Brevet FR3104347A1 — publié le 20210611

Architecture parallélisée pour le pilotage d’actionneurs électromécaniques Dans une chaîne d’actionnement électromécanique pour la commande du déplacement de charges mobiles (22) d’une turbomachine aéronautique depuis une unité de commande (24), chacune de ces charges mobiles étant actionnée par un actionneur électromécanique (30) commandé par un convertisseur (36), il est prévu, pour commander ce déplacement, un unique contrôleur Ethernet à commande déterministe (32) assurant via un bus Ethernet (36) le contrôle de chacun des convertisseurs (36) agissant sur les actionneurs électromécaniques et un convertisseur donné pilotant en parallèle une paire ou plusieurs paires d’actionneurs électromécaniques et chacun des actionneurs électromécaniques étant relié à ce convertisseur par un interrupteur (40). Figure pour l’abrégé : Fig. 1. Architecture parallélisée pour le pilotage d’actionneurs électromécaniques La présente invention se rapporte au domaine général de l’électrification des turbomachines aéronautiques. Dans ce cadre, des organes ou charges mobiles comme des géométries variables de la turbomachine, qui comprennent notamment les portes ou vannes VBV (pour Variable Bleed Valve) ou encore des pompes, peuvent être pilotées via une chaîne d’actionnement de type électromécanique en remplacement du système actuel de pilotage hydraulique comportant une synchronisation mécanique constituée comme il est connu d’un anneau et d’un ensemble de biellettes et de leviers (aussi appelés guignols). Le principe de cette chaîne d’actionnement consiste à utiliser un actionneur électromécanique pour chaque charge mobile ou pour un nombre réduit de charges mobiles. Ce type d’architecture est dit de type distribuée. Cette architecture distribuée, illustrée à la figure 4, est composée d’une chaîne d’actionnement électromécanique 20 assurant la commande de la position, en boucle ouverte ou fermée selon le type de pilotage désiré, de charges mobiles 22 via les actionneurs électromécaniques 30 depuis une unité de commande de la turbomachine 24, par exemple un EEC (pour Electronic Engine Controller). Cette architecture est rendue possible par l’utilisation d’électronique de puissance (contrôleur 26 et convertisseur 28). Toutefois, cette chaîne d’actionnement électromécanique impose d’avoir en face de chaque actionneur 30 à la fois un convertisseur 26 et un contrôleur 28. Toutefois, le pilotage de charges mobiles, comme par exemple les portes VBV, suppose de multiplier le nombre d’actionneurs impliqués, dans la mesure où un actionneur est alloué à chaque porte VBV ou à un nombre réduit de portes VBV, par exemple deux à quatre portes. Ceci entraîne donc la multiplication de l’électronique de puissance avec comme conséquence, au vu de la criticité des systèmes actionnés, un manque de fiabilité et de robustesse vis-à-vis de l’environnement conduisant à une redondance systématique des contrôleurs dans cette architecture de l’art antérieur. Or, dans le domaine aéronautique, cette redondance systématique des contrôleurs rend l’intégration de l’électronique de puissance impossible du fait de l’augmentation considérable du bilan masse/volume. La présente invention a donc pour but principal de pallier un tel inconvénient en proposant une nouvelle architecture de commande de charges mobiles permettant d’optimiser le bilan masse/volume global de la chaîne d’actionnement électromécanique tout en garantissant une disponibilité de la turbomachine aéronautique acceptable. Un autre but est de faciliter une reconfiguration de la chaine d’actionnement électromécanique et de la rendre plus robuste en cas de défaillance d’un convertisseur. Encore un autre but est de permettre un pilotage du déplacement des charges mobiles selon plusieurs niveaux de priorité. Ces buts sont atteints par une chaîne d’actionnement électromécanique pour le pilotage du déplacement de charges mobiles d’une turbomachine aéronautique depuis une unité de commande, chacune desdites charges mobiles étant actionnée par un actionneur électromécanique commandé par un convertisseur, caractérisée en ce que, pour commander ledit déplacement, elle comporte un unique contrôleur Ethernet à commande déterministe assurant via un bus Ethernet le contrôle de chacun des convertisseurs agissant sur lesdits actionneurs électromécaniques, un convertisseur donné pilotant en parallèle une paire ou plusieurs paires d’actionneurs électromécaniques et chacun des actionneurs électromécaniques étant relié à ce convertisseur par un interrupteur. Ainsi en réduisant de manière significative le nombre de contrôleurs de la chaîne d’actionnement électromécanique et par l’introduction d’un protocole de communication ultrarapide on évite la redondance des contrôleurs de l’état de l’art. En outre, en réduire au de moitié le nombre de convertisseurs, on améliore notablement le bilan masse/volume. De préférence, un actionneur électromécanique au moins de la ou les paires d’actionneurs électromécaniques reliées à un convertisseur donné est un actionneur dit maitre, le ou les autres actionneurs électromécaniques de la ou les paires d’actionneurs électromécaniques reliés à ce même convertisseur étant des actionneurs dits esclaves. Avantageusement, des interrupteurs sont montés dans une boucle fermée reliant deux à deux les convertisseurs et permettent de pallier la défaillance d’un ou plusieurs convertisseurs en mettant en parallèle lesdites charges mobiles ou lesdits convertisseurs autres que celui ou ceux défaillants. Par l’introduction de cette interconnexion entre les convertisseurs (rebouclage) via des interrupteurs, on facilite la reconfiguration et la disponibilité de cette chaine d’actionnement en cas de défaillance d’un convertisseur. Avantageusement, ledit convertisseur est configuré pour piloter en parallèle la ou les paires d’actionneurs électromécaniques reliés à ce convertisseur à partir d’une valeur moyenne de la position et/ou une autre grandeur mesurée de chacun desdits actionneurs électromécaniques. De préférence, ledit actionneur électromécanique est un moteur synchrone à aimant permanent, un moteur asynchrone, un moteur pas à pas ou un moteur à réluctance variable, couplé ou non à une transmission mécanique linéaire ou rotative. De préférence, ledit contrôleur Ethernet est configuré pour gérer autant de boucles de courant, de vitesse et de position que d’actionneurs électromécaniques. Avantageusement, la vitesse de transfert des informations au niveau des boucles de courant et de vitesse, respectivement des boucles de courant et de position, est au moins mille fois supérieure à celle de la boucle de position, respectivement de la boucle de vitesse, pilotant le déplacement de la charge mobile. De préférence, la vitesse de transfert des informations au niveau des boucles de courant correspond à un temps de transfert inférieur à 15 microsecondes, typiquement 10 microsecondes. Avantageusement, la vitesse de transfert des informations au niveau de la boucle, de position ou de vitesse, pilotant le déplacement de la charge mobile correspond à un temps de transfert de l’ordre de 15 millisecondes. Selon le mode de réalisation envisagée, lesdites charges mobiles peuvent être des portes VBV ou des pompes, le déplacement de chacune des portes VBV ou des pompes étant piloté par une boucle de position ou une boucle de vitesse. La présente invention concerne également une turbomachine aéronautique comportant une chaîne d’actionnement électromécanique pour la commande du déplacement de charges mobiles telle que précitée. D’autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent un exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif et sur les lesquels : la figure 1 illustre un schéma de principe d’une nouvelle architecture d’électronique de puissance d’une chaine d’actionnement électromécanique de charges mobiles selon l’invention, la figure 2 illustre un exemple d’une chaine d’actionnement électromécanique comportant huit charges mobiles commandées par deux convertisseurs, la figure 3A montre un exemple possible de niveaux de priorité dans la chaine d’actionnement électromécanique de la figure 2, et, la figure 3B montre un autre exemple possible de niveaux de priorité dans la chaine d’actionnement électromécanique de la figure 2, la figure 3C montre encore un autre exemple possible de niveaux de priorité dans la chaine d’actionnement électromécanique de la figure 2, et la figure 4 montre un schéma de principe d’une architecture conventionnelle d’électronique de puissance d’une chaine d’actionnement électromécanique de charges mobiles. L’invention consiste à proposer une architecture de contrôle parallélisée pour la régulation des actionneurs électromécaniques d’une turbomachine aéronautique qui permette en outre une reconfiguration en cas de défaillance d’un convertisseur et un pilotage du déplacement des charges mobiles par niveaux de priorité. Pour ce faire, et comme le montre la figure 1, la chaîne d’actionnement électromécanique 10 pour la commande du déplacement de charges mobiles aéronautiques 22 depuis une unité de commande 24, chacune de ces charges mobiles 22 (par exemple des portes VBV ou d’autres géométries variables telles que des pompes) étant actionnée par un actionneur électromécanique 30, comporte selon l’invention un unique contrôleur Ethernet 32 assurant via un bus Ethernet 34 le contrôle de convertisseurs 36 dont le nombre est très inférieur (au moins deux fois inférieur comme illustré) au nombre d’actionneurs électromécaniques 30. Pour permettre le pilotage de la charge mobile 22, le contrôleur 30 délivre un retour de consigne (typiquement une position, en l’espèce Pm, ou une vitesse) à l’unité de commande 24 qui lui retourne alors une commande de position (Pc) ou de vitesse. Cette commande utilise un protocole de communication rapide de type déterministe pour permettre de gérer en parallèle les boucles de contrôle de chaque actionneur électromécanique 30. Par déterministe, on entend que, pour toute information, on prévoit la durée précise que prendra son émission par le contrôleur Ethernet. Les boucles de contrôle sont typiquement des boucles de courant i, de vitesse V et de position P. Lorsque le déplacement de la charge mobile est commandé en position (cas des portes VBV illustré), la boucle principale est la boucle de position, les boucles de vitesse et de courant étant alors considérées comme des boucles secondaires. Par contre, lorsque le déplacement de la charge mobile est commandé en vitesse (cas de pompes par exemple), la boucle principale est la boucle de vitesse, les boucles de position et de courant étant alors considérées comme des boucles secondaires. Le contrôleur Ethernet déterministe peut être un composant dédié (par exemple intégrant des boucles de vitesse et de courant pour une régulation de type modulation vectorielle) ou un microprocesseur pourvu d’un protocole de communication Ethernet. La vitesse de transfert des informations au niveau de ces deux boucles de courant et de vitesse (en cas de consigne de position) ou de courant et de position (en cas de consigne de vitesse) doit être suffisamment rapide (temps de transfert Les convertisseurs 36 sont par exemple des hacheurs monophasés ou des onduleurs triphasés (voire hexaphasés pour les redondances au niveau des actionneurs) délivrant une tension alternative à partir d’une tension continue VDC (typiquement issue d’un Bus DC 270V). Lorsque la charge mobile est une porte VBV, l’actionneur est intégré dans chaque porte VBV (dans la zone dite « Booster ») et il y a donc autant d’actionneurs que de portes VBV. Cet actionneur est préférentiellement un moteur synchrone à aimant permanent (toutefois un moteur à réluctance variable, un moteur pas à pas ou un moteur asynchrone est aussi envisageable) qui peut être couplé à une transmission mécanique, linéaire (de type vis à rouleau ou à bille par exemple) ou rotative, solidaire de la charge à entrainer. Avec la présente architecture, chaque convertisseur 36 alimente en parallèle une ou plusieurs paires de charges mobiles 22 (une dans l’exemple de la figure 1) au travers des actionneurs 30 auxquels ces charges mobiles sont reliées. Dans le cas d’un système d’actionnement de portes VBV, les actionneurs doivent atteindre la même consigne et les convertisseurs 36 vont donc effectuer la même modulation de puissance afin que chaque porte VBV effectue le même déplacement souhaité. Dès lors, allouer un seul convertisseur 36 pour deux actionneurs 30, soit une paire (cas de la figure 1), ou pour plusieurs paires d’actionneurs (cas de la figure 2 décrite plus avant), permet de réduire à la fois le nombre et la masse de ces convertisseurs. De préférence, les convertisseurs seront agencés de telle sorte que les charges mobiles pilotées en parallèle soient des paires diamétralement opposées d’un même organe support de la turbomachine, chaque actionneur étant maintenu en position, lorsqu’il n’est pas alimenté, par un frein à manque de courant. Toutefois, pour permettre une commande individualisée de chacun des actionneurs 30, des interrupteurs 40 (de type contacteurs électromécaniques ou électroniques type SSPC (pour « Solid State Power Controller » par exemple) sont prévus en entrée de chacun d’eux, comme il sera explicité plus avant en regard des figures 3A à 3C. Pour fiabiliser la chaîne d’actionnement de cette architecture parallélisée de convertisseurs, il est proposé d’interconnecter entre eux les convertisseurs dans une boucle fermée reliant deux à deux ces convertisseurs 36 via des interrupteurs 38 (également de type contacteurs électromécaniques ou électroniques). Ainsi, si un des convertisseurs 36 est en panne, l’un des convertisseurs « adjacents » peut piloter en parallèle ses propres charges mobiles 22 ainsi que les charges mobiles 22 du convertisseur défaillant via un interrupteur 38a reliant les sorties de ces deux convertisseurs. Cette reconfiguration de la chaîne des actionneurs 30 correspond à une mise en parallèle des charges mobiles. Elle se traduit par une dégradation de performance sur la consigne à atteindre mais la fonction reste opérationnelle dans un mode dégradé, ce qui est l’essentiel dans un cadre aéronautique. En effet, une telle reconfiguration est techniquement acceptable car les convertisseurs alimentent des charges mobiles qui subissent le même type d’effort à un instant donné. On notera qu’il est aussi possible de mettre en parallèle non plus les charges mobiles 22 mais les convertisseurs 36, les deux convertisseurs entourant le convertisseur défaillant le remplaçant, de par la fermeture des deux interrupteurs disposés de part et d’autre de ce convertisseur défaillant et reliant la sortie du convertisseur défaillant aux deux sorties des convertisseurs adjacents qui l’entourent, pour alimenter en parallèle le charges mobiles de ce convertisseur défaillant. De plus, allouer un seul convertisseur 36 à plusieurs charges mobiles 22 permet, outre d’améliorer le bilan masse/volume, d’instaurer des niveaux de priorité dans le pilotage du déplacement de ces charges mobiles. Plus particulièrement, et comme le montre la figure 2 dans laquelle chacun des deux convertisseurs 36a, 36b se voit allouer quatre (deux paires) charges mobiles, respectivement 1a, 1b, 2a, 2b et 3a, 3b, 4a, 4b, il est proposé de piloter le déplacement de ces charges mobiles selon deux niveaux de priorité correspondant à deux modes distincts de pilotage de ce déplacement. Plus précisément, il est défini un premier mode de pilotage dit d’opérabilité dans lequel on pilote en parallèle selon un principe de Maitre/Esclave tous les actionneurs reliés à un même convertisseur (voir la figure 3A) afin d’atteindre le plus rapidement possible une position (cas des portes VBV) qui ne remet pas en cause la sûreté du vol de l’aéronef. Dans l’exemple illustré, le premier convertisseur 36a est relié directement aux deux paires de charges mobiles 1a, 1b, 2a, 2b et le second convertisseur 36b est relié directement aux deux autres paires de charges mobiles 3a, 3b, 4a, 4b. Pour garantir cette liaison directe entre le convertisseur et les charges mobiles, les interrupteurs 40 sont tous fermés. Parmi les quatre actionneurs électromécaniques pilotés par chaque convertisseur, on définit un actionneur dit maître 30M dont la position sert alors de référence pour la boucle de position. De manière générale, la position et/ou une autre grandeur mesurée propre à l’actionneur maître est contrôlée par une boucle d’asservissement mise en œuvre par l’unité de commande 24. Les autres actionneurs dits esclaves 30S sont pilotés en mode esclave par recopie de la position du maitre sans référence à leur propre position. De manière générale, la position et/ou une autre grandeur mesurée de l’actionneur maitre sert de référence pour la commande des actionneurs esclaves à partir de l’unité de commande. Concernant la stratégie de commande par commande Maître-Esclave, le critère de choix peut être défini différemment selon le type de machine constituant les actionneurs, ainsi : Pour des actionneurs constitués par des machines de type asynchrone ou assimilé, une machine est sélectionnée comme référence pour l’asservissement. Les grandeurs mesurées sur cette machine sont les seules à être utilisées par la commande pour piloter les deux machines. La machine la moins chargée est choisie comme machine maître pour éviter que son flux magnétique n’excède la valeur du flux nominal et provoque une augmentation du courant statorique à cause de la saturation magnétique. On définit le critère de choix Maître/Esclave en scrutant les courants statoriques des deux machines : si alors M1 est la machine maître. Le même raisonnement s’applique à plus de deux machines. Pour des actionneurs constitués par des machines de type synchrone ou assimilé, il faut garantir la condition de synchronisme entre champ rotorique et champ statorique pour avoir du couple. Cette condition se traduit par un critère de stabilité du couple électromagnétique en fonction de ξ, l’angle de charge de la machine synchrone à aimants permanents (MSAP). On définit l’angle ξ comme le déphasage entre la tension statorique et la force électromotrice (fem) au rotor. On définit alors le critère de choix Maître/Esclave en choisissant comme machine maître celle qui a le ξ le plus important. Ceci permet d’assurer que la machine esclave restera toujours dans sa zone de stabilité. La machine ayant le le plus élevé est aussi la machine ayant le (position angulaire du rotor) le plus élevé. En scrutant les positions rotoriques des deux machines pour le critère de choix maître esclave, si alors M1 est la machine maître. Le même raisonnement s’applique à plus de deux machines. De surcroît, en sus du premier mode de pilotage dit d’opérabilité, il est défini un second mode de pilotage dit de performance dans lequel on pilote au cas par cas (de façon individualisée) chaque actionneur à l’aide des convertisseurs disponibles, via les interrupteurs 40 alors fermés sélectivement, afin d’ajuster le déplacement de chaque charge mobile en vérifiant le déplacement de chacune (pour cela chaque actionneur doit donc renvoyer sa position Pm) et ainsi optimiser la performance de vol. On notera qu’il est possible de passer d’un mode à l’autre et par exemple, après un mode de pilotage en opérabilité qui peut engendrer des écarts de position sur les actionneurs esclaves (dans le cas d’une commande maître-esclave) ou sur l’ensemble des actionneurs (dans le cas d’une commande moyennée), il peut être nécessaire de passer en mode de pilotage de performance pour corriger ces écarts de position et d’autres éventuels écarts existants provenant par exemple d’usures ou de jeux entre les actionneurs. Par ailleurs, on peut noter qu’il existe aussi une autre stratégie de commande pour contrôler au moins deux machines à partir d’un seul convertisseur de tension, la commande moyennée : c’est la valeur moyenne des grandeurs issues de chaque machine qui est régulée (position ou autre grandeur mesurée telle que courant ou vitesse). Si on prend pour exemple le retour de position, on considérera dans la régulation que c’est la moyenne de θM1 (position rotorique de la machine 1) et θM2 (position rotorique de la machine 2) qui représente le dispositif : On effectue la même opération pour les courants Isd, Isq, et pour l’angle de changement de repère de Park pour le calcul des tensions de référence appliquée à la machine. Cette stratégie de commande moyennée consiste donc à considérer une machine fictive « moyenne » à la place des deux machines réelles, la régulation étant alors effectuée sur cette machine fictive. Dans l’exemple de la figure 3B, qui correspond à un cas de commande maître-esclave, la position des deux charges mobiles esclaves 1b et 2b vis-à-vis de la position de consigne est ainsi ajustée pour une charge mobile puis pour l’autre par une boucle d’asservissement de position, en commandant le premier convertisseur 36a, et en pilotant les deux interrupteurs 40 correspondant à ces deux charges mobiles de façon à alimenter l’un après l’autre les deux actionneurs 30 agissant sur ces charges mobiles 1b et 2b. Pour cela, l’interrupteur 40 correspondant à la charge mobile à actionner pour ajuster sa position est fermé, les autres interrupteurs 40 associés au premier convertisseur 36a étant ouverts. L’asservissement de la position des charges mobiles 1b et 2b est donc réalisé de manière séquencée. Dans ce mode de pilotage de performance, et toujours en se référant à l’exemple de la figure 3B, le second convertisseur 36b et les interrupteurs 40 qui lui sont associés peuvent également être commandés de la même façon que pour le premier convertisseur 36a, afin de réaliser au final l’ajustement de la position de toutes les charges mobiles esclaves vis-à-vis de la position de consigne. Comme illustré dans l’exemple de la figure 3C, il est possible d’ajuster simultanément la position de deux charges mobiles associées respectivement au premier et au second convertisseur. Le premier convertisseur 36a et le second convertisseur 36b sont alors commandés simultanément, ainsi que la fermeture des interrupteurs 40 correspondant aux charges mobiles concernées (ici 2a et 3a). Chaîne d’actionnement électromécanique pour le pilotage du déplacement de charges mobiles (22) d’une turbomachine aéronautique depuis une unité de commande (24), chacune desdites charges mobiles étant actionnée par un actionneur électromécanique (30) commandé par un convertisseur (36), caractérisée en ce que, pour commander ledit déplacement, elle comporte un unique contrôleur Ethernet à commande déterministe (32) assurant via un bus Ethernet (34) le contrôle de chacun des convertisseurs (36) agissant sur lesdits actionneurs électromécaniques, un convertisseur donné (36 ; 36a, 36b) pilotant en parallèle une paire ou plusieurs paires d’actionneurs électromécaniques et chacun des actionneurs électromécaniques étant relié à ce convertisseur par un interrupteur (40). Chaîne d’actionnement électromécanique selon la revendication 1, caractérisée en ce qu’un actionneur électromécanique au moins de la ou les paires d’actionneurs électromécaniques reliées à un convertisseur donné est un actionneur dit maitre (30M) dont la position et/ou une autre grandeur mesurée est contrôlée par une boucle d’asservissement mise en œuvre par l’unité de commande (24), le ou les autres actionneurs électromécaniques de la ou les paires d’actionneurs électromécaniques reliés à ce même convertisseur étant des actionneurs dits esclaves (30S), la position et/ou une autre grandeur mesurée dudit actionneur maitre (30M) servant de référence pour la commande desdits actionneurs esclaves (30S) à partir de l’unité de commande (24). Chaîne d’actionnement électromécanique selon la revendication 1, caractérisée en ce ledit convertisseur est configuré pour piloter en parallèle la ou les paires d’actionneurs électromécaniques reliés à ce convertisseur à partir d’une valeur moyenne de la position et/ou une autre grandeur mesurée de chacun desdits actionneurs électromécaniques. Chaîne d’actionnement électromécanique selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce qu’elle comporte en outre des interrupteurs (38 ; 38a, 38b, 38c) montés dans une boucle fermée reliant deux à deux les convertisseurs et permettant de pallier la défaillance d’un ou plusieurs convertisseurs en mettant en parallèle lesdites charges mobiles ou lesdits convertisseurs autres que celui ou ceux défaillants. Chaîne d’actionnement électromécanique selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que ledit actionneur électromécanique est un moteur synchrone à aimant permanent, un moteur asynchrone, un moteur à réluctance variable ou un moteur pas à pas, couplé ou non à une transmission mécanique linéaire ou rotative. Chaîne d’actionnement électromécanique selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que ledit contrôleur Ethernet déterministe est configuré pour gérer autant de boucles de courant, de vitesse et de position que d’actionneurs électromécaniques. Chaîne d’actionnement électromécanique selon la revendication 6, caractérisée en ce que la vitesse de transfert des informations au niveau des boucles de courant et de vitesse, respectivement des boucles de courant et de position, est au moins cent fois supérieure à celle de la boucle de position, respectivement de la boucle de vitesse, pilotant le déplacement de la charge mobile. Chaîne d’actionnement électromécanique selon la revendication 7, caractérisée en ce que la vitesse de transfert des informations au niveau des boucles de courant correspond à un temps de transfert inférieur à 15 microsecondes, typiquement 10 microsecondes et celle de la boucle, de position ou de vitesse, pilotant le déplacement de la charge correspond à un temps de transfert de l’ordre de 15 millisecondes. Chaîne d’actionnement électromécanique selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que lesdites charges mobiles sont des portes VBV ou des pompes, le déplacement de chacune des portes VBV ou des pompes étant piloté par une boucle de position ou une boucle de vitesse. Turbomachine aéronautique comportant une chaîne d’actionnement électromécanique selon l’une quelconque des revendications 1 à 9.