EP1776593A2 - Dispositif de commande d'une machine electrique tournante - Google Patents

Dispositif de commande d'une machine electrique tournante

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Publication number
EP1776593A2
EP1776593A2 EP05779717A EP05779717A EP1776593A2 EP 1776593 A2 EP1776593 A2 EP 1776593A2 EP 05779717 A EP05779717 A EP 05779717A EP 05779717 A EP05779717 A EP 05779717A EP 1776593 A2 EP1776593 A2 EP 1776593A2
Authority
EP
European Patent Office
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rotor
sensors
signals
magnetic field
stator
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP05779717A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Michaël Chemin
Frédéric LEROUX
Gilbert Konan
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Valeo Equipements Electriques Moteur SAS
Original Assignee
Valeo Equipements Electriques Moteur SAS
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Filing date
Publication date
Application filed by Valeo Equipements Electriques Moteur SAS filed Critical Valeo Equipements Electriques Moteur SAS
Publication of EP1776593A2 publication Critical patent/EP1776593A2/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K29/00—Motors or generators having non-mechanical commutating devices, e.g. discharge tubes or semiconductor devices
    • H02K29/06—Motors or generators having non-mechanical commutating devices, e.g. discharge tubes or semiconductor devices with position sensing devices
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K29/00—Motors or generators having non-mechanical commutating devices, e.g. discharge tubes or semiconductor devices
    • H02K29/06—Motors or generators having non-mechanical commutating devices, e.g. discharge tubes or semiconductor devices with position sensing devices
    • H02K29/08—Motors or generators having non-mechanical commutating devices, e.g. discharge tubes or semiconductor devices with position sensing devices using magnetic effect devices, e.g. Hall-plates, magneto-resistors
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/12—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means
    • G01D5/244—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing characteristics of pulses or pulse trains; generating pulses or pulse trains
    • G01D5/24409—Interpolation using memories
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • G01D5/244—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing characteristics of pulses or pulse trains; generating pulses or pulse trains
    • G01D5/245—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing characteristics of pulses or pulse trains; generating pulses or pulse trains using a variable number of pulses in a train
    • G01D5/2451—Incremental encoders
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P3/00—Measuring linear or angular speed; Measuring differences of linear or angular speeds
    • G01P3/42—Devices characterised by the use of electric or magnetic means
    • G01P3/44—Devices characterised by the use of electric or magnetic means for measuring angular speed
    • G01P3/48—Devices characterised by the use of electric or magnetic means for measuring angular speed by measuring frequency of generated current or voltage
    • G01P3/481—Devices characterised by the use of electric or magnetic means for measuring angular speed by measuring frequency of generated current or voltage of pulse signals
    • G01P3/487—Devices characterised by the use of electric or magnetic means for measuring angular speed by measuring frequency of generated current or voltage of pulse signals delivered by rotating magnets
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P6/00—Arrangements for controlling synchronous motors or other dynamo-electric motors using electronic commutation dependent on the rotor position; Electronic commutators therefor
    • H02P6/14—Electronic commutators
    • H02P6/16—Circuit arrangements for detecting position

Definitions

  • the present invention relates to a device for determining the position of a rotor of a rotating electrical machine comprising a stator.
  • the invention finds a particularly advantageous application in the field of reversible machines, or alternator-starters, used in the automotive industry, both in alternator mode in engine mode at startup or in help with takeoff ("boost”) to from 500 rpm
  • a reversible machine comprises an alternator comprising:
  • a rotor comprising an inductor conventionally associated with two slip rings and two brushes through which an excitation current is fed;
  • a polyphase stator carrying a plurality of coils or windings which are connected in a star or in a triangle in the most frequent case of a three-phase structure and which deliver to a rectifier bridge, in alternating operation, a converted electrical power.
  • the machine has two bearings, a front and a rear, to attach it to the engine and to fix the stator.
  • the stator surrounds the rotor.
  • the rotor is carried by a shaft supported by the front and rear bearings.
  • the brushes are connected to an alternator regulator to maintain the voltage of the alternator at a desired voltage for a battery depending on whether it is empty or charging.
  • the alternator makes it possible to transform a rotational movement of the rotor, driven by the engine of the vehicle, into an electric current induced in the stator windings.
  • the alternator can also be reversible and compose an electric motor, or rotating electrical machine, for driving in rotation, via the rotor shaft, the engine of the vehicle.
  • This reversible alternator is called alternator-starter or alterno-starter. It makes it possible to transform mechanical energy into electrical energy and vice versa.
  • alternator mode Palterno-starter loads including the vehicle battery and consumers while in starter mode the alternator-starter drives the engine also called internal combustion engine, the motor vehicle for startup.
  • the stator In reversible machines of the automotive industry, for example, operating in motor or starter modes, the stator must be driven in order to apply at all times to the rotor the necessary torque both for moving it and for it. print the rotation required for engine operation.
  • this torque to be applied to the rotor, and therefore the current to be supplied to the phases of the stator is a sinusoidal function of the position, indicated by an angle ⁇ , of the rotor relative to the stator, hence the need to determine this position. precisely.
  • resolver a device known as the resolver disposed at the end of the rotor shaft of the machine.
  • a resolver is described in US Patent 2002/0063491 A1. It itself comprises a stator and a rotor which are respectively fixed relative to the stator and the rotor of the machine. Said resolver measures the magnetic field from its own rotor. This magnetic field being fixed relative to said rotor which is itself fixed relative to the rotor of the machine, is representative of the position of the rotor itself of the machine.
  • Resolvers are indeed expensive and their implementation to make them operational is complex because of the coupling to be performed between such a resolver and the machine itself requiring the presence of an electronic calculation component to provide a correct position of the rotor of the machine from the coupling parameters.
  • the technical problem to be solved by the object of the present invention is to propose a device for determining the position of a rotor of a rotating electrical machine comprising a stator, which would make it possible to obtain the precise position sought while being cheap, simple to implement and insensitive to magnetic disturbances.
  • the solution to the technical problem posed consists, according to the present invention, in that said device comprises a plurality of magnetic field sensors fixed with respect to the stator and able to deliver first signals representative of a rotating magnetic field detected by said sensors, and means for processing said first signals by an operator capable of providing second signals depending on said position.
  • the first signals are three-phase electrical signals and the second signals are two-phase electrical signals.
  • said operator is represented by a projection matrix of a multi-phase marker in a two-phase marker.
  • the projection matrix is a Concordia matrix.
  • the projection matrix is a Clark matrix.
  • the device according to the invention leads to an accurate determination of the position of the rotor, in particular because of its independence vis-à-vis many parameters and its insensitivity to various disturbances and parasitic phenomena.
  • several features of the determination device, object of the invention contribute to reduce the cost and simplify its implementation.
  • the invention provides that said sensors are Hall effect sensors.
  • the plurality of sensors consists of three sensors electrically phase shifted by 120 °.
  • the plurality of sensors consists of two sensors electrically phase shifted by 90 °.
  • the rotating magnetic field necessary for the operation of the device according to the invention can be obtained according to two different modes of production.
  • said magnetic field is the magnetic field created by the rotor
  • said magnetic field is created by a magnetized target linked to the rotor shaft.
  • FIG. 1 is an axial sectional view of a rotary electrical machine comprising a position determining device according to the invention
  • FIG. 2 is a view according to arrow 2 of the rotary electric machine of FIG. 1
  • FIG. 3 is a perspective view of a sensor holder of the device for determining the invention of FIG. 1
  • FIG. 4 is a diagram of a rotating electrical machine of FIG. 1 having an embodiment of a position determining device according to the invention
  • FIG. 5 is a diagram of the embodiment of the position determining device of FIG. 4
  • Fig. 6 is a diagram showing the variations of the sensor output signals of the device of FIG. 4
  • Fig. 7 is a diagram of a signal processing chain by the position determining device of FIG. 4.
  • FIG. 1 such a rotating electrical machine comprising, in a first embodiment:
  • stator 8 provided here with three windings for definition of three phases 10 (shown in FIG 2), the stator also comprising poles,
  • a rotor 4 having two pole wheels with claws 41, 42 fixed on a shaft 3, the claws also being called teeth 143.
  • the teeth of the pole wheels are interlocked with each other.
  • the teeth of one of the pole wheels define north poles, while the teeth of the other pole wheel define south poles.
  • the rotor is thus magnetized. There is then the creation of pairs of north-south poles,
  • the target is magnetic 50 and comprises an alternation of south poles and north poles regularly distributed, defined by permanent magnets for example.
  • the target 50 comprises a number of pairs of magnetic poles identical to that of the rotor 4.
  • Magnetic field sensors 52 the sensors being three in the case of a three-phase machine in the example taken, - a sensor holder 53 for carrying the three sensors 52, said sensor holder being fixed on the bottom of the rear bearing 14, and
  • means MC for processing first signals from the sensors 52 by an operator [M].
  • the magnetic field sensors 52 are implanted facing the target 50, and the sensor holder 53 is fixed on the face of the rear bearing 14 facing away from the target 50, as illustrated in FIG. Fig. 2, FIG. 2 being a view along the arrow 2 of FIG. 1 without the cover 17.
  • the sensors 52 are implanted radially facing the target 50, perpendicular to the shaft 3 of the rotor 4, with definition of a gap between the sensors and the target so that the reading is radial, as illustrated in FIG. 1.
  • the sensors 52 are located axially facing the target 50, in the axis of the shaft 3 of the rotor 4, with definition of an air gap between the sensors and the target so that the reading is axial.
  • the magnetic field sensors 52 are located facing the rotor 4, and the sensor holder 53 is fixed on the face of the front bearing 13.
  • the sensors 52 are located radially on the side of the rotor 50, perpendicular to the shaft 3 of the rotor 4 so that the reading is radial. In a second variant embodiment, the sensors 52 are located axially on the top of the rotor 4, in the axis of the shaft 3 of the rotor 4, so that the reading is axial.
  • the sensors are overmolded on the sensor holder 53, the latter preferably being made of plastic. This allows the sensor assembly, sensor holder to be waterproof and thus to be less sensitive to salt spray and dust.
  • Fig. 3 shows an exemplary embodiment of a sensor holder 53 for a radial reading.
  • Said sensor holder 53 comprises in particular:
  • a sector 55 making it possible to receive the sensors 52, said sensors being situated at the inner periphery of said sector in the example of radial reading, and
  • Fig. 4 is a diagram of elements of the rotating electrical machine 1 comprising an embodiment of the device for determining the position of the rotor according to the invention.
  • Fig. 5 is another schematization of the device for determining the position ⁇ (t) of the rotor 4. More precisely, by the expression rotor position is meant the position of a direction Oy related to the rotational movement of the rotor taken with respect to a fixed direction Ox linked to the sensor holder 53 and thus fixed with respect to the stator 8.
  • the set of sensors consists of three sensors 52u, 52v, 52w Hall effect phase shifted between them 120 ° electrical.
  • another arrangement of sensors may be provided, for example two Hall effect sensors which are 90 ° apart from each other or more than three sensors, for example five sensors 72 ° apart from each other.
  • the interest of Hall effect sensors is to measure a magnetic field and to transpose this measurement into a representative signal of said magnetic field of magnitude equivalent to a voltage, frequency, current, digital ....
  • the sensors 52u, 52v, 52w are intended to provide first s u , s v and s w signals representative of a magnetic field detected at each sensor and created by the movement of the rotor in the stator.
  • the three sensors measure at the same time said magnetic field at different locations. This magnetic field is a sum of different magnetic fields from different sources.
  • the magnetic field is created by said target 50 plus, if necessary, a leakage field created by the pole wheels 41, 42 of the rotor 4 itself.
  • the first signals are three-phase electrical signals.
  • the first signals may also be digital signals representative of the magnetic field.
  • Fig. 6 illustrates the variations over time of the first signals s u , s v and s w delivered by the three sensors 52u, 52v and 52w in the case of three-phase electrical signals.
  • These first ones have a continuous component s O ff S and offset including, where appropriate, the magnetic disturbances created by the rotor 4, and a substantially sinusoidal component reproducing the variations of the magnetic field detected by each sensor.
  • Such an offset can have a value of 2.5V.
  • the sinusoidal component depends in particular on the position of the sensor with respect to the rotor 4 (in the case of the second mode of realization) or to the target 50 (case of the first embodiment), this position being determined by the distance R illustrated in FIG. 5. More precisely, the component varies according to 1 / R 2 . Thus, the closer a sensor 52 is to the rotor 4 (case of the second embodiment) or the target 50 (case of the first embodiment), the more the variations of the sinusoidal component are important in amplitude.
  • the maximum of the signals is reached when a sensor is opposite a north pole of the rotor 4 (case of the second embodiment) or of the target 50 (case of the first embodiment). The signals are on the contrary minimum each time a sensor is facing a south pole of the rotor 4 (case of the second embodiment) or the target 50 (case of the first embodiment).
  • the set of signals s u , v and s w depends directly on the position ⁇ (t) of the desired rotor because the frequency of said signals depends on the rotation frequency of the rotor 4 (case of the second embodiment) and its number of poles or the number of poles of the target 50 (case of the first embodiment).
  • the frequency of the first signals from the sensors 52 is equal to that of the rotation of the rotor 4 multiplied by the number of pairs of poles of the rotor 4 (case of the second embodiment) or the target 50 (case of the first embodiment realization).
  • Fig. 7 gives a diagram of a processing chain for precisely extracting the position ⁇ (t) of the signals s u , s v and s w .
  • the signal processing means MC which is preferably a microcontroller located in the electronic part which controls the machine, which electronic part is in a known manner in an outer casing or integrated with said machine.
  • the matrix M is a projection matrix of a multiphase reference to a two-phase reference, thus transforming multiphase signals into two two-phase signals.
  • the multiphase mark is a three-phase mark.
  • the third output component h is not used in the context of the invention. It is composed of an average of the components s O ffset offset and a signal whose amplitude is a function of an error of phase shift between the signals provided by the Hall effect sensors where said sensors are not well mounted so that the first signals are not quite out of phase 120 ° for example.
  • the projection matrix M is an inverse matrix of a matrix known as Concordia matrix C.
  • the projection matrix M is an inverse matrix of a matrix known as the Clark C matrix.
  • coefficients of these projection matrices are constant but are a function of conventions such as the direction of rotation of three-phase currents, the intensity of its currents .... Also, one can have a different normalization factor.
  • the argument of an angle ⁇ (t) is calculated from the two second signals sin ⁇ (t) and cos ⁇ (t), the angle ⁇ (t) representing the position of the rotor 4.
  • one of the advantages of the treatment illustrated in FIG. 7 is that it is independent of parameters such as the amplitude of the first signals s u , s v and s w or else such as offsets OffS and, which makes the result of the determination of the position ⁇ (t) insensitive to magnetic disturbances, in accordance with an object of the invention.
  • the device according to the invention which has just been described with reference to FIGS. 1 to 7 is also insensitive to common-mode noise that could be applied to the first signals s u , s v and s w output magnetic field sensors 52u, 52v and 52w.
  • the common mode noise is due to reference differences between a first signal measured by a sensor and referenced with respect to the mass of said sensor and the first signal received by the microcontroller MC and referenced with respect to the mass of said microcontroller MC. It happens that the two references are shifted relative to each other, this shift introducing an error called common mode parasite.
  • the position determination device can also be implemented in all electrical machines where the position of the rotor relative to the stator must be known precisely.
  • the invention is thus applicable to all types of electrical machines and for different operations.
  • the invention can indeed be applied to machines operating as an alternator alone, as a single motor or as an alternator-starter, and asynchronous machines, synchronous claw machines with or without interpolar magnets or still machines with permanent magnet rotor.

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Abstract

Dispositif de détermination de la position (θ(t)) du rotor (4) d'une machine électrique tournante. Selon l'invention, ledit dispositif comprend une pluralité de capteurs (52u, 52v, 52w) de champ magnétique fixes par rapport au stator (8) et aptes à délivrer des signaux électriques multiphasés (su, sv, sW) représentatifs d'un champ magnétique détectés par lesdits capteurs, et des moyens de traitement (MC) desdits signaux électriques multiphasés par un opérateur ([M]) apte à fournir deux signaux diphasés (sinθ(t), cosθ(t)) dépendant de ladite position. Application aux machines électriques tournantes utilisées dans l'industrie automobile.

Description

DISPOSITIF DE COMMANDE D'UNE MACHINE ELECTRIQUE TOURNANTE
Domaine de l'invention
La présente invention concerne un dispositif de détermination de la position d'un rotor d'une machine électrique tournante comprenant un stator. L'invention trouve une application particulièrement avantageuse dans le domaine des machines réversibles, ou altemo-démarreurs, utilisées dans l'industrie automobile, aussi bien en mode alternateur qu'en mode moteur au démarrage ou en aide au décollage (« boost ») à partir de 500 tours/min.
Etat de la technique
Une machine réversible comporte un alternateur comprenant :
- un rotor comportant un inducteur associé classiquement à deux bagues collectrices et deux balais par lesquels est amené un courant d'excitation ;
- un stator polyphasé portant plusieurs bobines ou enroulements qui sont connectés en étoile ou en triangle dans le cas le plus fréquent d'une structure triphasée et qui délivrent vers un pont redresseur, en fonctionnement alternateur, une puissance électrique convertie. La machine comporte deux paliers, un avant et un arrière, pour la fixer au moteur thermique et pour fixer le stator. Le stator entoure le rotor. Le rotor est porté par un arbre supporté par les paliers avant et arrière. Les balais sont reliés à un régulateur de l'alternateur pour maintenir la tension de l'alternateur à une tension voulue pour une batterie selon qu'elle est à vide ou en charge. L'alternateur permet de transformer un mouvement de rotation du rotor, entraîné par le moteur thermique du véhicule, en un courant électrique induit dans les bobinages du stator.
L'alternateur peut aussi être réversible et composer un moteur électrique, ou machine électrique tournante, permettant d'entraîner en rotation, via l'arbre de rotor, le moteur thermique du véhicule. Cet alternateur réversible est appelé alternateur-démarreur ou encore alterno-démarreur. Il permet de transformer l'énergie mécanique en énergie électrique et vice versa. Ainsi, en mode alternateur, Palterno-démarreur charge notamment la batterie du véhicule et des consommateurs tandis qu'en mode démarreur l'alterno-démarreur entraîne le moteur thermique appelé également moteur à combustion interne, du véhicule automobile pour son démarrage. Dans les machines réversibles de l'industrie automobile, par exemple, fonctionnant selon les modes moteur ou démarreur, le stator doit être piloté en courant de manière à appliquer à tout moment au rotor le couple nécessaire aussi bien pour le mettre en mouvement que pour lui imprimer la rotation requise pour le fonctionnement du moteur. Or, ce couple à appliquer au rotor, et donc le courant à fournir aux phases du stator, est une fonction sinusoïdale de la position, repérée par un angle θ, du rotor par rapport au stator, d'où la nécessité de déterminer cette position avec précision.
A cet effet, certaines machines électriques réversibles, notamment celles utilisées dans l'industrie automobile, sont actuellement équipées d'un dispositif connu sous le nom de résolveur disposé en bout de l'arbre du rotor de la machine. Un tel résolveur est décrit dans le brevet US 2002/0063491 A1. Il comporte lui-même un stator et un rotor qui sont respectivement fixes par rapport au stator et au rotor de la machine. Ledit résolveur mesure le champ magnétique issu de son propre rotor. Ce champ magnétique étant fixe par rapport audit rotor qui est lui-même fixe par rapport au rotor de la machine, est représentatif de la position du rotor même de la machine.
Toutefois, ce type d'équipement présente un certain nombre d'inconvénients.
Les résolveurs sont en effet coûteux et leur mise en œuvre pour les rendre opérationnels est complexe en raison du couplage à effectuer entre un tel résolveur et la machine elle-même nécessitant la présence d'un composant électronique de calcul pour fournir une position correcte du rotor de la machine à partir des paramètres de couplage.
D'autre part, ils sont sensibles aux perturbations magnétiques causées par le champ magnétique de fuite produit par le rotor, ce qui entraîne un dysfonctionnement du système, donc des erreurs de mesure et une mauvaise commande de la machine. Pour limiter cet inconvénient, il faut avoir recours à une protection magnétique, comme un tube en acier inoxydable placé entre le rotor et le résolveur en bout d'arbre. De plus, la tenue mécanique de ce dispositif n'est pas parfaite puisqu'ils sont particulièrement sensibles aux vibrations de la machine du fait du montage sur le bout de l'arbre du rotor. Enfin, leur tenue au brouillard salin, aux poussières n'est pas totalement satisfaisante.
Objet de l'invention
Aussi, le problème technique à résoudre par l'objet de la présente invention est de proposer un dispositif de détermination de la position d'un rotor d'une machine électrique tournante comprenant un stator, qui permettrait d'obtenir la position précise recherchée tout en étant bon marché, simple à mettre en œuvre et peu sensible aux perturbations magnétiques.
La solution au problème technique posé consiste, selon la présente invention, en ce que ledit dispositif comprend une pluralité de capteurs de champ magnétique fixes par rapport au stator et aptes à délivrer des premiers signaux représentatifs d'un champ magnétique tournant détecté par lesdits capteurs, et des moyens de traitement desdits premiers signaux par un opérateur apte à fournir des deuxièmes signaux dépendant de ladite position.
Selon un premier mode de réalisation, les premiers signaux sont des signaux électriques triphasés et les deuxièmes signaux sont des signaux électriques diphasés. Selon l'invention, ledit opérateur est représenté par une matrice de projection d'un repère multiphasé en un repère diphasé. Selon un premier mode de réalisation, la matrice de projection est une matrice de Concordia. Selon un deuxième mode de réalisation, la matrice de projection est une matrice de Clark.
Ainsi, comme on le verra en détail plus loin, le dispositif conforme à l'invention conduit à une détermination précise de la position du rotor, du fait notamment de son indépendance vis-à-vis de nombreux paramètres et de son insensibilité à diverses perturbations et phénomènes parasites. D'autre part, plusieurs caractéristiques du dispositif de détermination, objet de l'invention, concourent à en réduire le coût et à simplifier sa mise en œuvre.
En particulier, l'invention prévoit que lesdits capteurs sont des capteurs à effet Hall. L'avantage de ce type de capteurs est qu'ils sont bon marché et simples à utiliser. Selon un premier mode de réalisation, la pluralité de capteurs se compose de trois capteurs déphasés électriquement de 120°. Selon un deuxième mode de réalisation, la pluralité de capteurs se compose de deux capteurs déphasés électriquement de 90°.
Le champ magnétique tournant nécessaire au fonctionnement du dispositif selon l'invention peut être obtenu selon deux modes de production différents.
Dans un premier mode de production ledit champ magnétique est le champ magnétique créé par le rotor, alors que dans un deuxième mode de production ledit champ magnétique est créé par une cible aimantée liée à l'arbre du rotor. On constatera que dans l'un et l'autre cas le dispositif selon l'invention n'implique pas d'équipements coûteux puisque dans le premier cas le champ magnétique est directement fourni par le rotor lui-même, et dans le second cas le champ magnétique est fourni par une cible, car on effectue un calcul direct de la position du rotor par rapport au un champ magnétique du rotor ou de la cible, cette dernière étant moins coûteuse qu'un résolveur.
Brève description des Figures
La description qui va suivre en regard des dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs, fera bien comprendre en quoi consiste l'invention et comment elle peut être réalisée. La Fig. 1 est une vue en coupe axiale d'une machine électrique tournante comportant un dispositif de détermination de position conforme à l'invention,
La Fig. 2 est une vue selon la flèche 2 de la machine électrique tournante de la Fig.1, La Fig. 3 est une vue en perspective d'un porte-capteur du dispositif de détermination de l'invention de la Fig. 1 ,
La Fig. 4 est une schématisation d'une machine électrique tournante de la Fig. 1 comportant un mode de réalisation d'un dispositif de détermination de position conforme à l'invention, La Fig. 5 est un schéma du mode de réalisation du dispositif de détermination de position de la Fig. 4,
La Fig. 6 est un diagramme montrant les variations des signaux de sortie de capteurs du dispositif de la Fig. 4, et La Fig. 7 est un schéma d'une chaîne de traitement des signaux par le dispositif de détermination de position de la Fig. 4.
Description détaillée de modes de réalisation préférentiels de l'invention
Dans la description qui va suivre, on prend l'exemple d'une machine électrique tournante à griffes.
Sur la Fig. 1 est représentée une telle machine électrique tournante comprenant, dans un premier mode de réalisation :
- un stator bobiné 8 doté ici de trois enroulements pour définition de trois phases 10 (représentées à la Fig. 2), le stator comportant également des pôles,
- un rotor 4 comportant deux roues polaires à griffes 41 , 42 fixées sur un arbre 3, les griffes étant également appelées dents 143. Les dents de des roues polaires sont imbriquées les unes avec les autres. Lorsque le rotor est alimenté en courant, les dents de l'une des roues polaires définissent des pôles nord, tandis que les dents de l'autre roue polaire définissent des pôles sud. Le rotor est ainsi magnétisé. Il y a alors création de paires de pôles nord-sud,
- un palier avant 13 et arrière 14 sur lequel est fixé un capot protecteur 17, lesdits paliers permettant un montage rotatif des extrémités respectives avant et arrière de l'arbre 3 du rotor,
- Un dispositif de détermination de la position θ(t) du rotor 4, et
- Une cible 50 à lecture axiale ou radiale solidaire en rotation avec le rotor, plus particulièrement, liée à l'arbre 3 du rotor. Avantageusement, la cible est magnétique 50 et comporte une alternance de pôles sud et pôles nord répartis de manière régulière, définis par des aimants permanents par exemple. Préférentiellement, la cible 50 comporte un nombre de paires de pôles magnétiques identiques à celui du rotor 4.
Dans un deuxième mode de réalisation non limitatif, la machine électrique tournante est équivalente à celle décrite à la Fig. 1 , mais ne comporte pas de cible 50. On prendra comme exemple un rotor comprenant huit paires de pôles. Le dispositif de détermination de la position θ(t) du rotor 4 comprend :
- des capteurs 52 de champ magnétique, les capteurs étant au nombre de trois dans le cas d'une machine triphasée dans l'exemple pris, - un porte-capteur 53 destiné à porter les trois capteurs 52, ledit porte- capteur étant fixé sur le fond du palier arrière 14, et
- des moyens de traitement MC de premiers signaux issus des capteurs 52 par un opérateur [M].
Selon le premier mode de réalisation, les capteurs 52 de champ magnétique sont implantés face à la cible 50, et le porte-capteur 53 est fixé sur la face du palier arrière 14 tournée à l'opposé de la cible 50, comme illustré à la Fig. 2, la Fig. 2 étant une vue selon la flèche 2 de la Fig. 1 sans le capot 17. Dans une première variante de réalisation, les capteurs 52 sont implantés radialement en regard de la cible 50, perpendiculairement par rapport à l'arbre 3 du rotor 4, avec définition d'un entrefer entre les capteurs et la cible en sorte que la lecture est radiale, comme illustré à la Fig. 1.
Dans une deuxième variante de réalisation, les capteurs 52 sont implantés axialement en regard de la cible 50, dans l'axe de l'arbre 3 du rotor 4, avec définition d'un entrefer entre les capteurs et la cible en sorte que la lecture est axiale.
Selon le deuxième mode de réalisation, les capteurs 52 de champ magnétique sont implantés face au rotor 4, et le porte-capteur 53 est fixé sur la face du palier avant 13.
Dans une première variante de réalisation, les capteurs 52 sont implantés radialement sur le côté du rotor 50, perpendiculairement par rapport à l'arbre 3 du rotor 4 en sorte que la lecture est radiale. Dans une deuxième variante de réalisation, les capteurs 52 sont implantés axialement sur le dessus du rotor 4, dans l'axe de l'arbre 3 du rotor 4, en sorte que la lecture est axiale.
Préférentiellement, les capteurs sont surmoulés sur le porte-capteur 53, ce dernier étant de préférence en plastique. Ceci permet à l'ensemble capteur, porte-capteur d'être étanche et ainsi d'être moins sensible au brouillard salin et aux poussières.
La Fig. 3 montre un exemple de réalisation d'un porte-capteur 53 pour une lecture radiale. Ledit porte-capteur 53 comporte notamment:
- un connecteur 257 dans lequel des traces métalliques permettant de faire une connexion entre ledit connecteur et les capteurs 52, ledit connecteur permettant une connexion avec la partie électronique de la machine,
- un secteur 55 permettant d'accueillir les capteurs 52, lesdits capteurs étant situés à la périphérie interne dudit secteur dans l'exemple pris de lecture radiale, et
- des oreilles 56 permettant de fixer ledit porte-capteur 53 au palier arrière 14 dans l'exemple pris.
On notera que pour plus de précision sur ledit porte-capteur 53, on se reportera à la description du brevet WO 01/69762A1, notamment pages 21 et 22.
La Fig. 4 est une schématisation d'éléments de la machine électrique tournante 1 comportant un mode de réalisation du dispositif de détermination de la position du rotor conforme à l'invention. On peut ainsi voir les trois phases 1Ou, 1Ov et 1Ow du stator 8, le rotor 4 et les trois capteurs 52u, 52v, 52w, ces derniers étant reliés aux moyens de traitement MC des premiers signaux issus desdits capteurs.
La Fig. 5 est une autre schématisation du dispositif de détermination de la position θ(t) du rotor 4. Plus précisément, par l'expression position du rotor on entend la position d'une direction Oy liée au mouvement de rotation du rotor prise par rapport à une direction Ox fixe liée au porte-capteur 53 et donc fixe par rapport au stator 8.
Avantageusement, l'ensemble des capteurs se compose de 3 capteurs 52u, 52v, 52w à effet Hall déphasés entre eux de 120° électriques. On peut prévoir cependant un autre agencement de capteurs, par exemple deux capteurs à effet Hall déphasés entre eux de 90° électriques ou encore plus de trois capteurs, par exemple cinq capteurs déphasés entre eux de 72° électriques. L'intérêt des capteurs à effet Hall est de mesurer un champ magnétique et de transposer cette mesure en un signal représentatif dudit champ magnétique de grandeur équivalente à une tension, fréquence, courant, numérique....
Les capteurs 52u, 52v, 52w sont destinés à fournir des premiers signaux su, sv et sw représentatifs d'un champ magnétique détecté au niveau de chaque capteur et créé par le mouvement du rotor dans le stator. Les trois capteurs mesurent au même moment ledit champ magnétique à des endroits différents. Ce champ magnétique est une somme de différents champs magnétiques issus de différentes sources.
Ainsi, dans le premier mode de réalisation, cas de la cible 50, le champ magnétique est créé par ladite cible 50 additionné, le cas échéant, d'un champ de fuite créé par les roues polaires 41 , 42 du rotor 4 lui-même.
Dans le deuxième mode de réalisation, cas du rotor 4 sans cible, le champ magnétique est créé par le rotor 4 lui-même.
Préférentiellement, les premiers signaux sont des signaux électriques triphasés. Les premiers signaux peuvent être également des signaux numériques représentatifs du champ magnétique.
La Fig. 6 illustre les variations au cours du temps des premier signaux su, sv et sw délivrés par les trois capteurs 52u, 52v et 52w dans le cas de signaux électriques triphasés. Ces premiers présentent une composante continue sOffSet de décalage incluant le cas échéant les perturbations magnétiques créées par le rotor 4, et une composante sensiblement sinusoïdale reproduisant les variations du champ magnétique détecté par chaque capteur.
On notera que la composante continue sOffeβt d© décalage dépend donc notamment :
- du courant qui alimente le rotor et donc de la manière de magnétiser ledit rotor, et
- des imprécisions de mesures induites par les capteurs eux-mêmes. Un tel offset peut avoir comme valeur 2,5V.
Par ailleurs, la composante sinusoïdale dépend notamment de la position du capteur par rapport au rotor 4 (cas du deuxième mode de réalisation) ou à la cible 50 (cas du premier mode de réalisation), cette position étant déterminée par la distance R illustrée sur la Fig. 5. Plus précisément, la composante varie en fonction de 1/R2. Ainsi, plus un capteur 52 est proche du rotor 4 (cas du deuxième mode de réalisation) ou de la cible 50 (cas du premier mode de réalisation), plus les variations de la composante sinusoïdale sont importantes en amplitude. A titre d'exemple, le maximum des signaux est atteint lorsqu'un capteur se trouve en regard d'un pôle Nord du rotor 4 (cas du deuxième mode de réalisation) ou de la cible 50 (cas du premier mode de réalisation). Les signaux sont au contraire minimum à chaque fois qu'un capteur se trouve en regard d'un pôle Sud du rotor 4 (cas du deuxième mode de réalisation) ou de la cible 50 (cas du premier mode de réalisation).
Enfin, l'ensemble des signaux su, sv et sw dépend directement de la position θ(t) du rotor recherchée car la fréquence desdits signaux dépend de la fréquence de rotation du rotor 4 (cas du deuxième mode de réalisation) et de son nombre de pôles ou du nombre de pôles de la cible 50 (cas du premier mode de réalisation). Ainsi, la fréquence des premiers signaux issus des capteurs 52 est égale à celle de la rotation du rotor 4 multipliée par le nombre de paires de pôles du rotor 4 (cas du deuxième mode de réalisation) ou de la cible 50 (cas du premier mode de réalisation).
La Fig. 7 donne un schéma d'une chaîne de traitement permettant précisément d'extraire la position θ(t) des signaux su, sv et sw. On notera que l'ensemble de la chaîne de traitement décrite ci-après est effectuée par les moyens de traitement de signaux MC qui sont préférentiellement un microcontrôleur se trouvant dans la partie électronique qui commande la machine, partie électronique qui se trouve de manière connue dans un boîtier externe ou intégré à ladite machine.
Dans une première étape), on applique aux premiers signaux su, sv et sw issus des capteurs 52 un opérateur représenté par une matrice de projection M apte à fournir des deuxièmes signaux sinθ(t) et cosθ(t) dépendant de la position θ(t) du rotor 4.
Dans un premier mode de réalisation non limitatif, la matrice M est une matrice de projection d'un repère multiphasé vers un repère diphasé, transformant ainsi des signaux multiphasés en deux signaux diphasés. Dans notre cas, le repère multiphasé est un repère triphasé.
On a ainsi :
La troisième composante de sortie h, dite composante homopolaire, n'est pas utilisée dans le cadre de l'invention. Elle est composée d'une moyenne des composantes sOffset de décalage et d'un signal dont l'amplitude est fonction d'une erreur de déphasage entre les signaux fournis par les capteurs à effet Hall dans le cas où lesdits capteurs ne pas bien montés de sorte que les premiers signaux ne sont pas tout à fait déphasés de 120° par exemple.
Selon une première variante de réalisation de ce premier mode, la matrice de projection M est une matrice inverse d'une matrice connue sous le nom de matrice de Concordia C. La matrice
[C]= Λ/(2/3)
est un exemple de matrice de Concordia applicable, soit
Selon une deuxième variante de réalisation de ce premier mode, la matrice de projection M est une matrice inverse d'une matrice connue sous le nom de matrice de Clark C.
La matrice
1 0 1 [C]= -1/2 -(V3)/2 1 -1/2 (V3)/2 1 est un exemple de matrice de Clark applicable, soit
1 -1/2 -1/2 [C]-1= 2/3 0 -(V3)/2 (V3)/2 1/2 1/2 1/2
On notera que les coefficients de ces matrices de projection sont constants mais sont fonction de conventions telles que le sens de rotation pris des courants triphasés, l'intensité de ses courants.... Aussi, on peut avoir un facteur de normalisation différent.
Dans une deuxième étape), on calcule l'argument d'un angle θ(t) à partir des deux deuxièmes signaux sinθ(t) et cosθ(t), l'angle θ(t) représentant la position du rotor 4.
Ainsi, ce calcul permet de déterminer la position θ(t) du rotor 4 de manière univoque à 360° électriques près, soit 360/8 = 45° mécaniques pour huit paires de pôles du rotor 4 dans l'exemple pris. On rappellera qu'un nombre de tours électriques est égal au nombre de paires de pôles fois le nombre de tours mécaniques, un tour mécanique correspondant à 360° physique du rotor. On notera qu'on utilise préférentiellement l'argument au lieu de l'arc tangente ce qui permet de se désolidariser de l'amplitude des premiers signaux su, sv et sw, l'argument étant le même quelque soit l'amplitude desdits signaux.
De plus, comme décrit précédemment, cela permet d'avoir la position du rotor sur 360° au lieu de 180° dans le cas de l'arc tangente.
On notera que le traitement qui vient d'être décrit est effectué par le microcontrôleur MC dès que la position du rotor 4 est nécessaire pour commander la machine. Ainsi avant même le démarrage, on peut avoir la position θ(t) du rotor 4, les capteurs à effet Hall détectant de façon continue le champ magnétique.
Ainsi, un des avantages du traitement illustré sur la Fig. 7 est qu'il est indépendant de paramètres tels que l'amplitude des premiers signaux su, sv et sw ou encore tels que les décalages sOffSet, ce qui rend le résultat de la détermination de la position θ(t) insensible aux perturbations magnétiques, conformément à un but visé par l'invention.
On remarquera par ailleurs que le dispositif conforme à l'invention qui vient d'être décrit en regard des Fig. 1 à 7 est également insensible aux parasites de mode commun qui pourraient se trouver appliqués aux premiers signaux su, sv et sw de sortie des capteurs 52u, 52v et 52w de champ magnétique. On rappellera que les parasites de mode commun sont dus à des différences de références entre un premier signal mesuré par un capteur et référencé par rapport à la masse dudit capteur et le premier signal reçu par le microcontrôleur MC et référencé par rapport à la masse dudit microcontrôleur MC. Il arrive que les deux références soient décalées l'une par rapport à l'autre, ce décalage introduisant une erreur appelée parasite de mode commun. En s' affranchissant du décalage sOffSetdu à un capteur (soit les 2,5V référencés par rapport à la masse dudit capteur), on s'affranchit également de ce parasite de mode commun.
Enfin, on notera que le dispositif de détermination de la position selon l'invention peut être également mise en oeuvre dans toutes les machines électriques où la position du rotor par rapport au stator doit être connue avec précision. L'invention est ainsi applicable à tout type de machines électriques et pour des fonctionnements différents. L'invention peut en effet s'appliquer à des machines fonctionnant en tant qu'alternateur seul, en tant que moteur seul ou en tant qu'alterno-démarreur, et de type machines asynchrones, machines synchrones à griffes avec ou sans aimants interpolaires ou encore machines avec rotor à aimants permanents.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif de détermination de la position (θ(t)) d'un rotor (4) d'une machine électrique tournante comprenant un stator (8), caractérisé en ce que ledit dispositif comprend une pluralité de capteurs (52u, 52v, 52w) de champ magnétique fixes par rapport au stator (8) et aptes à délivrer des premiers signaux (su, sv, sw) représentatifs d'un champ magnétique tournant détecté par lesdits capteurs, et des moyens de traitement desdits premiers signaux par un opérateur ([M]) apte à fournir des deuxièmes signaux (sinθ(t), cosθ(t)) dépendant de ladite position (θ(t)).
2. Dispositif selon la revendication 1 , caractérisé en ce que les premiers signaux sont des signaux électriques triphasés.
3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les deuxièmes signaux sont des signaux électriques diphasés.
4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ledit champ magnétique est le champ magnétique créé par le rotor (4).
5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ledit champ magnétique est créé par une cible aimantée (50) liée à un arbre (3) du rotor (4).
6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que ledit opérateur ([M]) est représenté par une matrice de projection d'un repère multiphasé en un repère diphasé.
7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que la matrice de projection ([M]) est une matrice inverse ([C]"1) de Concordia.
8. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que la matrice de projection ([M]) est une matrice inverse ([C]"1) de Clark.
9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que ladite pluralité de capteurs se compose de trois capteurs déphasés électriquement de 120°.
10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que ladite pluralité de capteurs se compose de deux capteurs déphasés électriquement de 90°.
11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que lesdits capteurs (52u, 52v, 52w) sont des capteurs à effet Hall.
12. Machine électrique tournante comprenant un rotor (4) et un stator (8) caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif de détermination de la position du rotor (4) selon l'une quelconque des revendications 1 à 11.
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