FR2865868A1 - Dispositif d'alimentation d'un actionneur a aimant permanent - Google Patents

Abstract

Dispositif d'alimentation d'un actionneur polyphasé à N phases à aimant permanent, ledit dispositif comportant au moins une source de tension délivrant un signal de tension monophasé continu, des moyens de génération d'un signal à N phases pour l'alimentation des N phases dudit actionneur par découpage dudit signal monophasé continu, des moyens de commande pour générer des signaux de commande desdits moyens de génération, lesdits moyens de génération dudit signal polyphasé comportant deux onduleurs à N bras, chacun desdits N bras desdits onduleurs étant connecté en parallèle sur ladite source de tension de manière à découper ledit signal de tension monophasé continu, la phase i dudit actionneur étant connectée par sa première borne au bras i du premier onduleur et par sa deuxième borne au bras i du deuxième onduleur, lesdits moyens de commande comprenant des moyens pour commander, pour chaque phase i dudit actionneur, les deux bras connectés à la charge de cette phase avec un déphasage d'une demi-période de découpage d'un bras par rapport à l'autre bras.

Description

La présente invention concerne un dispositif d'alimentation pour

actionneur à aimants permanents, destiné notamment à une application de direction assistée électrique de véhicule automobile.

Conformément à la représentation schématique de la figure 1 et selon des modes de réalisation connus, l'actionneur, typiquement un moteur synchrone M, est alimenté par un dispositif d'alimentation comprenant une source de tension continue E et un onduleur de tension triphasé ODL. L'onduleur de tension est un convertisseur direct tension-courant alimenté par une source de tension continue, généralement réversible en courant et permettant d'alimenter en tension alternative des charges ayant un comportement 'source de courant'. Chaque cellule de commutation (bras de l'onduleur Bri, i=1 à 3) comprend deux interrupteurs TAi, TBi (de type MOS, GTO, IGBT..., associés chacun à une diode antiparallèle) réversibles en courant et non réversibles en tension. La commande de l'onduleur s'effectue via le module de commande CD. Ce module de commande génère des signaux agissant sur la commande des interrupteurs, l'onduleur modulant ainsi la tension d'alimentation de manière à assurer le contrôle du courant alimentant l'actionneur. La commande de l'onduleur peut être effectuée selon des méthodes connues, soit par une commande dite en fourchette de courant , une commande par MLI, une commande DTC... La technique dite modulation de largeur d'impulsion (MLI ou PWM pour Pulse Width Modulation en anglais) s'est quasi généralisée dans les applications de motovariateurs à courants alternatifs. Le principe consiste à comparer une porteuse Pt (le plus souvent de forme triangulaire) de fréquence de découpage fixe Fd (ce signal peut être, indifféremment, réalisé de façon analogique ou numérique) à une modulante Fmi (signal en sortie de régulateur de courant).

Lorsque, en raison de choix technologiques liés au cahier des charges, on conçoit l'actionneur sous forme de moteur synchrone à aimants permanents sans pièce polaire et le dispositif d'alimentation sous forme d'un onduleur de tension triphasé à MLI, les courants d'alimentation du moteur présentent des ondulations de courant liées à la modulation.

Les ondulations de courant dues à la modulation sont principalement dépendantes de la fréquence de découpage, de l'inductance synchrone du moteur et des niveaux de tension de la tension simple dans les bras de l'onduleur. Dans le cas d'une modulation numérique, le courant d'alimentation du moteur présente des harmoniques multiples de la fréquence de découpage et de la fréquence de la modulante. Ces ondulations de courant se répercutent directement sur le couple électromagnétique généré par l'actionneur.

La minimisation des ondulations de couple est une préoccupation constante, car elle détermine la qualité de l'effort mécanique généré par l'actionneur ou le moteur. En particulier lorsqu'ils sont destinés à des applications de direction assistée électrique, où les ondulations de couple sont ramenées au volant du véhicule, par le biais de la chaîne mécanique dans un rapport K pour l'amplitude, correspondant au rapport de réduction entre le moteur et le volant et dans un rapport 11K pour la fréquence.

L'obtention d'un couple moteur avec de très faibles ondulations passe par un choix judicieux de la structure de l'actionneur, mais aussi par la définition d'un dispositif de commande adéquat.

Des solutions connues tentent donc de réduire ces ondulations de courant en agissant par exemple sur l'inductance synchrone du moteur afin de l'augmenter. En effet, compte tenu des modes de réalisation usuels des moteurs synchrones à aimants permanents sans pièce polaire, l'inductance synchrone du moteur est en générale très faible, de quelques mH à quelques dizaines de pH. L'augmentation de l'inductance peut alors être obtenue en utilisant des pièces polaires permettant de réduire l'entrefer magnétique. Cependant l'insertion de telles pièces génère un couple de reluctance, ce qui peut compliquer la réalisation de la commande. Il est également possible d'augmenter artificiellement l'inductance synchrone du moteur par ajout d'une inductance en série sur chaque phase.

Une autre solution pour la réduction des ondulations de courant consiste à agir sur la fréquence de découpage. On utilise alors des interrupteurs MOSFET pour la réalisation de l'onduleur, ces interrupteurs pouvant supporter des fréquences allant jusqu'à 50kHz et pouvant fonctionner aux tensions de faible valeur (14V ou 42V) de la source d'énergie disponible. Mais la possibilité d'augmenter la fréquence de découpage reste limitée par les caractéristiques technologiques des semi- conducteurs et cette augmentation contraint fortement les organes de commande numériques associés.

Ces techniques ne permettent toutefois pas de supprimer les harmoniques à la fréquence de découpage.

Le problème à la base de l'invention est de proposer un dispositif 35 d'alimentation d'un actionneur à aimants permanents permettant de réduire efficacement les ondulations sur les courants d'alimentation, et ne présentant pas les inconvénients qui viennent d'être décrits pour les solutions connues de l'art antérieur.

Dans ce but, l'invention a pour objet un dispositif d'alimentation d'un actionneur polyphasé à N phases à aimant permanent, ledit dispositif comportant au moins une source de tension délivrant un signal de tension monophasé continu, des moyens de génération d'un signal polyphasé à N phases pour l'alimentation des N phases dudit actionneur par découpage dudit signal monophasé continu, des moyens de commande pour générer des signaux de commande desdits moyens de génération, caractérisé en ce que lesdits moyens de génération dudit signal polyphasé comportent deux onduleurs à N bras, chacun desdits N bras desdits onduleurs étant connecté en parallèle sur ladite source de tension de manière à découper ledit signal de tension monophasé continu, la phase i dudit actionneur étant connectée par sa première borne au bras i du premier onduleur et par sa deuxième borne au bras i du deuxième onduleur, et en ce que lesdits moyens de commande comprennent des moyens pour commander, pour chaque phase i dudit actionneur, les deux bras connectés à la charge de cette phase avec un déphasage d'une demi-période de découpage d'un bras par rapport à l'autre, de manière à découper ledit signal de tension monophasé continu avec un déphasage d'une demi-période de découpage d'un bras par rapport à l'autre.

Le dispositif selon l'invention associe deux onduleurs déphasés l'un par rapport à l'autre et permet d'améliorer les caractéristiques de la tension découpée en terme de contenu harmonique grâce à la suppression des harmoniques impairs liés à la fréquence de découpage. Ce qui se traduit par une réduction notable des ondulations du courant d'alimentation et par conséquent, une réduction des ondulations de couple liées au courant.

En outre, ce dispositif peut être combiné avec les méthodes de réduction des ondulations du couple par la commande. Dans ces méthodes la compensation des ondulations de couple se fait par action sur les courants d'alimentation. Dans ce but, des courants d'alimentation de référence, permettant de réduire les ondulations de couple, sont générés par injection d'harmoniques de courant (harmoniques basses fréquences), ces harmoniques étant déterminés à partir de la mesure ou de la reconstruction de la force électromotrice, et/ou des ondulations de couple. Le courant moteur doit donc comporter le moins d'harmoniques possible (harmoniques dus à la modulation) pour que la compensation des ondulations de couple par la commande soit réalisée efficacement.

Le dispositif selon l'invention peut en outre comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes: - lesdits moyens de commande comprennent une commande par MLI générant des premiers signaux de commande du premier onduleur, et des moyens générant des seconds signaux de commande du deuxième onduleur par déphasage d'une demi-période de découpage desdits premiers signaux de commande.

- lesdits moyens de commande comprennent une commande par MLI comprenant des moyens de génération d'une première porteuse, des moyens de génération d'une première modulante et des moyens pour déphaser d'une demi-période ladite première modulante de manière à générer une deuxième modulante déphasée, ladite commande par MLI générant des premiers signaux de commande du premier onduleur à partir de ladite première porteuse et de ladite deuxième modulante et des deuxièmes signaux de commande du deuxième onduleur à partir de ladite première porteuse et de ladite deuxième modulante déphasée.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre, illustrée par les dessins dans lesquels: - la figure 1 est un schéma simplifié, précédemment décrit, d'un dispositif d'alimentation d'un actionneur par un onduleur selon l'art antérieur; - la figure 2 est un schéma électronique d'un système d'alimentation d'un actionneur par deux onduleurs associés selon l'invention; - la figure 3 est un schéma électronique équivalent d'une phase d'un actionneur, alimentée par deux onduleurs associés selon l'invention; - la figure 4A représente la tension simple de sortie d'une phase du dispositif selon l'invention; - les figures 4B1 et 4B2 représentent les tensions de sortie de deux cellules associées d'une phase du dispositif selon l'invention; - les figures 5A et 5B représentent l'amplitude, respectivement la décomposition harmonique, du courant dans une des phases d'un actionneur alimenté par un seul onduleur triphasé selon l'art antérieur; - les figures 6A et 6B représentent l'amplitude, respectivement la décomposition harmonique, du courant dans une des phases d'un actionneur alimenté par deux onduleurs triphasés à commandes décalées selon l'invention.

L'invention est décrite dans le mode de réalisation type où l'actionneur est un 35 moteur triphasé. Les transpositions à d'autres types d'actionneurs, présentant par exemple un nombre N de phases différent, seront déduites aisément par l'homme du métier de la description détaillée qui va suivre.

Selon le schéma de la figure 2, le dispositif d'alimentation de l'actionneur, typiquement d'un moteur triphasé à aimant permanent et à commutation électronique selon l'invention, comporte deux onduleurs O et O' à trois bras (un bras par phase de l'actionneur) et en modulation unipolaire, montés en parallèle entre les bornes B+ et B- d'une source de tension continue monophasée E. Chaque phase i du moteur, i étant un entier compris entre 1 et 3, est alimentée par le bras i des onduleurs O et O'. La charge de chaque phase i du moteur, représentée sur la figure 2 par une résistance Ri en série avec une inductance Li, est ainsi connectée par ses deux bornes d'une part au bras i du premier onduleur O et d'autre part au bras i du deuxième onduleur O'. L'onduleur O (respectivement O') est commandé par un dispositif de commande CD (respectivement CD') générant des signaux de commande S1, S2, S3 (respectivement Si', S2', S3') de chacun de ses bras Bri, Br2, Br3 (respectivement Br1', Br2', Br3').

Chaque bras Bri, Bri' de chaque phase i (i=1 à 3) de chaque onduleur O, O' est composé de deux interrupteurs commandables TAi et TBi (respectivement TAi' et TBi') en série. Le point milieu de chaque bras i de chaque onduleur, situé au point d'interconnexion des deux interrupteurs commandables TAi et TBi (respectivement TAi' et TBi'), est relié à une des deux bornes de la phase i du moteur. Selon le principe connu de l'onduleur, les deux interrupteurs d'un même bras sont commandés de façon à ce que, aux temps morts près pouvant exister lors des commutations d'un état à l'autre, lorsque l'un des interrupteurs est passant, l'autre est bloqué.

Sur le schéma simplifié de la figure 3, représentant une phase i=1 du moteur et des onduleurs, la source de tension d'amplitude E est représentée sous forme de deux sources de tension continue d'amplitude E/2 reliées de manière symétrique à la masse au point M, de manière à ce que la tension délivrée aux bornes de chaque bras des onduleurs O, O' soit d'amplitude E, et de façon à ce que les formes d'ondes de sortie de ces onduleurs soient à valeur moyenne nulle pour l'alimentation du moteur. L'onduleur monophasé représenté à la figure 3, équivalent à la phase i=1 des onduleurs O et O', est constitué de deux bras de commutation Br1, Bri' associés, le bras Bri appartenant à l'onduleur O et le bras Br1' appartenant à l'onduleur O'. Chaque bras Bri, Bri' comprend deux interrupteurs commandables (TA1, TB1 respectivement TA1', TB1') en série, le point d'interconnexion (A respectivement A') de ces deux interrupteurs étant connecté à une des bornes de la charge de la phase i=1 du moteur. Cette charge est représentée par une résistance R1 et une inductance LI connectées en série. La tension simple V1, qui est la différence entre les tensions élémentaires VAM et VAM des deux bras associés, tensions prises entre le point M (masse) et le point milieu A ou A' de chacun des deux bras, s'exprime de la façon suivante en fonction de la tension E: V1=VAM VA'M=FmxE Fm'xE=(Fm Fm')xE (1) où Fm et Fm' sont les fonctions de modulation respectives des bras Br1 et Br1' pour la phase i, ces fonctions prenant les valeurs 0 ou 1.

Les autres phases i=2 et i=3 sont réalisées et fonctionnement de la même manière que ce qui vient d'être décrit pour la phase i=1, le principe de connexion des différents bras d'un même onduleur sur la source de tension E étant connu et illustré par la figure 2 qui a été décrite précédemment. Les phases comportent uniquement l'une par rapport à l'autre le déphasage usuellement appliqué dans ce type de dispositif (2rr/3).

Chaque bras étant indépendant des autres, il peut recevoir des signaux de commande différents des autres bras et donc présenter une fonction de modulation différente des autres. Ces signaux de commande sont typiquement issus d'une commande par MLI. Cette structure permet donc d'exploiter avantageusement les degrés de liberté offerts par les différents interrupteurs commandables, afin d'obtenir une amélioration de la composition harmonique des formes d'onde. Les possibilités de paramétrer et donc d'utiliser le dispositif selon l'invention sont nombreuses. En particulier, comme décrit plus précisément ci-dessous, une amélioration du contenu harmonique des formes d'ondes est obtenue.

Selon l'invention, les deux onduleurs triphasés O et O' sont commandés avec un déphasage d'une demi-période dans la commande des deux bras associés pour une même phase. Selon un premier mode de réalisation, ce décalage est obtenu en décalant le signal de commande S1 des interrupteurs d'un bras par rapport à celui Si' de l'autre bras d'une demi-période de découpage, afin que la tension VAM, au point milieu A d'un des bras, soit décalée d'une demi-période de découpage par rapport à la tension VA'M au point milieu A' de l'autre bras, placé de l'autre côté de la charge et appartenant à l'autre onduleur. Dans un deuxième mode de réalisation, ce décalage est obtenu en utilisant deux modulantes sinusoïdales Fm et Fm' en opposition de phase pour les deux bras associés. Dans ces deux modes de réalisation, les valeurs moyennes instantanées ne sont pas modifiées par rapport à un mode de réalisation connu avec un seul onduleur ayant même rapport cyclique.

Le déphasage ainsi obtenu entre les deux bras associés apparaît sur les courbes des figures 4B1 et 4B2 où sont représentées en fonction du temps, respectivement la tension de sortie VAM du bras i=1 de l'onduleur 0 et la tension de sortie VA'M du bras i=1 de l'onduleur O'. L'amplitude des ces deux tensions varie entre les valeurs +E/2 et E/2. La figure 4A représente en fonction du temps la tension simple VI de sortie de la phase i=1 obtenue pour les tensions de bras VAM et VA'M représentées en figures 4B1 et 4B2.

Chaque tension VAM ou VA'M varie entre les valeurs de tension +E/2 et E/2 en fonction de la valeur courante de la fonction de modulation associée. De manière théorique, les interrupteurs d'une même diagonale dans deux bras associés d'une même phase (TA1 et TB1' ou, TA1' et TB1) sont à tout instant dans un même état (par exemple TA1 passant et TB1' passant, donc TA1' bloqué et TB1 bloqué).

Toutefois il se présente des périodes de transition pour lesquelles les interrupteurs de cellules associées d'une même diagonale (TA1 et TB1' ou, TAI' et TB1) ne sont pas dans un même état (par exemple TA1 passant et TB1' bloqué, donc TA1' passant et TB1 bloqué, d'où VAM=E/2 et VA'M=E/2). II apparaît alors des annulations de tension pour la tension simple V1. A chaque commutation de l'une des deux cellules associées, se présentent pour la tension simple V1 vue par la charge de cette phase, des discontinuités de tension qui sont limitées à la valeur E. II en résulte, pour la tension simple VI, l'allure de la courbe de la figure 4A.

Selon l'invention, le spectre en fréquence de la tension simple, pour chacune des phases du dispositif, fait apparaître une fréquence de découpage double 2 Fd de la fréquence de découpage Fd qui serait obtenue dans un mode de réalisation connu avec un seul onduleur ayant même rapport cyclique. Selon l'invention, les harmoniques du spectre en fréquence de V1, qui sont un multiple impair de la fréquence de découpage Fd, sont nuls et les harmoniques du spectre en fréquence de VI sont centrés sur les multiples pairs de la fréquence Fd.

En effet, si l'on considère à titre d'illustration le bras i=1 de l'onduleur O, et que la tension VAM dans ce bras est telle que: VAM = Ao + E An cos nwdt n=1 avec Ao=Z(2a 1) et AnA = raidit E cosnwddt+T JaTdi2 E cosnwddt= 2Esinna7r T J d \ 2 n z où a est le rapport cyclique, wd = -- , Fd étant la fréquence de découpage, et que la tension VA'M dans le bras i=l de l'onduleur O' est telle que VA.M = A'o+E A'n cos ntodt n=1 avec A'0= 2 (-2a+1) et 2E sin n(1- a)7r, nJr on obtient pour la tension simple V1: V1=VAM VA'M =Alo +EAln cosnwdt n=1 avec Al,, = A,, A',, =0 pour n impair, et Al,, = An A'n = 4E sin naz pour n pair et différent de 0. nz Pour n=0, le terme Al0 vaut: Alo = 2 (4a 2) , pour a = 0, Al o=-E et pour a = 1 AIo=+ E.

On retrouve ainsi la propriété d'annulation des composantes fréquentielles du spectre de V1 centrées sur les multiples impairs de la fréquence Fd= 2rrwd.

Dans le mode de réalisation connu avec un seul onduleur triphasé alimentant le moteur, on obtient (par exemple par transformée de Fourier rapide) un spectre du courant de sortie de l'onduleur tel que celui représenté à la figure 5B, sur lequel les fréquences sont données en kHz. Ce spectre se compose d'une raie fondamentale à la fréquence Fmod= 60 Hz du signal de modulation et d'harmoniques sous forme de raies centrées sur des multiples entiers de la fréquence de découpage Fd= 5 kHz et de largeur correspondant à Fmod. La décomposition harmonique est ainsi constituée de raies aux fréquences p Fd h Fmod où p et h sont des nombres entiers. Dans ce mode de réalisation connu avec un seul onduleur triphasé alimentant le moteur, le courant I de sortie de l'onduleur, représenté en fonction du temps en figure 5A, est sinusoïdal et présente des ondulations relativement importantes.

Par contraste, dans le cas de deux onduleurs triphasés à commande décalées selon l'invention, la décomposition harmonique, représentée en figure 6B, est ainsi constituée de raies aux fréquences 2 p Fd h Fmod où p et h sont des nombres entiers strictement positifs. Le courant 1 d'une phase du moteur, représenté en fonction du temps en figure 6B, est sinusoïdal et présente des ondulations nettement réduites par rapport à celles du courant de la figure 5B.

Les technologies d'actionneurs retenues afin de répondre au cahier des charges de la direction assistée électrique conduisent à des ondulations de courant élevées, la structure proposée par l'invention permettant de réduire considérablement ces ondulations et donc les ondulations de couple.

Les méthodes de réduction des ondulations du couple par la commande seront plus efficaces en étant combiné avec ce dispositif d'alimentation, dans le cas où elles seraient menées de front.

Claims (5)

REVENDICATIONS

1. Dispositif d'alimentation d'un actionneur (M) polyphasé à N phases à aimant permanent, ledit dispositif comportant - au moins une source de tension (E) délivrant un signal de tension monophasé continu, - des moyens de génération (O, O') d'un signal polyphasé à N phases pour l'alimentation des N phases dudit actionneur par découpage dudit signal monophasé continu, - des moyens de commande (CD, CD') pour générer des signaux de commande desdits moyens de génération (O, O'), caractérisé en ce que, lesdits moyens de génération (O, O') dudit signal polyphasé comportent deux onduleurs (O, O') à N bras, chacun desdits N bras desdits onduleurs étant connecté en parallèle sur ladite source de tension (E) de manière à découper ledit signal de tension monophasé continu, la phase i dudit actionneur étant connectée par sa première borne (A) au bras i du premier onduleur et par sa deuxième borne (A') au bras i du deuxième onduleur, et en ce que, lesdits moyens de commande (CD, CD') comprennent des moyens pour commander, pour chaque phase i dudit actionneur, les deux bras (Br, Br') connectés à la charge de cette phase avec un déphasage d'une demipériode de découpage d'un bras par rapport à l'autre, de manière à découper ledit signal de tension monophasé continu avec un déphasage d'une demi-période de découpage d'un bras par rapport à l'autre.

2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens de commande comprennent: - une commande par MLI générant des premiers signaux de commande destinés à commander le premier onduleur, et - des moyens générant des seconds signaux de commande du deuxième onduleur par déphasage d'une demi-période de découpage desdits premiers signaux de commande.

3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens de 5 commande comprennent une commande par MLI comprenant: des moyens de génération d'une première porteuse, des moyens de génération d'une première modulante et des moyens pour déphaser d'une demi-période ladite première modulante de manière à générer une deuxième modulante déphasée, ladite commande par MLI générant des premiers signaux de commande du premier onduleur à partir de ladite première porteuse et de ladite deuxième modulante et des deuxièmes signaux de commande du deuxième onduleur à partir de ladite première porteuse et de ladite deuxième modulante déphasée.

4. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'actionneur est triphasé, le nombre N de phases étant égal à 3.

5. Utilisation d'un dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes dans une application de direction assistée électrique pour véhicule automobile.