le couple maximum et W étant la vitesse de rotation de la machine électrique 11. En variante, on ne tient pas compte du courant de sortie limite Idc_lim qui n'est pas fourni par le calculateur moteur et/ou du courant de sortie limite Idc_lim'. 20 Un module 27 de contrôle d'une réponse en charge applique un gradient de courant Gradidc_cons à la consigne de courant de sortie idc_sel issue du module 25. Un tel gradient permet d'obtenir une variantion progressive de la consigne de courant de sortie Idc_sel. Le gradient est appliqué entre la sortie de la première boucle 14 et l'entrée de la deuxième boucle de régulation 25 B_Idc. Un module 28 assure une conversion d'un gradient de couple Grad_C_cons fourni par le calculateur moteur en un gradient de courant de sortie Grad_ ldc_ cons. La conversion est effectuée par exemple par un bilan de de puissance basé sur la relation précitée. 30 Pour mesurer la tension de sortie Vdc_mes de la machine électrique 11, on utilise des moyens de mesure 30.1 comportant notamment un pont diviseur de tension, un convertisseur analogique-numérique et un filtre anti- 8 repliement de spectre. La mesure de la tension de sortie Vdc_mes est effectuée entre la borne de sortie B+ de la machine électrique 11 et la masse. Pour mesurer le courant de sortie Idc_mes de la machine électrique 11, on 5 utilise des moyens de mesure 30.2 comportant par exemple un capteur à effet Hall, un convertisseur analogique-numérique et un filtre anti-repliement de spectre. Le courant de sortie Idc_mes est mesuré à la sortie de l'onduleur 15. Alternativement, ce courant peut être calculé par un estimateur. De façon analogue, pour mesurer le courant d'excitation l_rot_mes traversant la bobine du rotor 13, on utilise des moyens de mesure 30.3 comportant notamment un capteur à effet Hall, un convertisseur analogique-numérique et un filtre anti-repliement de spectre. Alternativement, ce courant peut être calculé par un estimateur. Bien entendu, la description qui précède a été donnée à titre d'exemple 15 uniquement et ne limite pas le domaine de l'invention dont on ne sortirait pas en remplaçant les différents éléments par tous autres équivalents. En outre, les différentes caractéristiques, variantes, et/ou formes de réalisation de la présente invention peuvent être associées les unes avec les autres selon diverses combinaisons, REVENDICATIONS1. Système de régulation pour une machine électrique tournante (11), notamment pour véhicule automobile, ladite machine électrique tournante ( 1 1 ) comportant un stator (12) et un rotor (13), caractérisé en ce que ledit système de régulation (10) comporte : - une première boucle (14) destinée à générer une consigne de courant de sortie (Idc_sel) de la machine électrique tournante (11) à partir d'une comparaison entre plusieurs consignes de courant, - une deuxième boucle de régulation (B_Idc) d'un courant de sortie (Idc) de la machine électrique tournante (11) destinée à générer une consigne de courant d'excitation (Irot_cons) du rotor (13) notamment à partir d'une comparaison entre la consigne de courant de sortie (Idc_sel) générée par la première boucle (14) et un courant de sortie mesuré (Idc_mes), et 15 - une troisième boucle de régulation (B_Irot) du courant d'excitation (Irot) du rotor (13) destinée à générer une consigne de tension d'excitation (Vrot cons) à appliquer au rotor (13) à partir d'une comparaison entre la consigne de courant d'excitation (Irot_cons) générée par la deuxième boucle de régulation (B_Idc) et un courant d'excitation mesuré (Irot_mes). 20 2. Système de régulation selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première boucle (14) comporte une boucle de régulation (B_Vdc) d'une tension de sortie (Vdc) de la machine électrique tournante (11) destinée à générer une consigne de courant de sortie (Idc_cons) de la machine électrique tournante (11) à partir d'une comparaison entre une 25 consigne de tension de sortie (Vdc_cons) de la machine électrique tournante (11) et une tension de sortie mesurée (Vdc mes). 3. Système de régulation selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de mesure (30.1) de la tension de sortie (Vdc mes) de la machine électrique tournante (11). 30 4. Système de régulation selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la première boucle (14) comporte un module (25) de sélection générant la consigne de courant de sortie (Idc_sel) en sélectionnant une consigne parmi la consigne de courant de sortie (Idc cons) générée par la première boucle de régulation (B_Vdc) et au moins un courant de sortie limite (Idc_im, Idc_lirril) de la machine électrique 5 tournante (11). 5. Système de régulation selon la revendication 4, caractérisé en ce que la consigne de courant de sortie (Idc_cons) sélectionnée par le module (25) de sélection est le minimum parmi les consignes possibles. 6. Système de régulation selon l'une quelconque des revendications 1 10 à 5, caractérisé en ce que la première boucle (14) comporte un module de conversion (26) d'une limitation de couple (Cmax) en un courant de sortie limite (Idc_lim1), notamment via un bilan de puissance. 7. Système de régulation selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comporte un module (27) de contrôle d'une réponse en charge appliquant un gradient de courant (Grad_Idc_cons) à la consigne de courant de sortie (Idc_sel) avant son application en entrée de la deuxième boucle de régulation (B_Idc). 8. Système de régulation selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comporte un module (28) de conversion d'un gradient de couple 20 (Grad C cons) en un gradient de courant (Grad _ ldc_ cons), notamment via un bilan de puissance. 9. Système de régulation selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de mesure (30.2) du courant de sortie (Idc_mes) de la machine électrique tournante (11) ainsi que 25 des moyens de mesure (30.3) du courant d'excitation (Irot_mes) du rotor (13), les moyens de mesures étant par exemple des capteurs de courant ou des estimateurs de courant. 10. Machine électrique tournante caractérisée en ce qu'elle comporte un système de régulation (10) tel que défini selon l'une quelconque des 30 revendications précédentes.