Brevet FR3075517A1 — publié le 20190621

PROCEDE DE PILOTAGE D'UNE MACHINE ELECTRIQUE TOURNANTE La prosente invention porte sur un procede de pilotage d'une machine electrique tournante. 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 en sortie. 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 du courant d'excitation est limitoe par la bande passante intrinseque du systeme 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 (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. L'alternateur utilise comme generateur de tension permet ainsi de fixer la tension du reseau de bord du vehicule a une tension de classe donnoe, par 5 exemple de 12V, 24V, ou de 48V, de sorte que la batterie du vehicule, generalement au plomb, est quasiment toujours en charge. Toutefois, avec revolution des architectures de vehicules automobiles qui integrent de plus en plus souvent des batteries de type Lithium-Ion, it existe le besoin de pouvoir controler rintensito du courant sur le reseau de bord afin 10 d'eviter la deterioration de telles batteries sensibles aux variations de courant lors de leur chargement. En outre, it pourrait etre utile de limiter le debit de l'alternateur afin d'adapter sa classe et son rendement a la demande du constructeur automobile. L'invention vise a combler ce besoin en proposant un procede de pilotage 15 d'une machine electrique tournante reliee electriquement a un dispositif de stockage d'onergie, 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 reference et une valeur de tension reelle en sortie de la machine electrique tournante, 20 - une otape de generation d'un deuxieme rapport cyclique d'excitation a partir d'un ocart entre une valeur de courant de reference et une valeur de courant reelle en sortie de 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 25 d'excitation, 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. L'invention permet ainsi de faire fonctionner en parallele et en permanence la boucle de regulation en tension generant le premier rapport cyclique d'excitation et la boucle de regulation en courant generant le deuxieme rapport cyclique d'excitation. Grace a retape de selection, la boucle la plus restrictive est activoe naturellement, et ainsi le bon mode de fonctionnement 3 est appliqué immediatement. Par exemple, lorsque la limitation de courant est prise en compte par le regulateur, la tension n'est plus regulee. L'invention permet ainsi de controler procisoment le courant lors du rechargement de la batterie qui s'en trouve protegee. En outre, du fait de la 5 boucle de courant, le courant est asservi a une valeur qui ne depend pas de variables physiques externes, telles que la temperature de la machine electrique, la temperature de l'electronique, et la vitesse de rotation du rotor. II en resulte un meilleur controle de la machine et donc une meilleure performance. Le rendement de la machine est donc amoliore. 10 Selon une mise en oeuvre, pour generer le premier rapport cyclique d'excitation, le procede comporte une otape de correction de l'ocart en tension et une otape de conversion de l'ocart en tension corrige en un rapport cyclique d'excitation. Selon une mise en oeuvre, pour generer le deuxieme rapport cyclique 15 d'excitation, le procede comporte une otape de correction de l'ocart en courant et une otape de conversion de l'ocart en courant corrige en un rapport cyclique d'excitation. Selon une mise en oeuvre, une correction de l'ocart en tension et/ou de l'ocart en courant est effectuoe au moyen d'un correcteur de type 20 Proportionnel ou Proportionnel-Integral ou Proportionnel-Integral-Derive. Selon une mise en oeuvre, la valeur de courant reelle en sortie de la machine electrique tournante est mesuroe ou estimoe. Selon une mise en oeuvre, la valeur de courant reelle est estimoe a partir des parametres suivants : une vitesse de rotation du rotor bobine, un courant 25 d'excitation du rotor bobine, et la valeur de tension en sortie de la machine electrique tournante. On ovite ainsi d'avoir recours a un capteur (Jodie, ce qui permet de diminuer l'encombrement de l'electronique et de realiser des economies de coOts. Selon une mise en oeuvre, le plus petit rapport cyclique d'excitation est 30 solectionne via ('application d'une courbe de saturation ayant une valeur 4 maximale imposoe par le deuxieme rapport cyclique d'excitation. D'autres mises en oeuvre sont possibles. Selon une mise en oeuvre, la valeur de tension de reference et la valeur de courant de reference sont des valeurs fixes, enregistrees par defaut dans 5 une memoire du regulateur et/ou des valeurs ajustables, generees par un calculateur moteur et transmises, via un canal de communication, du calculateur moteur au regulateur. Selon une mise en oeuvre, la machine electrique tournante pilotoe est un alternateur ou un alterno-domarreur pour vehicule automobile. io L'invention a ogalement 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 15 titre illustratif mais nullement limitatif de ('invention. 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 20 realisation du regulateur comportant un estimateur du courant de sortie de la machine electrique tournante ; La figure 3 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 de la bobine rotorique. 25 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 l'onergie mocanique du moteur thermique en une onergie electrique destinoe a recharger d'un dispositif de stockage d'energie, tel 5 qu'une batterie 11. La batterie 11 ayant par exemple une tension de fonctionnement dite de 12V, 24V, ou 48V pourra etre une batterie au plomb ou une batterie de type Lithium-Ion, ou encore une association de ces deux types de batteries. 5 A cet effet, un rotor bobine 12 portant une bobine d'excitation est monte sur un arbre comportant une poulie reliee au moteur thermique via un dispositif de transmission a courroie. Un stator 13 est muni d'un bobinage retie a un pont de diodes dont les sorties sont connectoes electriquement entre la borne positive et la masse de la batterie 11. Des charges 14 du reseau de 10 bord du vehicule automobile sont connectoes aux bornes de la batterie 11. En outre, un regulateur 15 comporte un otage de puissance 16 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 dans la bobine d'excitation 15 est proportionnel au rapport cyclique d'excitation de la commande. Le regulateur 15 embarque des fonctions pour la mise en oeuvre du procede de pilotage selon ('invention qui est basoe sur le fonctionnement en parallele d'une boucle de regulation en tension 18 et d'une boucle de regulation en courant 19 de l'alternateur 10. 20 Plus procisoment, la boucle de regulation en tension 18 permet de reguler la tension de sortie de l'alternateur 10. A cette fin, un comparateur 18.1 assure la comparaison entre une valeur de tension reelle Vs mesuree en sortie de l'alternateur 10 et une valeur de tension de reference Vref correspondant a la tension souhaitoe aux bornes de la batterie 11 pour determiner un ocart en 25 tension Ev entre ces deux valeurs. Un correcteur 18.2 assure une correction de l'ocart en tension Ev. Le correcteur 18.2 est de preference de type Proportionnel-Integral (PI), mais pourrait en variante etre un correcteur proportionnel (P) ou un correcteur Proportionnel-Integral-Derive (PID). 30 Un convertisseur 18.3, tel qu'un modulateur de largeurs d'impulsions, transforme l'ocart en tension Ev corrige en un rapport cyclique d'excitation 6 Rl. On pourra se reforer au document W02011058259 pour plus de details sur le fonctionnement de la boucle de regulation en tension 18. Par ailleurs, la boucle de regulation de courant 19 est intogree en parallele a la boucle de regulation de tension 18. Cette boucle 19 comporte un 5 comparateur 19.1 assurant la comparaison entre une valeur de courant reelle Is en sortie de l'alternateur 10 et une valeur de courant de reference !ref pour determiner un ocart en courant Ei entre ces deux valeurs. La valeur de courant reelle Is pourra etre mesuree ou estimoe. Dans le mode de realisation de la figure 1, la valeur de courant reelle Is est mesuree par 10 exemple au moyen d'un capteur 22 de mesure de champ magnotique, tel qu'un capteur a effet Hall, ou d'une faible resistance connectoe en sortie de l'alternateur 10. Tout autre dispositif adapte a realiser cette mesure de courant peut ogalement etre utilise. Cela depend de ('application. Dans le mode de realisation de la figure 2, la valeur de courant reelle Is est 15 estimoe, au moyen du module 21, a partir des parametres suivants : une vitesse de rotation S2 du rotor 12, un courant d'excitation lex du rotor 12, et la tension Vs delivree par l'alternateur. La vitesse de rotation S2 est obtenue a partir de la derivation, en fonction du temps, de la mesure de la position angulaire du rotor 12 obtenue a l'aide d'un dispositif integre dans l'alternateur 20 10 comportant, de fawn connue en soi, une cible et un capteur de mesure de champ magnotique correspondant. Plus simplement, la vitesse peut etre estimoe a partir de la mesure des tensions de phases. Le courant d'excitation lex du rotor 12 ainsi que la valeur de tension Vs en sortie de la machine electrique sont par exemple des variables d'etat connues de 25 l'alternateur 10 destinees a etre transmises au calculateur moteur du vehicule automobile. Un correcteur 19.2 assure une correction de l'ocart en courant Ei. Le correcteur 19.2 est de preference de type Proportionnel-Integral (PI), mais pourrait en variante etre un correcteur proportionnel (P) ou un correcteur 30 Proportionnel-Integral-Derive (PID). 7 Un convertisseur 19.3, tel qu'un modulateur de largeurs d'impulsions, transforme l'ocart en courant Ei corrige en un rapport cyclique d'excitation R2. Un module 23 assure une selection du plus petit rapport cyclique d'excitation 5 entre le premier rapport cyclique d'excitation R1 et le deuxieme rapport cyclique d'excitation R2 (voir figure 3). Le plus petit rapport cyclique d'excitation peut etre solectionne par exemple via l'application d'une courbe de saturation Csat ayant une valeur maximale imposee par le deuxieme rapport cyclique d'excitation R2. Ainsi, comme cela est illustre par la figure 3, 10 la courbe Csat solectionne un rapport cyclique Rsel correspondant au rapport cyclique R1 sauf dans le cas ou le maximum impose par le rapport cyclique R2 est inforieur a la valeur de R1. Alternativement, il est possible d'utiliser un compteur, active au front montant du signal, apte a solectionner le minimum de rapport cyclique d'excitation R1, 15 R2 prosentant le premier front descendant. Tout autre dispositif adapte a la selection du plus petit rapport cyclique R1, R2 pourra etre utilise. Cela depend de l'application. Les rapports cycliques sont generalement synchrones. Le signal de commande ayant le plus petit rapport cyclique d'excitation 20 solectionne R1, R2 est appliqué, via un otage de puissance 16, au rotor bobine 12 de l'alternateur 10. Ainsi, lorsque le minimum de rapport cyclique est en faveur de la tension Vs, le rapport cyclique R1 est appliqué au rotor 12. II en resulte un asservissement de la tension de sortie Vs de l'alternateur 10. 25 Lorsque le minimum de rapport cyclique est en faveur du courant Is, le rapport cyclique R2 est appliqué au rotor bobine 12 de l'alternateur 10. II en resulte un asservissement du courant de sortie Is de l'alternateur 10, la tension n'etant plus asservie. La valeur de tension de reference Vref et la valeur de courant de reference 30 !ref pourront etre fixes. C'est le cas par exemple pour les systemes utilises avec des regulateurs multifonctions, notamment dans le mode par defaut ou 8 Vref et Iref sont des valeurs fixes enregistrees par defaut dans une memoire du regulateur. Suivant une mise en oeuvre, la valeur de courant de reference Iref est fixe pour brider la machine electrique 10 et la valeur de tension de reference Vref 5 est ajustable. Alternativement, la valeur de tension de reference Vref est fixe et la valeur de courant de reference Iref est ajustable. La valeur de tension reference Vref et/ou la valeur de de courant de reference Iref sont ajustees par le calculateur moteur via un canal de communication entre ledit calculateur moteur et I'alternateur 10. Un exemple 10 d'application serait de fixer Vref a 16V, pour oviter les surtensions, et de piloter la machine en courant. Bien entendu, la description qui precede a oto donnoe a titre d'exemple uniquement et ne limite pas le domaine de ('invention dont on ne sortirait pas en rem placant les differents elements par tous autres equivalents. 15 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) reliee electriquement 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 (R1) a partir d'un ocart (Ev) entre une valeur de tension de reference (Vref) 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 (R2) a partir d'un ocart (Ei) entre une valeur de courant de reference (Iref) et une valeur de courant reelle (Is) en sortie de la machine electrique tournante, - une otape de selection du plus petit rapport cyclique d'excitation entre le premier rapport cyclique d'excitation (R1) et le deuxieme rapport cyclique d'excitation (R2), et - une otape d'application a un rotor bobine (12) de la machine electrique tournante (10) d'un signal de commande ayant le plus petit rapport cyclique d'excitation solectionne. 2. Procede selon la revendication 1, caracterise en ce que pour generer le premier rapport cyclique d'excitation (R1), le procede comporte une otape de correction de l'ocart en tension (Ev) et une otape de conversion de l'ocart en tension (Ev) corrige en un rapport cyclique d'excitation (R1). 3. Procede selon la revendication 1 ou 2, caracterise en ce que pour generer le deuxieme rapport cyclique d'excitation (R2), le procede comporte une otape de correction de l'ocart en courant (Ei) et une otape de conversion de l'ocart en courant (Ei) corrige en un rapport cyclique d'excitation (R2). 4. Procede selon les revendications 2 et 3, caracterise en ce qu'une correction de l'ocart en tension (Ev) et/ou de l'ocart en courant (Ei) est effectuoe au moyen d'un correcteur (18.2, 19.2) de type Proportionnel ou Proportionnel-Integral ou Proportionnel-Integral-Derive. 5. Procede selon l'une quelconque des revendications 1 a 4, caracterise en ce que la valeur de courant reelle (Is) en sortie de la machine electrique tournante (10) est mesuroe ou estimoe. 10 6. Procede selon la revendication 5, caracterise en ce que la valeur de courant reelle (Is) est estimoe a partir des parametres suivants : une vitesse de rotation (0) du rotor bobine (12), un courant d'excitation (lex) du rotor bobine (12), et la valeur de tension (Vs) en sortie de la machine electrique 5 tournante (10). 7. Procede selon l'une quelconque des revendications 1 a 6, caracterise en ce que le plus petit rapport cyclique d'excitation (R1, R2) est solectionne via ('application d'une courbe de saturation (Csat) ayant une valeur maximale imposoe par le deuxieme rapport cyclique d'excitation (R2). 10 8. Procede selon l'une quelconque des revendications 1 a 7, caracterise en ce que la valeur de tension de reference (Vref) et la valeur de courant de reference (Iref) sont des valeurs fixes, enregistrees par defaut dans une memoire d'un regulateur (15) et/ou des valeurs ajustables, generees par un calculateur moteur et transmises, via un canal de 15 communication, par le calculateur moteur au regulateur (15). 9. Procede selon l'une quelconque des revendications 1 a 11, caracterise en ce que la machine electrique tournante (10) pilotoe est un alternateur ou alterno-domarreur (10) pour vehicule automobile. 10. Machine electrique tournante (10) de vehicule automobile munie 20 d'un regulateur (15) embarquant des fonctions pour la mise en oeuvre du procede de pilotage tel que defini selon l'une quelconque des revendications procedentes.