Brevet FR3104346A1 — publié le 20210611

Architecture distribuée 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 des interrupteurs (38) 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 les charges mobiles ou les convertisseurs autres que celui ou ceux défaillants. Figure pour l’abrégé : Fig. 1. Architecture distribuée 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 3, 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. Or, 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. De plus, 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. Ce but est atteint par une chaîne d’actionnement électromécanique pour le pilotage du déplacement de charges mobiles d’un 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 et en ce qu’elle comporte en outre des interrupteur 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. 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, par l’introduction d’une 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. 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. Avantageusement, ledit convertisseur est un hacheur ou un onduleur. 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, le déplacement de chacune des portes VBV étant piloté par une boucle de position, ou des pompes, le déplacement de chacune des pompes étant piloté par une boucle de vitesse ou encore tout autre organe analogue dont le déplacement est piloté par une boucle de position ou de vitesse. La présente invention concerne également une turbomachine comportant une chaîne d’actionnement électromécanique pour la commande du déplacement de charges mobiles aéronautiques 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 2A montre un premier exemple possible de reconfiguration de la chaine d’actionnement électromécanique en cas de perte d’un convertisseur, la figure 2B montre un second exemple possible de reconfiguration de la chaine d’actionnement électromécanique en cas de perte d’un convertisseur, la figure 3 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 distribuée pour la régulation des actionneurs électromécaniques d’une turbomachine aéronautique qui permette en outre une reconfiguration en cas de défaillance d’un convertisseur. 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 égal 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 (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) et qui, étant en nombre identique à ceux des actionneurs, sont avantageusement intégrés mécaniquement au sein de ces actionneurs. 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. Pour fiabiliser la chaîne d’actionnement de cette architecture distribuée 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 (de type contacteurs électromécaniques ou électroniques type SSPC par exemple). Ainsi, et comme le montre la figure 2A, si un (par exemple 36b) des convertisseurs 36 est en panne, l’un (par exemple 36a) des convertisseurs « adjacents » peut piloter en parallèle sa propre charge mobile 22a ainsi que la charge mobile 22b du convertisseur défaillant via un interrupteur 38a reliant les sorties de ces deux convertisseurs 36a, 36b (chemin A). Cette reconfiguration de la chaîne des actionneurs 30 correspond à une mise en parallèle de charges mobiles (22a et 22b dans cet exemple) pilotées par un même convertisseur dépourvu de défaut. 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 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. C’est particulièrement le cas pour un système d’actionnement de portes VBV dans une architecture distribuée. On notera qu’il est possible de commander en parallèle les convertisseurs 36 comme le montre la figure 2B dans laquelle les deux convertisseurs 36a, 36c entourant le convertisseur défaillant 36b le remplacent, de par la fermeture des deux interrupteurs 38a, 38b reliant la sortie de ce convertisseur défaillant aux deux sorties des convertisseurs adjacents qui l’entourent, pour alimenter en parallèle la charge mobile 22b de ce convertisseur défaillant (chemins B). 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 et 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 la revendication 1, 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 la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisée en ce que ledit convertisseur est un hacheur ou un onduleur. Chaîne d’actionnement électromécanique selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, 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 4, 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 5, 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. Chaîne d’actionnement électromécanique selon la revendication 5, caractérisée en ce que la vitesse de transfert des informations au niveau 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 7, caractérisée en ce que lesdites charges mobiles sont des portes VBV, le déplacement de chacune des portes VBV étant piloté par une boucle de position. Chaîne d’actionnement électromécanique selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que lesdites charges mobiles sont des pompes, le déplacement de chacune des pompes étant piloté par une boucle de vitesse. Turbomachine comportant une chaîne d’actionnement électromécanique selon l’une quelconque des revendications 1 à 9.