FR2811824A1 - Moteur electrique a deux modes de communication d'alimentation - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un moteur à commutation electronique comprenant un ensemble stator-rotor (10, 12) muni de bobinages (12) d'entraînement triphas es comprenant en outre une s erie d'interrupteurs (20, 22) pour l'alimentation des bobinages et des moyens de commande (26, 28, 32) aptes à r egler la vitesse du moteur sur une vitesse de consigne (Vc ), ces moyens de commande (26, 28, 32) incluant des moyens de surveillance de vitesse (18, 26, 28) relative du stator (12) et du rotor (10), et des moyens pour commander des ouvertures/ fermetures de chaque interrupteur (20, 22) selon une s equence qui est r ep et ee et qui est choisie pour alimenter les bobinages d'entraînement en fonction des signaux fournis (Vc , Vm) par les moyens de surveillance de vitesse (18, 26, 28), cette s equence incluant une succession d'impulsions d'ouverture/ fermeture avec un rapport cyclique fonction de la surveillance de vitesse, caract eris e en ce que les moyens de commande sont aptes à g en erer, en fonction des signaux d elivr es par les moyens de surveillance (18, 26, 28), deux modes de commande des interrupteurs (20, 22), la s equence de commande des interrupteurs selon le second mode pr esentant des etats de fermeture d'interrupteurs qui incluent les etats de fermeture d'interrupteurs du dernier fonctionnement du premier mode, ainsi qu'une fermeture ou une succession d'impulsions de fermeture en avance de phase qui est prolong ee directement par un de ces etats de fermeture.
Description
La présente invention concerne les moteurs à commutation électronique,
dits aussi moteurs sans balais, destinés à des applications qui requièrent à la fois un rendement important et un coût faible. Elle trouve une application importante, bien que non exclusive, dans le domaine automobile, pour entraîner des pompes d'alimentation de servo- moteurs ou
vérins en un débit très variable de liquide hydraulique sous pression.
On a représenté sur la figure 1 un exemple de moteurs à commutation électronique de constitution classique. Sur cette figure, le moteur comporte un rotor 10 à aimants permanents et un stator qui porte trois bobines 12 et des capteurs de position 18. Un module de commande à trois branches formant pont d'interrupteurs permet d'alimenter les bobines 12 à partir d'une source 16 de courant continu. Chaque branche comporte deux interrupteurs en série 20 et 22, les différentes branches étant montées
entre une source de tension 16 et la masse. Chaque interrupteur est lui-
même monté en parallèle avec une diode de roue libre 24.
Le montage de la figure 1 comporte en outre un soustracteur 26 qui reçoit, sur une entrée, un signal numérique Vc indiquant la valeur de consigne de la vitesse et, sur l'autre entrée, un signal numérique Vm qui reçoit un signal numérique représentatif de la vitesse du rotor 10. Ce signal Vm est élaboré par un calculateur 28 qui reçoit le signal de sortie des
capteurs de position 18.
Le calculateur 28 est prévu pour fournir, sur sa sortie 30, un signal numérique représentatif du rapport cyclique d'ouverture ou RCO des impulsions de tension périodiques fournies aux bobines 12 pendant des périodes d'activation successives. Ce signal est élaboré à partir du signal d'erreur rv fourni par le soustracteur 26. Un circuit 32 de commande des interrupteurs de puissance 20 et 22 élabore les signaux de fermeture des interrupteurs à partir de la valeur du RCO, des signaux fournis par les capteurs 18 qui donnent la position du rotor et d'un signal de
synchronisation et de commande de fréquence 34.
On connaît déjà plusieurs modes de commande d'un tel montage, et notamment un mode de commande dit à 120 et un mode de commande dit
à 180 .
Dans le mode dit de type 120 , le module alimente successivement chaque phase du moteur au moyen d'impulsions périodiques de tension présentant un rapport cyclique d'ouverture variable pour assurer la régulation en vitesse, sans recouvrement temporel des périodes d'alimentation des différentes phases, deux périodes o une même phase est alimentée dans un sens puis dans un autre étant séparées par une
période pendant laquelle ladite phase n'est pas alimentée.
Ce mode d'alimentation a l'avantage de donner un rendement élevé.
Mais un couple élevé ne peut être obtenu que pour une vitesse faible. En effet, la commande de type 120 fournit plutôt une caractéristique couple/vitesse de fonctionnement à couple constant alors qu'il est souhaitable d'avoir une caractéristique qui se rapproche d'un
fonctionnement à puissance constante.
Une fois qu'un rapport cyclique de 100% est atteint, toute augmentation du couple ne peut être obtenue que par augmentation de l'intensité du courant, qui doit elle-même être limitée à une valeur
compatible avec la tenue de roulements du moteur.
Pour les applications nécessitant une valeur de couple plus élevée aux grandes vitesses de rotation, on utilise le mode de commande connu sous le nom de " mode de type 180 ". Selon ce mode, les périodes d'activation de chaque interrupteur sont telles que l'on alimente les trois phases à la fois, chaque phase étant toujours alimentée dans un sens ou dans l'autre. Pour cela, on comble dans ce mode dit de type 180 la période
de non alimentation qui existe dans les alimentations en mode de type 120 .
Mais ce mode de type 180 présente un rendement dégradé à faible charge du moteur, notamment du fait de la présence d'une forte
composante réactive qui augmente les pertes par effet Joule.
Le but de la présente invention est de proposer un moteur électrique synchrone commandé de telle sorte qu'il présente un couple élevé à vitesse
de rotation élevée, et de faibles pertes à basse vitesse.
Un second but de l'invention est de proposer un moteur dont les moyens de commande ne produisent aucun à-coup de couple ou de vitesse au passage entre les deux modes, et ce, sans nécessiter de moyens
électroniques de commande complexes.
Ce but est atteint selon l'invention grâce à un moteur à commutation électronique comprenant un ensemble stator-rotor muni de bobinages d'entraînement triphasés comprenant en outre une série d'interrupteurs pour l'alimentation des bobinages et des moyens de commande aptes à régler la vitesse du moteur sur une vitesse de consigne, ces moyens de commande incluant des moyens de surveillance de vitesse relative du stator et du rotor, et des moyens pour commander des ouvertures/fermetures de chaque interrupteur selon une séquence qui est répétée et qui est choisie pour alimenter les bobinages d'entraînement en fonction des signaux fournis par les moyens de surveillance de vitesse, cette séquence incluant une succession d'impulsions d'ouverture/fermeture avec un rapport cyclique fonction de la surveillance de vitesse, caractérisé en ce que les moyens de commande sont aptes à générer, en fonction des signaux délivrés par les moyens de surveillance, deux modes de commande des interrupteurs, la séquence de commande des interrupteurs selon le second mode présentant des états de fermeture d'interrupteurs qui incluent les états de fermeture d'interrupteurs du dernier fonctionnement du premier mode, ainsi qu'une fermeture ou une succession d'impulsions de fermeture en avance de
phase qui est prolongée directement par un de ces états de fermeture.
Un tel moteur est particulièrement avantageux par le fait qu'il
nécessite aucun calcul lourd d'adaptation à la transition entre les modes.
D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention
apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre, faite en
référence aux figures annexées sur lesquelles: - la figure 1 est un schéma électrique d'un moteur muni de moyens de commande de commutation dont la structure est connue; - la figure 2 est un chronogramme faisant apparaître une série de périodes d'alimentation des différentes phases d'un moteur selon
l'invention, en mode " 120 ".
- les figures 3a à 3d présentent, en correspondance temporelle l'une avec l'autre, les évolutions respectivement des tensions simples dans les phases du moteur, des tensions composées dans les phases du moteur, des signaux de détection de position du rotor délivrés par des capteurs Hall, et des tensions de commande des six interrupteurs du moteur selon
l'invention, dans le mode " 120 ".
- la figure 4 est un chronogramme faisant apparaître une série de périodes d'alimentation des différentes phases d'un moteur selon l'invention, en mode " 180 "; - la figure 5 est un schéma fonctionnel d'un circuit de commande
d'un moteur selon l'invention.
- la figure 6 représente l'évolution d'un courant de phase en mode ; - la figure 7 représente l'évolution d'un courant de phase en mode de type 180 ; - la figure 8 représente l'évolution d'un courant de phase en mode de
type 180 à 100%.
Le dispositif décrit ci-après présente une structure générale similaire
à celle de la figure 1.
Les moyens de commande de ce dispositif sont en outre prévus pour mettre en oeuvre selon les besoins deux modes de commutation des
interrupteurs, l'un de type 120 , l'autre de type 180 .
Le mode de type " 120 " mis en oeuvre ici est représenté aux
figures 2 et 3a à 3d.
Les trois capteurs Hall 18 délivrent chacun un signal rectangulaire qui est au niveau haut sur un demi-tour (180 ) et au niveau bas pour le
demi-tour restant.
Comme l'illustrent les figures 3c et 3d, I'interrupteur " haut " (interrupteurs 20a, 20b, 20c) d'une phase donnée est activé sur les derniers 120 du créneau positif du signal de détection associé à cette phase, et l'interrupteur " bas " (interrupteurs 22a, 22b, 22c) de cette phase donnée
est activé sur les derniers 120 de la partie nulle du signal de détection.
En mode " 120 >", chacune des périodes d'activation d'un interrupteur donné se divise en deux intervalles de 60 , c'est à dire un premier intervalle o est fourni un signal à découpage de rapport cyclique choisi (signal PWM) et un second intervalle o est fournie une tension constante de fermeture de l'interrupteur. Le premier intervalle, à PWM choisi, sert à ajuster la puissance d'entraînement fournie à la phase considérée, pour obtenir un couple plus ou moins élevé afin de rattraper un éventuel retard du rotor sur la vitesse de
rotation souhaitée.
Lorsque le rapport cyclique sur cet intervalle atteint 100%, et que la différence sv entre la vitesse mesurée et la vitesse de consigne est encore négative, le présent dispositif passe alors à un mode de commande
" 180 " décrit maintenant.
Dans ce second mode, l'interrupteur considéré est activé sur une période de 180 . Cette période s'étend en avance de phase par rapport à la
période de 120 décrite précédemment.
Plus précisément, la période d'activation de 180 recouvre la période de 120 précédente et s'étend en outre sur un intervalle de 60 antérieur à
cette période de 120 .
Cet intervalle antérieur de 60 est le siège d'un signal PWM de rapport cyclique choisi, pour ajuster la vitesse mesurée sur la vitesse de consigne. Par contre, la partie de cette période qui correspond à la période de du mode précédent, conserve la même séquence de fermeture/ouverture que juste avant le passage au mode de type 180 . Ainsi le premier intervalle de cette période 120 est un PWM à 100%, c'est à dire un signal continu, et le second intervalle de cette période de 120 reste à
son potentiel continu.
Dans ce mode à 180 , le point de fonctionnement à 0% correspond donc au signal de commande obtenu pour le point de fonctionnement à
% du mode 120 .
Le second mode de fonctionnement, de type à 180 , présente l'avantage d'un accroissement du couple développé à grande vitesse, sur le principe d'une avance de phase due à l'adjonction d'une période d'activation
préliminaire à la période de 120 .
En choisissant ce mode particulier à 180 conservant la forme de la commande qui était présente au mode maximal à 120 , on obtient une transition entre les deux modes qui est sans discontinuité de couple ni de
vitesse et sans nécessiter aucun calcul de transition de rapport cyclique.
Tant que le fonctionnement en mode 120 est suffisant pour le couple nécessaire, c'est à dire tant que Vc est atteint avec une simple
variation du rapport cyclique dans le mode 120 , on reste dans ce mode.
Lorsque le taux de 100% est atteint, on passe automatiquement au mode de type 180 , sans nécessiter de diagnostic d'un tel besoin. Il s'agit d'une
simple commutation de mode sans adaptation nécessaire.
De même, lorsque le taux de 0% est atteint en mode de type 180 , le passage au mode 120 se fait automatiquement sans nécessiter de moyens de diagnostic complexes. Le fait de ne pas nécessiter de moyens de diagnostic électronique permet d'éviter les inconvénients de la dépendance de tels moyens vis à vis de la tension batterie. Un tel dispositif permet en outre d'éviter des effet néfastes dus à d'éventuelles erreurs sur le calcul de
vitesse, ainsi que des disparités de réalisation électronique des moteurs.
De plus, il n'est pas nécessaire de prévoir une éventuelle transition à au démarrage (pour obtenir le couple maximal), cette transition étant
automatique ici.
Selon une variante, on prévoit de générer l'avance de phase en avançant progressivement le début du signal positif de commande antérieur à la période de 120 , une fois la zone 120 arrivée à son rapport cyclique maximal. Dans le cas présent, on obtient une avance de phase variable en variant le rapport cyclique selon le besoin, seulement après l'arrivée à un point de rapport cyclique maximal de la zone 120 , sans modification brutale
de cette période de 120 .
On arrive donc à un régulateur dont les butées sont 0% et 200% et
qui se trouve séparé en deux PWM standard variant de 0 à 100%.
Tel qu'illustré sur la figure 5, le montage de commande préférentiel du présent moteur reprend un soustracteur 26 qui délivre un signal de différence de vitesse rv, puis après filtrage par un régulateur 51 et une mise à l'échelle en fonction d'une tension de batterie Ubat, délivre vers un calculateur 60 un signal de commande indicateur de la différence de vitesse à cumuler. Cette première branche, antérieure au calculateur 60, est référencée 100. Le calculateur 60 détermine le rapport cyclique et le mode
de commande à appliquer.
On a représenté aux figures 6 à 8 les évolutions des intensités de
phases et en sortie de batterie obtenues avec ce montage.
On notera qu'aussi bien les courants de phase de batterie sont plus élevés en mode " 180 " avec une évolution plus saccadée vers le bas
lorsque le rapport cyclique est différent de 100%.
Selon une variante, on prévoit que lorsque le PWM du mode 120 atteint 100%, on passe au mode de type 180 précédemment décrit avec un premier rapport cyclique dans la zone de PWM qui est supérieur à 0%. On prévoit avantageusement un rapport cyclique compris entre 20 et 60%,
préférentiellement d'environ 40%.
On considère ainsi qu'une consigne en sortie de régulateur légèrement supérieure à 100% ne fournit pas un PWM de 0% en mode de
type 180 mais directement un PWM de 40% par exemple.
En effet, on remarque que la variation du rapport cyclique du présent mode de type 180 entre 0 et 40% a généralement peu d'influence sur le comportement du moteur. En effet, dans cette gamme, la tension supplémentaire ajoutée en avance de phase est négligeable. On remarque dans le courant de phase que le courant généré est très faible (quelques
ampères) et discontinu.
Grâce au présent dispositif, on gagne en outre en rendement dans les zones à faible couple et à forte vitesse ainsi qu'une bonne stabilité lors du passage d'un mode à l'autre et cela indépendamment de la tension
batterie et des paramétrages physiques du moteur et de l'électronique.
Claims (9)
1. Moteur à commutation électronique comprenant un ensemble stator-rotor (10, 12) muni de bobinages (12) d'entraînement triphasés comprenant en outre une série d'interrupteurs (20, 22) pour l'alimentation des bobinages et des moyens de commande (26, 28, 32) aptes à régler la vitesse du moteur sur une vitesse de consigne (Vc), ces moyens de commande (26, 28, 32) incluant des moyens de surveillance de vitesse (18, 26, 28) relative du stator (12) et du rotor (10), et des moyens pour commander des ouvertures/fermetures de chaque interrupteur (20, 22) selon une séquence qui est répétée et qui est choisie pour alimenter les bobinages d'entraînement en fonction des signaux fournis (Vc, Vm) par les moyens de surveillance de vitesse (18, 26, 28), cette séquence incluant une succession d'impulsions d'ouverture/fermeture avec un rapport cyclique fonction de la surveillance de vitesse, caractérisé en ce que les moyens de commande sont aptes à générer, en fonction des signaux délivrés par les moyens de surveillance (18, 26, 28), deux modes de commande des interrupteurs (20, 22), la séquence de commande des interrupteurs selon le second mode présentant des états de fermeture d'interrupteurs qui incluent les états de fermeture d'interrupteurs du dernier fonctionnement du premier mode, ainsi qu'une fermeture ou une succession d'impulsions de fermeture en avance de phase qui est prolongée directement par un de ces états de fermeture.
2. Moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'au passage du premier au second mode, les séquences d'ouvertures/fermetures
d'interrupteurs sont identiques pour le premier et le second mode.
3. Moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'au passage du premier au second mode, la séquence d'ouverture/fermeture du premier fonctionnement du second mode présente la répartition de fermetures du dernier fonctionnement du premier mode, ainsi que, pendant un intervalle de temps non nul, une fermeture ou une succession d'impulsions de fermeture en avance de phase qui est prolongée directement par un de ces
états de fermeture.
4. Moteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3,
caractérisé en ce que les moyens de commande sont aptes à faire varier la durée de la fermeture ou de la succession d'impulsions de fermeture en avance de phase en fonction des signaux délivrés par les moyens de surveillance de vitesse.
5. Moteur selon l'une quelconque des revendications précédentes,
caractérisé en ce que le premier mode est un mode o chaque interrupteur est fermé ou commandé par une succession d'impulsions de fermeture pendant une période d'activation qui dure pendant un tiers de la séquence de commande des interrupteurs et en ce que le second mode est un mode o chaque interrupteur (20, 22) est fermé ou commandé par une succession d'impulsions de fermeture pendant une période d'activation incluant ladite période d'un tiers de séquence ainsi qu'une période antérieure à ladite
période d'un tiers de séquence.
6. Moteur selon la revendication 5, caractérisé en ce que le premier mode est tel qu'un premier tiers de chaque période d'activation d'interrupteur (20, 22) est constitué d'une série d'impulsions et les deux tiers suivants de cette période sont constitués d'un état de fermeture continue de
l'interrupteur (20, 22).
7. Moteur selon la revendication 6, caractérisé en ce que ladite
période antérieure dure pendant un sixième de la séquence.
8. Moteur selon la revendication 7 en combinaison avec la revendication 3, caractérisé en ce qu'au passage du premier au second mode, la période antérieure est un intervalle à impulsions de fermeture de
rapport cyclique compris entre 20 et 60%.
9. Moteur selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'au passage du premier au second mode, la période antérieure est un intervalle à
impulsions de fermeture dont le rapport cyclique est d'environ 40%.
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