FR2947643A1 - Systeme de commande pour machine tournante a roulement instrumente - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un système de commande de machine tournante à roulement instrumenté, produisant un signal de mesure de vitesse et de couple. Sur la base de ces mesures, on réalise un asservissement sur un convertisseur (12) qui commande la machine tournante (1), moteur ou génératrice électrique, moteur à combustion interne ou turbine à gaz.

Description

i "Système de commande pour machine tournante à roulement instrumenté" L'invention concerne un système de commande pour machine tournante à roulement instrumenté.

Dans l'état de la technique, on a déjà produit des systèmes de commande pour des moteurs électriques. Par exemple, dans le document EPûAû1.298.785, on a décrit un roulement instrumenté pour un moteur à commutation électronique qui comporte un codeur multipolaire circulaire et un capteur fixe qui délivre des io signaux digitaux en quadrature sous forme impulsionnelle à un circuit de pilotage par commutation électrique de l'alimentation dudit moteur électrique à roulement instrumenté. Le circuit de pilotage produit une onde polyphasée dont chaque phase est fournie à un enroulement particulier du moteur 15 à commutation électronique, de sorte qu'il peut être piloté ou contrôlé en vitesse. Dans le document FR-B-2.830.139, il est décrit un dispositif de commutation électronique commandé par impulsions dans lequel le moteur comporte un codeur multipolaire circulaire 20 associé à la bague tournante d'un roulement, qui prend alors la forme d'un roulement instrumenté. Le codeur comporte une piste multipolaire et un capteur fixe qui détecte le passage des pôles du codeur multipolaire circulaire de façon à produire des signaux de commutation en quadrature pour un circuit de commutation 25 électronique des courants dans les enroulements de phase du moteur. Dans le document EP-A-1.408.603, il est décrit un dispositif de pilotage d'un moteur à commutation électronique dans lequel un codeur comporte une piste multipolaire principale 30 et une piste multipolaire, dite "top tour", concentrique et un capteur est fourni pour produire, d'une part, des signaux de commutation en quadrature et, d'autre part, un troisième signal de commutation, dit "top tour". 2 Les signaux issus du capteur sont transmis à un circuit de commande ou de commutation des courants dans les enroulements de façon à produire une alimentation convenable du moteur à commutation électronique auquel le codeur est associé.

Dans le document EP-A-1.404.016, il est décrit un dispositif de pilotage d'un moteur à commutation électronique dans lequel on évite de recourir à un deuxième capteur de type résolveur après la mesure à l'aide d'un codeur incrémentai. Or, un capteur de type résolveur présenterait un encombrement rendant io l'intégration mécanique dans une machine électrique difficile. Pour résoudre ce problème, le document EP-A-1.404.016 enseigne à utiliser à la fois un seul codeur avec une piste multipolaire principale et une piste multipolaire, dite "top tour", sur le codeur incrémentai disposé en relation avec le rotor du 15 moteur, de sorte que les secteurs de la piste du "top tour" comportent une pluralité de singularités réparties angulairement. Un capteur fixe disposé en regard du codeur incrémentai produit, d'une part, une pluralité de signaux en quadrature et, d'autre part, une pluralité de signaux liés aux singularités du 20 codeur du "top tour". Dans le document EP-A-1.298.785, on a décrit un dispositif de commande d'un moteur à commutation électronique avec un codeur tournant à deux pistes et un capteur fixe fournissant deux signaux en quadrature et un signal à chaque tour du codeur. Le 25 codeur est un disque qui est fixé à une partie tournante du roulement interposé entre l'arbre du rotor et le carter du moteur. Un circuit de commande élabore des signaux de commutation d'un circuit de pilotage par commutation de l'alimentation du moteur électrique à partir de deux consignes en 30 courant appliqués aux signaux en quadrature et au signal à chaque tour. Le circuit de commutation est asservi alors à la détection de ces différents signaux. 3 L'état de la technique, ainsi qu'il est représenté par les quatre documents précités, enseigne bien à utiliser un capteur de la vitesse de rotation d'un moteur à commutation électrique de manière à réaliser un pilotage du moteur à commutation électronique, un codeur étant fixé à une partie tournante d'un roulement d'une manière compacte puisque le capteur de mesure du paramètre de commande est intégré à la partie fixe du roulement. En particulier, il existe des génératrices électriques qui io sont des machines électriques très semblables aux moteurs à commutation électronique de l'état de la technique précité. De plus, il existe aussi d'autres machines tournantes qui convertissent une énergie primaire en une énergie mécanique, comme des moteurs à combustion interne, et dont le fonctionne- 15 ment est piloté par des organes électriques. Il est nécessaire de connaître à la fois une vitesse stable et le couple développé par la machine tournante de façon à réaliser un asservissement correct sur un couple de consigne. Un roulement instrumenté pour machine tournante 20 convenable pour fournir ces deux informations comporte un corps de roulement sur la périphérie duquel est montée au moins une jauge de contrainte pour détecter le passage d'éléments intercalaires, comme des billes ou des rouleaux du corps de roulement, sur au moins un chemin de roulement, ainsi que des 25 circuits de traitement des signaux produits par ladite au moins une jauge de contrainte pour en déduire un signal représentatif du couple et/ou un signal représentatif de la vitesse de rotation du roulement instrumenté. Selon les modèles : 30 • le roulement instrumenté comprend une pluralité de jauges de contraintes solidarisées en des positions angulairement réparties sur le corps du roulement. 4 • le roulement instrumenté comporte un circuit pour générer un signal représentatif du couple exercé sur une partie tournante du roulement instrumenté. • le circuit pour générer un signal représentatif du couple coopère avec un circuit de conditionnement, un circuit de filtrage du signal conditionné produisant un signal filtré et/ou un circuit générateur d'un signal représentatif du couple selon une relation de la forme : C = f(X). • les circuits de traitement des signaux produits par ladite au io moins une jauge de contrainte pour en déduire un signal représentatif du couple et/ou un signal représentatif de la vitesse de rotation du roulement instrumenté comportent un moyen pour déterminer la fréquence des signaux recueillis par le roulement pour en déduire la vitesse de rotation de 15 l'arbre et accessoirement sa position. Le roulement instrumenté comprend des jauges de contrainte qui mesurent les efforts latéraux subis par le roulement. On effectue alors des calculs pour en déduire le couple subi par le roulement. 20 L'invention concerne un système de commande de machine tournante comportant un organe électrique servant à régler son fonctionnement comportant des bornes de commande connectées aux sorties d'un circuit de pilotage dont au moins une entrée reçoit des signaux de détection produit par au moins un roulement 25 instrumenté monté sur l'arbre rotorique d'une machine tournante. Le circuit de pilotage comporte des moyens pour convertir les données de lecture des capteurs du roulement instrumenté en une information de commande délivrée selon une stratégie de commande déterminée aux bornes de commande de l'organe 30 électrique de réglage de la machine tournante, comme un moteur ou une génératrice, une turbine ou une pompe ou un moteur à explosions. Selon d'autres caractéristiques : • la machine tournante est commandée sur une consigne de couple au moyen d'une boucle d'asservissement en couple comprenant un circuit de calcul d'erreur d'asservissement recevant ladite consigne en couple et ledit signal de mesure 5 de couple du roulement instrumenté et dont la sortie est connectée à un circuit de correction basé sur un contrôle Proportionnel, un contrôle Proportionnel et Intégral, ou un contrôle Proportionnel, Intégral et Différentiel, pour piloter le taux de modulation d'un générateur de signal de io commande en largeur d'impulsions connecté à l'entrée de commande dudit organe électrique de réglage de la machine tournante comme un convertisseur de puissance pour Moteur à Commutation électronique. • Le système comporte aussi une boucle d'asservissement en 15 vitesse sur la base d'un signal de mesure de la vitesse de rotation issu du roulement instrumenté pour régler la fréquence de l'onde pilote du générateur de signal de commande en largeur d'impulsions. • Le système comporte aussi un capteur de courant pour 20 réaliser une boucle supplémentaire de contrôle en courant de l'organe de réglage. • Le système comporte aussi un résolveur pour optimiser le rendement sur l'organe électrique de réglage et qui comporte un circuit pour produire un signal de commande 25 de la fréquence du générateur de signal de commande en largeur d'impulsions au moyen d'un additionneur le signal de commande étant obtenu par intégration d'un signal proportionnel au rapport de l'amplitude différentielle à la phase différentielle produits par le résolveur. 30 • La machine tournante étant un moteur à explosions doté d'un carburateur à volet d'admission motorisé, Le système produit un réglage de l'angle d'ouverture du papillon des gaz en fonction du couple réel mesuré par le roulement instrumenté sur la base d'une consigne de couple et d'une boucle d'asservissement en couple. • Le système comporte aussi éventuellement une boucle d'asservissement en vitesse de rotation et/ou une boucle de commande sur une quantité de carburant comportant un circuit de calcul d'un paramètre d'angle d'allumage, ledit signal de vitesse et/ou ledit signal d'angle d'allumage étant appliqué. D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront au io cours de la lecture de la description détaillée qui suit, pour la compréhension de laquelle on se reportera aux dessins annexés parmi lesquels : - la figure 1 est un schéma bloc d'un mode de réalisation du système de l'invention ; 15 - les figures 2 à 4 sont des schémas bloc illustrant des stratégies de commande dans le mode de réalisation du système de la figure 1 ; - les figures 5 et 6 sont des schémas bloc illustrant des stratégies de commande dans un autre mode de réalisation 20 du système de l'invention ; et - les figures 6A et 6B sont respectivement, la figure 6A, un schéma de principe d'un roulement instrumenté utilisé dans l'invention, et la figure 6B, un schéma des circuits de traitement des signaux des parties du roulement instrumenté 25 destiné à produire les signaux de couple et de vitesse de rotation. A la figure 6A, on a représenté de façon schématique un roulement instrumenté utilisé dans un mode préféré de réalisation de la présente invention. 30 Le roulement instrumenté 100 est monté sur un arbre de rotation comme l'arbre rotorique 101 d'une machine tournante non représentée. 7 Le roulement instrumenté 100 est composé essentiellement par un roulement de type classique comportant une partie tournante 102 solidarisée par un moyen de solidarisation 107 à l'arbre de rotation 101 et une partie fixe 103 destinée à être montée sur le bâti ou sur le stator de la machine tournante non représentée. La machine tournante est solidarisée de la partie fixe du roulement instrumenté par des moyens de solidarisation 110 et 111 disposés sur toute la périphérie du roulement instrumenté. io Entre la partie tournante 102 et la partie fixe 103 du roulement proprement dit sont disposés des éléments intermédiaires de roulement comme des billes, des rouleaux, ou des aiguilles, ainsi qu'il est connu qui roulent avec un frottement réduit sur des chemins de roulement 106 sur la partie tournante 15 102 et 105 sur la partie fixe 103 du roulement instrumenté 100. Dans cet état de la description, le roulement instrumenté de l'invention est strictement identique à un roulement de n'importe quel genre de l'état de la technique. Selon l'invention, au lieu de disposer sur l'arbre rotorique 20 101 ou en relation avec la partie tournante 102 du roulement instrumenté, un codeur optique sous forme d'un disque qui lui est solidaire, on dispose sur la périphérie du roulement instrumenté de l'invention 100 une pluralité de capteurs, préférentiellement de jauges de contrainte 108 et 109 qui sont solidaires de parties 25 convenables du roulement instrumenté. Par un couplage convenable, obtenu par exemple par collage de chaque jauge de contrainte en des points convenablement choisis du roulement instrumenté, il est possible de détecter le passage d'au moins certains des éléments 30 intermédiaires comme les billes 104 et d'en déduire ainsi une information de couple, puis, par dérivation, c'est-à-dire par mesure de la fréquence de phénomènes périodiques, un circuit de traitement convenable du signal de détection des jauges permet 8 d'en déduire une information représentative de la vitesse de rotation du roulement instrumenté, et donc de la machine tournante sur laquelle il est installé. On se reporte maintenant à la figure 6B dans laquelle les signaux de détection des jauges de contrainte 108 et 109, soient Ai et Aj, sont fournis aux entrées d'un circuit de traitement de signaux pour élaborer les signaux de mesure de couple et/ou de vitesse de rotation 125. A cet effet, les signaux de détection des capteurs comme io les jauges de contrainte Ai et Aj sont traités par un circuit de conditionnement 121 destiné à normaliser et/ou à amplifier les signaux détectés, d'une part, et à les reclasser en relation de phase les uns avec les autres. Le vecteur des signaux de détection reconditionnés produit 15 par le circuit de conditionnement 121 est transmis à l'entrée d'un circuit de filtrage 122 qui permet d'éviter des détections de phénomènes parasites en utilisant un filtrage adapté que l'Homme du Métier saura déterminer. Le vecteur de détection filtré X issu du filtre 122 est 20 appliqué à un circuit générateur 123 d'un signal représentatif du couple appliqué sur la partie tournante 102 de roulement instrument par rapport à sa partie fixe 103. A cette fin, les valeurs d'amplitude relatives des signaux Ai et Aj de la pluralité de jauges de contrainte 108 et 109 sont 25 rapprochées selon une relation déterminée C = f(X), de façon à produire un signal représentatif du couple produit par la machine tournante sur son arbre 101 quand le roulement instrumenté de l'invention est solidarisé de l'arbre rotorique, ou de toute autre partie tournante de la machine tournante. 30 Lorsque le dispositif de commande de l'invention qui utilise le roulement instrumenté préféré nécessite un contrôle supplémentaire en plus du signal de couple sur un signal de vitesse de rotation, le signal représentatif de la vitesse de rotation de l'arbre de rotation 101 est déterminé par dérivation, c'est-à-dire par mesure de la fréquence d'un phénomène périodique sur la grandeur représentative du couple produite à partir du circuit 123.

A cet effet, le circuit de l'invention comporte aussi un circuit de dérivation et de mesure de fréquence 124 qui produit un signal représentatif de la vitesse de rotation N de l'arbre de rotation par rapport à la partie fixe 103 du roulement instrumenté. Ainsi qu'il ressort de la présente description, le fait de io disposer les jauges de contrainte directement sur les parties convenables du roulement instrumenté assure que les efforts subits par le roulement instrumenté sont intégralement pris en compte pour la mesure du signal représentatif du couple et pour le signal représentatif de la vitesse. 15 Par ailleurs, le circuit de l'invention associé au roulement instrumenté permet de produire prioritairement un signal de couple et optionnellement un signal de vitesse de rotation à destination d'un dispositif de commande qui va maintenant être décrit. 20 A la figure 1, on a représenté un premier mode de réalisation de l'invention dans lequel la machine tournante est une machine électrique à enroulements, comme un moteur à commutation électronique, dans laquelle le rotor 4 est réalisé en un matériau magnétique et le stator 2 porte plusieurs 25 enroulements 3 décalés angulairement, et alimentés avec des phases convenables à travers un convertisseur de puissance 12 piloté par le circuit de pilotage 10 de l'asservissement de l'invention. Selon l'invention, un roulement instrumenté 7 est monté 30 sur l'arbre de rotation 5 du moteur 1. Un deuxième roulement 6 qui peut être identique ou sans instrumentation est prévu de l'autre côté du rotor 4. i0 Le signal de mesure, élaboré par le roulement instrumenté 7, est retourné à un circuit de pilotage 10 qui reçoit, d'une part, une consigne et, d'autre part, ledit signal de mesure pour en former un signal de différence ou d'erreur 11 pour commander le convertisseur 12. Le même schéma est aussi applicable au cas d'autres machines tournantes dans lequel le capteur de couple est monté en relation avec l'arbre de la machine tournante et la machine tournante étant elle-même commandée à l'aide d'un organe io électrique quelconque. Dans le cadre de l'invention, une telle machine tournante pourra être un moteur à explosions pour entraîner un véhicule. Dans l'état de la technique, ainsi qu'on l'a précédemment rappelé, il est connu de réaliser des paliers instrumentés qui sont 15 disposés à la jonction entre le bâti de la machine tournante et l'arbre de rotation de la machine tournante. Un tel palier comporte un chemin de roulement sur lequel des billes circulent entre une partie rotorique montée sur l'arbre et la surface de la piste du roulement. 20 Selon l'invention, le roulement instrumenté comporte des jauges de contrainte angulairement réparties autour du corps du roulement et en relation mécanique avec la piste, ou chemin de roulement. Ces jauges de contrainte sont capables de fournir des 25 indications sur la vitesse de rotation par les singularités produites sur chaque jauge de contrainte par le passage d'une bille ou d'un rouleau du roulement instrumenté. Les jauges de contrainte sont enfin capables de produire un signal proportionnel à l'effort de contrainte détecté sur une 30 période déterminée par la jauge de contrainte et, à l'aide d'un circuit de calcul, de produire un signal de mesure du couple exercé par l'arbre de rotation. 2947643 Il Par rapport à la solution antérieure qui consiste à ajouter un capteur de couple en le connectant à l'arbre de rotation, le roulement instrumenté du genre préféré pour le dispositif de commande de l'invention étant disposé au plus près de la 5 machine tournante commandée par le circuit d'asservissement qui sera décrit plus loin, il est ainsi possible de limiter les effets négatifs des jeux et des retards mécaniques introduits dans un tel montage. En particulier, le roulement instrumenté du genre préféré io pour le dispositif de commande de l'invention rend ainsi possible de réaliser un contrôle en couple d'une machine tournante qu'il équipe sans avoir besoin de restituer par estimation l'information de couple en utilisant, dans le cas d'un moteur à commutation électronique, ou une génératrice du même genre, en mesurant le 15 courant et la tension dans au moins un bobinage de référence ainsi qu'il est connu. En effet, dans un domaine de fonctionnement linéaire d'une telle machine électrique, on sait que le couple est une fonction déterminée du courant et de la tension traversant au 20 moins un enroulement de la machine électrique. Cette solution n'est pas applicable à des machines tournantes comme un moteur à explosions Mais, même dans le cas d'une machine électrique, une telle mesure par estimation est entachée d'imprécisions et surtout 25 de parasites. Elle peut également diverger au cours du fonctionnement de la machine, notamment à cause de la variation de température introduite par le fonctionnement. De plus, lorsque la machine ne fonctionne plus dans un 30 domaine linéaire, la fonction d'estimation devient incapable ou insuffisante à réaliser une relation entre courant et tension, d'une part, et couple, d'autre part. L'estimation électrique du couple devient impossible. 12 Par ailleurs, le roulement instrumenté par des jauges de contrainte susceptibles de produire un signal de mesure de couple et/ou de vitesse de rotation permet de produire une information fiable, robuste et libre de parasites.

Les signaux électriques de mesure des jauges de contrainte du roulement instrumenté 7 du genre préféré pour le dispositif de commande de l'invention sont élaborés par un premier circuit de traitement de signaux 8 pour produire un signal de mesure de couple 15 et, le cas échéant, par un second circuit de traitement de signaux 9 pour produire un signal de mesure de la vitesse de rotation 16. Les signaux de mesure de la vitesse de rotation 16 et du couple 15 sont fournis en entrée d'un circuit de pilotage 10 qui reçoit par ailleurs un signal de consigne 20.

Le signal de consigne 20 est produit par un système de gestion ou de commande (non représenté) de la charge mécanique (non représentée) qui est couplée mécaniquement à l'arbre de rotation 5 du moteur 1. Cette charge peut être un accessoire d'automobile comme un lève-vitre ou encore une roue motrice pour un véhicule à propulsion électrique ou encore un mécanisme de braquage dans une direction assistée électrique. Le circuit de pilotage 10 produit à ses bornes de sortie 17-19 des signaux de commande d'un dispositif ou organe de commande électrique 12 qui est alimenté en énergie électrique par une source électrique 13. Dans l'application à un moteur à commutation électronique, la source en énergie est une source à courant continue comme une batterie électrique de véhicule et le circuit de conversion de puissance 12 produit à sa sortie plusieurs signaux de commande de phase statorique par un câble d'alimentation du moteur électrique 14. 13 Le circuit de pilotage 10 met en oeuvre une stratégie déterminée de commande qui détermine les paramètres d'alimentation du moteur électrique 1 en réglant le circuit convertisseur de puissance 12 en choisissant notamment la fréquence, la forme d'onde, l'intensité et la tension de chacune des phases de l'onde de puissance délivrée à la sortie du circuit 12. Si la machine tournante n'est pas un moteur électrique, mais par exemple une turbine à gaz ou hydraulique, ou une génératrice électrique, ou encore un moteur à explosions, il faut que la machine tournante possède un organe électrique agissant sur son fonctionnement, c'est-à-dire sur le couple délivré et/ou sur sa vitesse de rotation pour que la ou les boucles de contrôle sur la base du roulement instrumenté associé à son arbre de rotation soit refermée ou soient refermées sur la commande dudit organe électrique par le moyen du système de commande de l'invention. A la figure 2, on a représenté un mode de réalisation d'un circuit de pilotage adapté au système de commande du mode de réalisation de la figure 1.

Dans la suite des figures, les éléments semblables à ceux de la figure 1 portent le même numéro de référence, suivi d'une lettre minuscule, pour particulariser au mode de réalisation en cours de description. A la figure 2, le signal de consigne 20a est un signal de consigne de couple à fournir à l'aide du moteur la. Le signal de consigne 20a est fourni à l'entrée + d'un générateur de signal d'erreur 21 dont la borne d'entrée - reçoit un signal de mesure de couple 16a fourni par le roulement instrumenté 7a monté sur le moteur la à commutation électronique.

Le signal d'erreur généré est constitué par l'écart instantané entre la consigne 20a et le couple 16a. Le signal d'erreur généré est fourni à l'entrée d'un régulateur PID 22 14 (Proportionnel Intégral Différentiel) qui réalise la synthèse d'un signal de commande en couple pour le moteur la. Ainsi qu'il est connu, le régulateur PID 22 réalise la synthèse d'un signal de correction de l'asservissement en exécutant en parallèle une correction proportionnelle P du signal d'erreur, une correction intégrale I du signal d'erreur et une correction dérivée D du signal d'erreur. Les trois corrections sont alors ajoutées et leur somme instantanée est le signal de sortie du correcteur PID complet.

Dans des variantes de réalisation, le régulateur ou correcteur PID peut être réduit à un correcteur proportionnel et intégral, à un correcteur proportionnel et dérivé, ou encore à un correcteur proportionnel dérivé et intégral, suivant le niveau de performance désiré.

La boucle d'asservissement en couple est complétée par une seconde boucle fermée intérieure, commandant et/ou contrôlant le courant d'armature du moteur la. A cet effet, un second générateur de signal d'erreur 23 reçoit, sur son entrée positive, le signal de correction de la commande en couple du correcteur 22, ainsi que sur son entrée négative un signal 29 de mesure de courant I, produit par un capteur de courant 26, connecté à l'une des phases 27 du stator du moteur à commutation électronique la. Le signal d'erreur produit par le générateur de signal d'erreur 23 est fourni à son tour à un second correcteur PID 24 qui exécute la synthèse d'un signal de correction de la commande d'asservissement en couple et en courant, ainsi qu'il est connu. Dans des variantes, il est aussi prévu de remplacer le correcteur PID 23 par un correcteur proportionnel et intégral, ou par un correcteur proportionnel et dérivé, ou encore par un correcteur dérivé et intégral selon le niveau de performance désiré. 15 Le signal de commande en couple et en vitesse de rotation est connecté à l'entrée de commande d'un circuit de modulation en largeur d'impulsions (PWM) 25 qui produit trois signaux de commande de phase 17, 18 et 19 selon la stratégie de commande exécutée par le circuit de pilotage 10a et déterminée selon la géométrie des enroulements statoriques, dans le cas d'un stator triphasé. Préférentiellement, les trois ondes d'alimentation du stator sont déphasées de 120° les unes par rapport aux autres, et l'onde de commande est constituée par un signal carré, trapèze ou triangle choisi selon la stratégie de pilotage exécutée par le circuit de pilotage 10a et dont l'amplitude, dans le temps, dépend de la valeur du signal de commande en couple et en vitesse de rotation issu du correcteur 24.

La fréquence du signal modulant la porteuse produite par le générateur 25 à modulation en largeur d'impulsions PWM est déterminée par le signal de mesure 15a de vitesse de rotation produit par le capteur 9 de vitesse de rotation du roulement instrumenté 7a monté en relation avec le rotor du moteur 1 a.

Enfin, le circuit convertisseur de puissance 12a, ici un onduleur à pont de transistors, qui sert d'organe électrique de la machine tournante ici réalisée par un moteur à commutation électronique, reçoit les trois signaux de commande des enroulements générés par le circuit de pilotage 10a et produit en sortie trois ondes de tension ou de courant en convertissant l'énergie électrique continue produite par une batterie électrique (non représentée), fournissant l'énergie primaire au système asservi. A la figure 3, on a représenté un mode de réalisation simplifié du circuit de la figure 2 dans lequel on a supprimé la boucle intérieure de contrôle en courant en supprimant le capteur de courant 26. 16 Dans ce mode de réalisation, le signal de consigne en couple 20b est fourni à l'entrée positive d'un unique générateur de signal d'erreur 31 dont l'entrée négative reçoit le signal de mesure de couple 16b du roulement instrumenté 7b.

Le signal de mesure de vitesse 15b produit par le roulement instrumenté 7b, est fourni à l'entrée d'un circuit de modulation en largeur d'impulsions 35, fonctionnant de la manière décrite pour le circuit 25 de la figure 1. Un signal de sortie du correcteur 32 est appliqué à l'entrée de réglage de la largeur d'impulsions du circuit de modulation en largeur d'impulsions 35. De plus, la sortie du convertisseur de puissance 12b produit trois phases connectées à chacun des enroulements statoriques du moteur lb déphasées de manière déterminée et présentant le profil de tension désiré appliqué par le convertisseur de puissance 12b. La performance dynamique de la commande est affectée par la linéarité de la relation couple à courant. Mais comme la saturation réduit le coefficient de proportionnalité entre le couple et le courant, le gain de la boucle est donc réduit, ce qui réduit le risque d'instabilité pour une augmentation de réponse du couple qui reste cependant très court. En effet, le temps de réponse ne dépend que de la vitesse pour générer les signaux de mesure par les circuits de conditionnement 8 et 9 du roulement instrumenté 7 et par la dynamique en courant de l'ensemble onduleur/moteur. Dans un autre mode de réalisation non représenté, on améliore la performance dynamique du schéma d'asservissement de la figure 3 en intercalant un bloc de linéarisation entre le régulateur PID 32 et le générateur 35 en modulation de largeur d'impulsions PWM. Dans ce mode de réalisation, le bloc de linéarisation contient une table de valeurs liées à la courbe de saturation du fer de la machine et à sa géométrie. 17 Dans un mode de réalisation, la courbe de saturation du fer de la machine est obtenue par essais et mesures, ou encore par simulation par éléments finis d'un modèle ferromagnétique de la machine électrique. On en déduit une cartographie pour établir la table des valeurs liées à la courbe de saturation du fer. Dans un autre mode de réalisation, la table de valeurs liées à la courbe de saturation du fer de la machine et de sa géométrie est obtenue par une méthode auto-adaptative qui consiste à faire varier le courant d'une valeur nulle à une valeur io maximum et à enregistrer une séquence de valeurs de couple correspondante donnée par le roulement instrumenté 7b une fois le régime permanent atteint. Dans un tel mode de réalisation, la mesure est effectuée sur toute la gamme des vitesses afin d'affiner encore la réponse 15 dynamique et elle est mise en oeuvre dans un calculateur de contrôle du bloc de linéarisation interposé entre le régulateur PID et le générateur PWM 35 lors de l'utilisation du ou des moteurs d'entraînement du véhicule. A la figure 4, on a représenté un autre mode de réalisation 20 d'un système de commande de machine tournante dans lequel la machine tournante est encore un moteur électrique triphasé. Le moteur électrique triphasé 1c coopère avec un résolveur de manière à permettre de détecter le rendement électromécanique de la machine tournante en mesurant la part de 25 la puissance active et la part de la puissance réactive échangée avec une source primaire d'énergie 51 ici constituée par une batterie d'alimentation. Le circuit de pilotage 10c comporte une borne d'entrée d'une consigne de couple 20c. 30 La consigne de couple 20c est fournie à l'entrée + d'un générateur de signal d'erreur 41 dont la borne d'entrée - reçoit le signal de mesure de couple 16c issu du roulement instrumenté 7c en relation avec l'arbre rotorique du moteur électrique 1c. 18 Le signal d'erreur issu du générateur 41 est fourni à l'entrée d'un correcteur 42, notamment du type PID, dont le signal de correction est fourni à l'entrée d'un générateur 43 en modulation de largeur d'impulsion PWM, à fréquence déterminée.

Le moteur 1c coopère avec un résolveur électromagnétique 54 dont deux bornes d'entrée sont respectivement connectées par un connecteur 52 à une première phase d'alimentation du moteur électrique 1c et par une seconde connexion 53 à une seconde phase d'alimentation du moteur électrique 1c. Le résolveur 54 est io utilisé dans un moyen pour maximiser le facteur de puissance et le couple fourni par unité de courant fourni au moteur. Les mesures de courant et de tension sur chacune des phases sont effectuées par des moyens convenables et mis en forme par le résolveur 54 de manière à produire un signal 55 15 proportionnel à l'amplitude relative entre les deux phases 52 et 53, d'une part, et un signal 56 de déphasage entre les deux phases 52 et 53fouis aux entrées d'un circuit 64 pour produire un signal de commande de la fréquence du générateur 43 en modulation de largeur d'impulsion PWM, à fréquence déterminée. 20 Une borne de sortie 55 du résolveur 54 fournit le signal d'amplitude différentielle interphase à l'entrée d'un circuit 57 de dérivation de signal électrique dont la sortie est connectée à l'entrée de numérateur d'un circuit de division 51. Une borne de sortie 56 du résolveur 54 fournit le signal de 25 phase entre tension et courant à l'entrée d'un circuit 58 de dérivation de signal électrique dont la sortie est connectée à l'entrée de dénominateur du circuit de division 59. La sortie du circuit de division 59 produit un signal proportionnel au rapport de l'amplitude différentielle à la phase 30 qui est fourni à l'entrée d'un circuit 60 destiné à déterminer le signe de la valeur d'entrée. La valeur absolue du rapport de l'amplitude à la phase est fournie à un inverseur 61 dont la sortie est appliquée à un 19 amplificateur à gain prédéterminé 62 et dont la sortie est fournie à un circuit intégrateur 63 permettant de réaliser l'intégration du signal amplifié issu de l'amplificateur 62. L'intégrateur 63 est connecté par la sortie du circuit 64 à une première entrée d'un additionneur 46 du générateur PWM 43 du circuit de pilotage 10c. Une seconde entrée de l'additionneur 46 est connectée à la sortie d'un oscillateur produisant un angle de phase correspondant à la fréquence de rotation du moteur. Cet angle est utilisé pour calculer la valeur instantanée de l'onde de tension à appliquer aux enroulements du moteur. La sortie de l'additionneur 46 est appliquée comme entrée de phase d'un générateur d'une onde sinusoïdale 47 dont la sortie présente une fréquence et une phase instantanée qui sont déterminées par le signal de mesure 15c de la vitesse de rotation du moteur fourni par le capteur de vitesse de rotation du roulement instrumenté 7c et par le signal intégral issu du résolveur 54 et produit par le circuit 64, de synthèse d'une commande optimale sur le plan du rendement électromécanique de la machine tournante.

L'onde sinusoïdale issue du circuit générateur d'onde sinus 47 est fournie à une première entrée d'un second multiplicateur 48 dont une seconde entrée reçoit le signal de correction du correcteur 42 de la bande d'asservissement en couple précité. La modulation est alors utilisée comme signal de commande d'un générateur PWM 49 en modulation de largeur d'impulsion qui produit trois signaux de commande avec un déphasage correspondant aux enroulements statiques du moteur à commutation électronique 1c. Ces signaux de commande du générateur 49 sont appliqués aux entrées de commande du circuit de pilotage 12c pour fournir les ondes de puissance convenables aux enroulements statoriques du moteur 1c. 20 Les deux boucles de commande réalisées sur la vitesse de rotation et le couple sont dimensionnées de manière à éviter tout risque d'instabilité dû à un couplage mutuel. Les avantages du système de commande de l'invention quand il est appliqué à un moteur électrique ou à une génératrice, sont les suivants : - compacité sur la base de l'utilisation du roulement instrumenté par des jauges de contraintes produisant à la fois une mesure de couple et une mesure de vitesse de rotation ; io - une dynamique de fonctionnement sur une bande passante très large grâce à la mesure directe du couple qui est la grandeur d'asservissement elle-même ; - une très bonne précision de la commande en couple puisque le couple est mesuré directement en sortie de la 15 machine ; - une commande optimale simplifiée de sorte qu'il est possible de commander directement les produits associés à une telle machine électrique sur la base du couple, de la puissance réactive, de la puissance active puisqu'elles sont toutes les deux 20 directement mesurées en sortie de la machine tournante. On évite ainsi les inconvénients de la commande vectorielle directe et aussi de la commande vectorielle indirecte qui sont essentiellement les dérives dues à la température, au vieillissement et à d'autres paramètres de fonctionnement de la 25 machine ; - la simplicité due à la commande directe du couple. En plus de s'appliquer à une machine électrique comme un moteur ou une génératrice, ainsi qu'il a été représenté ci-dessus, la présente invention s'applique aussi à d'autres machines 30 tournantes ne transformant pas forcément l'énergie électrique directement. Particulièrement, l'invention est adaptée à la commande d'un moteur thermique selon tout cycle thermodynamique 21 convenable, comme un cycle Otto, Diesel, Stirling, Rankine, et aussi à une turbine à gaz. L'Homme du Métier adaptera les paramètres de commande à utiliser pour chaque type de cycle ou de machine tournante.

Particulièrement, dans le cas d'un moteur à cycle Otto, les paramètres de commande sont la quantité d'air, la stoechiométrie imposée par la dépollution définissant alors la quantité de carburant à injecter. Pour une turbine à gaz, ou un autre cycle thermodyna- mique, le paramètre de commande est la quantité de carburant consommé, le débit d'air étant imposé par le régime du moteur. Afin de mettre en oeuvre le système de commande de l'invention, une machine tournante comme un moteur thermique précité, doit coopérer par son alimentation en énergie avec au moins un organe de réglage dont la commande peut être réalisée électriquement par le circuit de pilotage prévu dans le système de commande de l'invention. Par ailleurs, la machine tournante doit comporter une partie rotorique dotée d'un arbre, ou d'un équivalent, et qui peut tourner sur un bâti au moyen d'au moins un roulement instrumenté selon l'invention. A la figure 5, on a représenté un mode de réalisation d'un système de commande de la machine tournante dans lequel la machine tournante est constituée par un moteur thermique à explosion dont le collecteur d'admission comporte un papillon des gaz et dont l'angle d'ouverture peut être commandé par un moteur électrique alimenté depuis la batterie du véhicule par l'intermédiaire d'un convertisseur électrique qui sert d'organe électrique pour cette machine tournante.

De cette manière, le système de commande l'invention produit un réglage de l'angle d'ouverture du papillon des gaz en fonction du couple réel développé sur le moteur thermique, couple 22 réel mesuré de manière instantanée par le capteur de couple associé au roulement instrumenté. A la figure 5, la consigne de couple est fournie sur une borne d'entrée 20d du circuit de pilotage 10d, à la première entrée positive d'un générateur de signal d'erreurs 70 dont l'entrée négative reçoit le signal 16d issu du capteur de couple du roulement instrumenté 7d, monté sur le vilebrequin (non représenté) du moteur à explosions 1d'. La sortie du générateur de signal d'erreurs 70 est io connectée à l'entrée d'un correcteur PID (Proportionnel Intégral Différentiel) 71 dont le signal de sortie commande le réglage du papillon des gaz équipé d'un contrôleur 12d de réglage. Le papillon des gaz permet ainsi de régler le débit d'air dans le moteur thermique 1d dont le vilebrequin est monté sur le 15 roulement 7d du genre préféré pour le dispositif de commande de l'invention pour mesure de son couple réel. A la figure 6, on a représenté un autre mode de réalisation de l'invention dans lequel on a décrit une application du système de commande de l'invention adapté pour un moteur à explosions. 20 A la figure 6, le circuit de commande présente deux entrées de consigne respectivement 20e1 pour une consigne de couple à délivrer par un moteur thermique le', ainsi qu'une seconde entrée 20e2 d'un signal de consigne d'une quantité de carburant admis dans le moteur à explosions. 25 La machine tournante 1 e comporte notamment un moteur thermique à explosions le' et un roulement instrumenté 7e du genre préféré pour le dispositif de commande de l'invention monté sur le vilebrequin et la carter du moteur thermique. Elle reçoit une énergie produite par le réservoir de carburant et dont les 30 quantités et débits sont réglés par un circuit de pilotage 12e comportant un organe de réglage de la quantité d'air ou papillon des gaz 82, entraîné par un moteur électrique de réglage du papillon des gaz, ainsi qu'un circuit de commande d'allumage 83. 23 Une première boucle de contrôle ou d'asservissement utilise le signal de mesure de couple 16e produit par le capteur de couple associé au roulement instrumenté 7e qui fournit à la borne d'entrée négative d'un circuit 80 de calcul d'erreurs d'asservissement dont l'entrée positive reçoit le signal 20e1 de consigne de couple. La sortie du circuit de calcul d'erreur 80 est fournie à l'entrée d'un correcteur PID (Proportionnel Intégral Différentiel) 81 dont le signal de sortie est fourni à une entrée d'un circuit de io commande du degré d'ouverture du papillon des gaz 82. La sortie du circuit de commande 82 produit un signal électrique de commande pour les organes de réglage électrique de la machine tournante 1 e. Dans l'exemple de la figure 6, il s'agit d'un moteur à explosions 1 e' équipé d'un moteur électrique (non 15 représenté) dont l'axe est couplé avec un réducteur convenable à l'axe de commande du papillon d'admission (non représenté) du moteur à explosions le'. Une seconde boucle de contrôle ou d'asservissement utilise le signal de consigne 20e2 de quantité de carburant 20 demandé ou admis et en déduit les signaux électriques d'allumage transmis aux bougies d'allumage du moteur thermique 1 e'. A cette fin, la seconde boucle comporte un circuit 83 générateur des signaux électriques d'allumage des bougies qui 25 élabore pour alimenter une bobine avec de l'énergie électrique prélevée sur la batterie embarquée du véhicule, une séquence d'impulsions de haute tension en fonction du signal de mesure de la vitesse du vilebrequin 15e délivré par le capteur de mesure de la vitesse de rotation 8 associé au roulement instrumenté 7e, 30 monté sur le vilebrequin (non représenté) du moteur à explosions 1 e'. Par ailleurs, le circuit 83 générateur des signaux électriques d'allumage reçoit sur une entrée convenable un 24 paramètre d'angle d'allumage qui détermine l'instant d'allumage de chaque cylindre dans le cycle d'allumage du moteur à explosions le' par rapport au point mort haut PMH repéré sur le vilebrequin à l'aide du roulement 7e.

Le paramètre d'angle d'allumage est produit par un circuit de calcul d'un paramètre d'angle d'allumage 91. Le paramètre d'angle d'allumage 91 est produit à partir du signal de consigne et comporte un circuit dérivateur 84 de la quantité de carburant admis 20e2.Un second circuit dérivateur 85 io reçoit le paramètre d'angle d'allumage précédemment calculé. Les sorties des deux dérivateurs 84 et 85 sont divisés sur un circuit diviseur 86, suivi d'un circuit de détermination du signe 87 suivi d'un inverseur 88 dont la sortie est intégrée par un circuit intégrateur 90 après amplification sur un amplificateur 89.

15 Dans d'autres modes de réalisation, le système de commande de l'invention met en oeuvre une stratégie de commande prédéterminée qui est enregistrée sous forme d'un programme dans une mémoire d'un microcontrôleur utilisé pour réaliser le circuit de pilotage décrit ci-dessus. Une stratégie de 20 commande élabore un signal de commande sur la base d'au moins un signal de consigne au moyen d'une ou plusieurs boucles d'asservissement en couple, et/ou en courant et/ou en vitesse et/ou en facteur de puissance mesuré sur la base d'un résolveur, couple et vitesse étant mesurés au moyen du roulement 25 instrumenté de l'invention. Le signal de commande est adapté à l'organe électrique de réglage du fonctionnement de la machine tournante comme un convertisseur de puissance pour moteur à commutation électronique ou un volet motorisé de carburateur de moteur à explosion. La stratégie consiste à adapter la puissance 30 fournie à la machine tournante ou produite par elle en fonction de la consigne en couple et le cas échéant d'autres consignes comme la quantité de carburant.

Claims (1)

1. REVENDICATIONS1 - Système de commande de machine tournante comportant un organe électrique servant à régler son fonctionne-ment (C ; N) comportant des bornes de commande connectées aux sorties d'un circuit de pilotage (10) dont au moins une entrée reçoit des signaux de détection produit par au moins un roulement instrumenté (7, 8, 9) monté sur l'arbre rotorique (5) du type comportant un chemin de roulement (105) et une pluralité de capteurs (108, 109) couplés au chemin de roulement, et d'une io machine tournante (1-4), caractérisé en ce que : - le roulement instrumenté est relié à une électronique (120) de traitement des informations qui détermine (125) le couple subi (123) et la vitesse de rotation (124) sur l'arbre du rotor(5, 15 101) ; et - le circuit de pilotage (10) comporte des moyens pour convertir les données de lecture des capteurs du roulement instrumenté en une information de commande délivrée selon une stratégie de commande déterminée aux bornes de commande de 20 l'organe électrique de réglage de la machine tournante, comme un moteur ou une génératrice, une turbine ou une pompe ou un moteur à explosions. 2 ù Système de commande selon la revendication 1, caractérisé en ce que la machine tournante est commandée sur 25 une consigne de couple au moyen d'une boucle d'asservissement en couple comprenant un circuit de calcul d'erreur d'asservissement recevant ladite consigne en couple et ledit signal de mesure de couple du roulement instrumenté (7a) et dont la sortie est connectée à un circuit de correction basé sur un contrôle 30 Proportionnel, un contrôle Proportionnel et Intégral, ou un contrôle Proportionnel, Intégral et Différentiel, pour piloter le taux de modulation d'un générateur (25) de signal de commande en largeur d'impulsions connecté à l'entrée de commande dudit 26 organe électrique (12a) de réglage de la machine tournante comme un convertisseur de puissance pour moteur à commutation électronique. 3 ù Système selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte aussi une boucle d'asservissement en vitesse sur la base d'un signal de mesure (15a) de la vitesse de rotation issu du roulement instrumenté (7a) pour régler la fréquence de l'onde pilote du générateur (10a) de signal de commande en largeur d'impulsions. io 4 ù Système selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comporte aussi un capteur de courant (27) pour réaliser une boucle supplémentaire (28, 26, 29, 23) de contrôle en courant de l'organe de réglage (12a). 5 ù Système selon l'une quelconque des revendications 2 à 15 4, caractérisé en ce qu'il comporte aussi un résolveur (54) pour optimiser le rendement sur l'organe électrique de réglage et qui comporte un circuit (64) pour produire un signal (sortie du circuit 64) de commande de la fréquence du générateur de signal de commande en largeur d'impulsions (43) au moyen d'un 20 additionneur (46) le signal de commande (sortie du circuit 64) étant obtenu par intégration (63) d'un signal proportionnel au rapport de l'amplitude différentielle à la phase produit par le résolveur (54). 6 ù Système selon la revendication 2, dans lequel la 25 machine tournante est un moteur à explosions doté d'un collecteur d'admission à volet d'admission motorisé, caractérisé en ce qu'il produit un réglage de l'angle d'ouverture du papillon des gaz en fonction du couple réel mesuré par le roulement instrumenté sur la base d'une consigne de couple (20d) et d'une 30 boucle d'asservissement en couple. 7 ù Système selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comporte aussi une boucle d'asservissement en vitesse de rotation (15e) et/ou une boucle de commande sur une quantité de27 carburant (20e2) comportant un circuit de calcul d'un paramètre d'angle d'allumage (91), ledit signal de vitesse et/ou ledit signal d'angle d'allumage étant appliqué à un circuit de commande d'allumage (83).