EP4566162A1 - Dispositif de determination de la position angulaire d'un rotor de machine electrique tournante, procede, produit programme et support lisible par ordinateur y afferant - Google Patents

Dispositif de determination de la position angulaire d'un rotor de machine electrique tournante, procede, produit programme et support lisible par ordinateur y afferant

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Publication number
EP4566162A1
EP4566162A1 EP23749086.7A EP23749086A EP4566162A1 EP 4566162 A1 EP4566162 A1 EP 4566162A1 EP 23749086 A EP23749086 A EP 23749086A EP 4566162 A1 EP4566162 A1 EP 4566162A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
angular offset
circuit
rotor
filter
signal
Prior art date
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Pending
Application number
EP23749086.7A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Laurent Labiste
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 Electrification SAS
Original Assignee
Valeo Electrification SAS
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Filing date
Publication date
Application filed by Valeo Electrification SAS filed Critical Valeo Electrification SAS
Publication of EP4566162A1 publication Critical patent/EP4566162A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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
    • 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
    • G01D3/00—Indicating or recording apparatus with provision for the special purposes referred to in the subgroups
    • G01D3/028—Indicating or recording apparatus with provision for the special purposes referred to in the subgroups mitigating undesired influences, e.g. temperature, pressure
    • G01D3/036—Indicating or recording apparatus with provision for the special purposes referred to in the subgroups mitigating undesired influences, e.g. temperature, pressure on measuring arrangements themselves
    • 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
    • G01D5/14—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 the magnitude of a current or voltage
    • G01D5/142—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 the magnitude of a current or voltage using Hall-effect devices
    • G01D5/145—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 the magnitude of a current or voltage using Hall-effect devices influenced by the relative movement between the Hall device and magnetic fields

Definitions

  • the present invention relates to a device for determining the angular position of a rotor of a rotating electric machine, as well as an assembly comprising such a determination device and such a rotating electric machine.
  • the electrical machine is for example an alternator or alternator powered by a nominal voltage of 12V or 48V, or even more.
  • the electric machine can also be a propulsion machine powered by a nominal voltage of 12V or 48V, or even more, for example a voltage greater than 300V, for example 400V or 800V.
  • This electric machine can be integrated into a vehicle with hybrid or purely electric propulsion, for example an automobile. More generally, “vehicle” encompasses for the purposes of this application any form of mobility with purely electric, hybrid, thermal or other propulsion. “Vehicle” thus includes a vehicle rolling on land via four, three, two wheels or any other number of wheels, or a vehicle moving in the air or on water, or even in space.
  • Control of this electric machine requires knowledge of the angular position of the machine's rotor.
  • the angular offset between the third and the first sensor must for example ideally be 120°, and the angular offset between the second and the first sensor must also ideally be 120°.
  • the signals provided by these sensors are processed by a rotor position estimation circuit, for example via a control loop. This circuit outputs a signal representative of this position of the rotor. This measurement can then be used, for example, to control the inverter/rectifier interposed between the stator of this electrical machine and the electrical energy storage unit of the vehicle's on-board network, which is in particular a battery.
  • the accuracy of the position obtained at the output of the rotor position estimation circuit depends, among other things, on respecting the value of 120° for the angular offset, or phase, between the pairs of position sensors.
  • a fault in this offset, which is therefore different from 120°, is for example caused by imprecise positioning of the sensors on the electrical machine.
  • an offset other than 120° can generate:
  • the invention achieves this, according to one of its aspects, by means of a device for determining the angular position of a rotor of a rotating electric machine on the basis of only three sensor signals supplied by sensors position, these signals being a first sensor signal, a second sensor signal, and a third sensor signal, in particular offset by an ideal target value of 120°, the device comprising:
  • this circuit estimating the position of the rotor, in particular via the creation of a control loop, this circuit providing at output a signal representative of the position of the rotor, and
  • this circuit receiving as input: a first input signal from the first sensor signal, a second input signal from the second sensor signal, and a third input signal input coming from the third sensor signal, this angular offset fault compensation circuit providing as output a signal transmitted to the circuit estimating the position of the rotor, this angular offset fault compensation circuit being configured to:
  • the invention makes it possible to compensate for the angular offset fault within each pair of input signals, other than via a calibration operation at the end of the line. This angular offset fault compensation is carried out upstream of the circuit for estimating the position of the rotor, so that the latter receives as input two signals offset by 90° between their fundamentals.
  • the invention makes it possible, if the angular offset within each pair of input signals has a real value different from the ideal target value which is for example 120°, to compensate for the angular offset errors to provide input of the circuit estimating the position of the rotor two signals whose fundamentals are offset by 90°.
  • the number of sensor signals may be equal to the number of position sensors, with one position sensor providing, for example, only one sensor signal.
  • the number of sensor signals may be different from the number of position sensors.
  • the number of position sensors is double the number of sensor signals.
  • the angular offset between the sensor signals may be equal, to the nearest ratio of the number of pole pairs, to the angular offset between sensors from which these sensor signals originate.
  • the angular offset between the sensor signals may be equal to the angular offset between sensors from which these sensor signals originate.
  • the invention is based on dynamic compensation, so that it makes it possible to detect and correct any position drift resulting from the aging of the machine. Although an end-of-line calibration operation is not necessary with the invention, the invention can make it possible, when such an operation is carried out, to verify that it has been carried out correctly.
  • the solution according to the invention can provide the advantage of not requiring a state observer, such as for example a Kalman filter.
  • the transformation of the system formed by the first input signal, the second input signal and the third input signal into a two-phase system may consist of applying to this system a matrix of which all or part of the coefficients are determined as a function of the first defect of orthogonality or the second defect of orthogonality.
  • This matrix may differ from a Clarke or Concordia matrix, known for the transformation of a three-phase system into a two-phase system by the fact that its coefficients take into account the first and second angular offset faults.
  • this matrix can be a Clarke or Concordia matrix, if necessary without using the third line of this matrix
  • the signal representative of the position of the rotor is for example an angle value relative to a reference position. This may be the angle characterizing the electrical position of the rotor or the angle characterizing the mechanical position of the rotor of the electrical machine.
  • the angular offset fault compensation circuit can dynamically determine each angular offset fault between a pair of input signals and the mechanical angular offset between the two sensor signals from which these input signals originate. This is for example the case when sensor signals are provided by sensors at the end of the shaft.
  • the angular offset fault compensation circuit can dynamically determine each angular offset fault between a pair of input signals due to the electrical angular offset between the two sensor signals from which these input signals originate. This is for example the case when the position sensors are inductive sensors, or Hall effect sensors or resolvers.
  • the dynamic determination of the first angular offset fault may comprise the multiplication of the first input signal by the difference between the two other input signals to obtain a first product
  • the determination of the second angular offset fault may include multiplying the second input signal by the difference between the two other input signals to obtain a second product
  • the first product may be processed by a first filter and the second product may be processed by a second filter.
  • the first filter and the second filter can be different, the first filter being for example a filter of order 3 or order 2 and the second filter being in particular a filter of order 2 or 1.
  • the first and second filter may be identical, each a filter of order 1, order 2 or order 3.
  • At least one of the first and second filters is in particular a Butterworth filter.
  • Each of the first filter and the second filter is for example a low-pass filter. As will be seen later, these filters can have a constant cutoff frequency, or a variable cutoff frequency. For the same instant, or even for any instant, the cutoff frequency can be the same between the first filter and the second filter.
  • the first angular offset fault can be obtained by performing a first linear combination of the output of the first filter and the output of the second filter
  • the second angular offset fault can be obtained by performing a second linear combination of the output of the first filter and the output of the second filter
  • Compensation for the first and second angular offset faults can be carried out for any rotor rotation speed.
  • the compensation of the first and the second angular offset fault is only carried out for a range of rotor rotation speed, the dynamic angular offset fault compensation circuit also receiving the rotor rotation speed as input.
  • This rotation speed of the rotor is for example obtained at the output of the circuit estimating the position of the rotor.
  • Compensation for angular offset faults is only carried out, for example, above a minimum rotor rotation speed. Below this minimum rotation speed, which is for example 100, 200, 300, 400, 500, 600 or 700 rpm, no compensation for angular offset faults between the first and second signals is then carried out. , and the first, second and third input signals are directly transmitted to the circuit estimating the position of the rotor. Not performing angular offset fault compensation for low speeds can avoid having to use overly selective low-pass filters.
  • the cutoff frequency of each filter can vary depending on the speed. This cutoff frequency can vary continuously or discontinuously, then successively occupying constant values.
  • the fact of varying each cutoff frequency, or at least one of these two cutoff frequencies such as that of the first filter only or that of the second filter only, can make it possible to achieve a compromise between precision and speed of the response of the angular offset fault compensation circuit. For example, higher cutoff frequencies of the first and second filters at lower speeds allow the value of the first and second angular offset faults to be quickly determined, while lower cutoff frequencies at higher speeds improve accuracy. .
  • the circuit estimating the position of the rotor can implement a control loop and subtract from the output signal of this control loop a position error signal determined on the basis of the first and second fault of angular offset.
  • the device can also include a dynamic normalization circuit by the amplitude of the first harmonic of each sensor signal coming from a position sensor, this dynamic normalization circuit providing as output: the first, the second and third input signals of the dynamic angular offset fault compensation circuit.
  • This dynamic normalization circuit is thus arranged upstream of the angular offset fault compensation circuit.
  • This dynamic normalization circuit is for example produced according to the teaching of application W02021/121770.
  • control device for this electrical machine, comprising a determination device as defined above.
  • the rotating electric machine is for example a synchronous machine, for example a three-phase synchronous machine or a synchronous machine whose electrical stator winding defines a double three-phase system.
  • the electrical stator winding is for example formed by wires or by conductive bars connected to each other.
  • the rotor may be a claw rotor.
  • This rotor then comprises a first and a second interlocking pole wheels, the first pole wheel defining a series of claws of generally trapezoidal shape, each claw extending axially in the direction of the second pole wheel, the second pole wheel defining a series of claws of generally trapezoidal shape, each claw extending axially towards the first pole wheel.
  • a permanent magnet can be received between two consecutive claws circumferentially speaking for the rotor.
  • the rotor may be other than a claw rotor, for example comprising a pack of sheets or being a cage rotor.
  • the rotor can comprise any number of pairs of poles, for example three, four, six or eight pairs of poles.
  • the electrical machine may include a stator cooling circuit in which fluid such as air or liquid circulates.
  • fluid such as air or liquid circulates.
  • This liquid can be water or oil.
  • the rotor can be cooled by this same cooling circuit or by another cooling circuit in which air, or liquid such as water or oil, circulates.
  • the electric machine may have a nominal mechanical power of between 4 kW and 35 kW, being for example 4 kW, 8 kW, 15 kW, 25 kW or 35 kW, or the electric machine may have a nominal mechanical power of between 40 kW and 400kW, being for example 40kW, 80 kW, 100 kW, 150 kW, 180 kW, 200 kW, 300kW or 400 kW.
  • This rotating electric machine can be electrically powered from an electrical energy storage unit via an inverter/rectifier of the assembly, this inverter/rectifier allowing, depending on whether the electric machine operates as a motor or generator, to charge a vehicle on-board network or to be electrically supplied from this network.
  • the nominal voltage of the electrical energy storage unit may be 12 V, 48 V or have another value, for example another value greater than 300 V.
  • the rotating electric machine may also include a pulley or any other means of connection to the rest of the powertrain of the vehicle.
  • the electric machine is for example connected, in particular via a belt, to the crankshaft of the vehicle's thermal engine.
  • the electric machine is connected to other locations of the powertrain, for example at the input of the gearbox from the point of view of the torque passing to the wheels of the vehicle, at the output of the gearbox from the point from the point of view of the torque passing towards the wheels of the vehicle, at the level of the gearbox from the point of view of the torque passing towards the wheels of the vehicle, or even on the front axle or the rear axle of this powertrain.
  • the rotating electric machine is not necessarily a synchronous machine, it may be an asynchronous machine.
  • the invention also relates, according to another of its aspects, to a method for determining the angular position of a rotor of a rotating electric machine on the basis of only three sensor signals provided by position sensors, in which a determination device as defined above is used.
  • This determination method is for example integrated into a method of controlling the electric machine, in which the angular position of the rotor determined as above is used to control the motor torque and/or the current of the data storage unit. electric energy.
  • This determination method can be implemented by a computer program product, which, when read by the electric rotating machine control device, makes it possible to implement the steps of carrying out said method, said program product d computer which can be stored on a medium readable by said control device.
  • FIG.l represents schematically and in axial section an example of a rotating electrical machine to which the invention can be applied
  • FIG.2 represents in elevation another type of rotor than that of Figure 1
  • FIG.3 schematically represents the device for determining the position of the rotor of the machine according to a non-limiting example of implementation of the invention
  • FIG.4 schematically represents a detail of Figure 3
  • FIG.5 represents an example of a filter that can be used to produce the part of the compensation circuit of Figure 3,
  • FIG.8 corresponds to response curves making it possible to illustrate an effect of the invention.
  • Figure 1 shows a polyphase rotating electric machine 1, in particular for a motor vehicle, to which the invention can be applied.
  • This rotating electrical machine can form an alternator or altemo-starter of the vehicle.
  • This rotating electric machine can be powered via an electronic component of power 9 comprising an inverter/rectifier by a battery whose nominal voltage is 12 V or 48 V or a value greater than 300 V, for example.
  • the rotating electric machine 1 comprises a casing 2. Inside this casing 2, it further comprises a shaft 3, a rotor 4 integral in rotation with the shaft 3 and a stator 5 surrounding the rotor 4. The rotational movement of the rotor 4 takes place around an axis X.
  • the casing 2 comprises a front bearing 6 and a rear bearing 7 which are assembled together. These bearings 6, 7 are hollow in shape and each centrally carries a respective ball bearing 10, 11 for the rotational mounting of the shaft 3.
  • a pulley 12 is in the example considered fixed on a front end of the shaft 3, at the level of the front bearing 6, for example using a nut resting on the bottom of the cavity of this pulley.
  • This pulley 12 makes it possible to transmit the rotational movement to the shaft 3 and it can be connected via a belt to the crankshaft of the vehicle's thermal engine.
  • the rear end of shaft 3 carries, here, slip rings belonging to a collector and connected by wire connections to the winding. Brushes belonging to a brush holder 8 are arranged so as to rub on the slip rings.
  • the front bearing 6 and the rear bearing 7 may also include substantially lateral openings for the passage of air in order to allow cooling of the rotating electrical machine by air circulation generated by the rotation of a fan front 13 on the front dorsal face of the rotor 4, that is to say at the level of the front bearing 6 and a rear fan 14 on the rear dorsal face of the rotor, that is to say at the level of the bearing rear 7.
  • the stator 5 comprises a body 15 in the form of a pack of sheets provided with notches, for example of the semi-closed or open type, equipped with notch insulation for mounting the electrical winding polyphase of the stator.
  • Each phase includes a winding 16 passing through the notches of the body 15 and forming, with all the phases, a front bun and a rear bun on either side of the stator body.
  • the windings 16 are for example obtained from a continuous wire covered with enamel or from bar-shaped conductive elements such as pins connected together.
  • the electrical winding of the stator is for example three-phase, then implementing a star or triangle assembly whose outputs are connected to the electronic power component 9.
  • Rotor 4 in Figure 1 is a claw rotor. It comprises two pole wheels 17. The first pole wheel 17 faces the electronic power component 9 while the second pole wheel 17 faces the pulley 12.
  • Each of the pole wheels 17 comprises a bottom 18 extending radially on either side of the axis X, the wheel defining a series of claws 19 of generally trapezoidal shape.
  • Each claw of a pole wheel 17 extends axially towards the other pole wheel from a base arranged on the radially outer periphery of the bottom 18.
  • the rotor 4 further comprises, between the radially interior portions 20 and the claws 19, a coil wound on a coil insulator 22.
  • the rotor 4 can also include permanent magnets (not shown) interposed between two neighboring claws 19 at the external periphery of the rotor.
  • the rotor 4 may be devoid of such permanent magnets.
  • the rotor 4 can also be different from that shown in Figure 1, being for example formed by a stack of sheets, as shown in Figure 2.
  • the number of pairs of poles defined by the rotor 4 can be arbitrary, for example equal to three, four, six or eight.
  • the machine also includes sensors 20 for measuring the position of the rotor 4, for example three or two Hall effect sensors, grouped in the same plastic housing and arranged in such a way that, among these sensors 20, two pairs of sensors present an electrical angular offset whose ideal target value is 120°.
  • sensors 20 for measuring the position of the rotor 4 for example three or two Hall effect sensors, grouped in the same plastic housing and arranged in such a way that, among these sensors 20, two pairs of sensors present an electrical angular offset whose ideal target value is 120°.
  • a first angular offset between the first and the third sensor has a target value of 120°
  • a second angular offset between the first and the second sensor has a target value of 120°.
  • These sensors are for example positioned at the rear bearing 7 of the machine and they interact with a magnetic target secured to the rotation of the rotor.
  • the sensor signals provided by these three sensors 20 are used by a device for controlling the rotating electric machine 1, comprising a device 100 for determining the angular position of the rotor 4.
  • the device for controlling the rotating electric machine 1 can be a computer, for example a microcontroller, or an integrated circuit, for example an EPGA or an ASIC, capable of receiving electrical signals and processing them, in particular sensor signals 20.
  • the device 100 for determining the position of the rotor 4 will now be described with reference to Figures 3 and following.
  • the sensor signals supplied by the three sensors 20 attack a dynamic normalization circuit 105 by the amplitude of the first harmonic of each signal coming from a position sensor 20.
  • This circuit 105 is for example as described in application W02021/121770.
  • circuit 102 attacks in the example described a circuit 103 for compensating for the bias existing in the signals coming from circuit 102, this circuit 103 also receiving as input a register 113 storing predefined bias values.
  • the circuit 103 carries out, for example, an averaging of the samples.
  • the output of the bias compensation circuit 103 attacks a circuit 104 estimating the position of the rotor.
  • This circuit 104 here implements a control loop for the position of rotor 4 (“PTL” in English).
  • PTL position of rotor 4
  • an error signal in position 115 determined by the circuit 102 on the basis of the angular offset faults determined, as will be explained below, is subtracted from the signal at the output of the loop control.
  • the result of this subtraction forms the output of circuit 104 and corresponds to the signal representative of the position of the rotor. This signal also corresponds to the output of device 100.
  • This circuit 102 includes a block 200 for dynamically determining:
  • the angular offset fault between two input signals of the dynamic compensation circuit 102 is in the example considered equal to the angular offset between the two sensor signals from which these two input signals respectively come.
  • the dynamic determination of the first angular offset fault comprises the multiplication of the first input signal by the difference between the two other input signals to obtain a first product
  • determining the second angular offset fault includes multiplying the second input signal by the difference between the other two input signals to obtain a second product.
  • the first product is then treated by a first filter 212 and the second product is treated by a second filter 213.
  • the first filter 212 and the second filter 213 can be different, the first filter 212 being for example a filter of order 3 or order 2 and the second filter 213 being in particular a filter of order 2 or 1.
  • the first and the second filter may be identical, for example each being a filter of order 1, order 2 or order 3.
  • Each of the first filter 212 and the second filter 213 is for example a low-pass filter produced via a Butterworth filter of order 2, as shown in a non-limiting manner in Figure 5.
  • Each of the low-pass filters 212 and 213 can have a variable cutoff frequency depending on the rotation speed of the rotor. For example, this frequency varies piecewise, taking higher values for low rotation speeds and decreasing stepwise as the rotation speed increases. For any instant, the cutoff frequency is for example the same between the first filter 212 and the second filter 213.
  • each filter 212 and 213 may have a constant cutoff frequency.
  • the first angular offset fault is then obtained by carrying out a first linear combination of the output of the first filter 212 and the output of the second filter 213.
  • This linear combination is for example a simple sum, the two filter outputs being simply summed.
  • the second angular offset fault is here obtained by carrying out a second linear combination of the output of the first filter 212 and the output of the second filter 213.
  • the output of the first filter is here multiplied by a gain 215, for example equal to 2, before being summed to the output of the second filter 213.
  • block 200 has another input 206.
  • This input 206 corresponds to an activation signal from block 200.
  • compensation for each angular offset fault is not carried out in the device 100 for any rotation speed of the rotor, but it only occurs beyond a minimum rotor rotation speed, for example beyond 100, 200, 300, 400, 500 , 600 or 700 rpm.
  • the activation signal 206 is received by the block 200, the latter proceeds to determine the value of the first angular offset fault and the second angular offset fault.
  • circuit 102 can then receive as input a signal representative of the rotation speed of the rotor, and generate or not the activation signal 206 depending on the value of this rotation speed.
  • the output 120 of block 200 is on the one hand received as input to a block 201 for determining a mathematical transformation of the three-phase system from the three sensors 20 into a two-phase system.
  • This block consists of determining the coefficients of a Clarke or Concordia matrix taking into account the first angular offset fault and the second angular offset fault existing within the two pairs of input signals.
  • this matrix according to equation [Math. 1] can be simplified to first order to a matrix according to the equation [Math. 2] as below:
  • the matrix determined by block 201 would be a Clarke matrix simplified to the nearest angle sign convention, the third line not being used as follows according to the equation [Math. 3] below:
  • the matrix thus determined constitutes the input 112 of a block 202 also receiving the input 110 grouping the first input signal, the second input signal and the third input signal of circuit 102.
  • This block 202 proceeds to transform the three-phase system present on the input 110, this system being formed by the first input signal, the second input signal and the third input signal, into a two-phase system by the applying matrix on input 112.
  • This two-phase system is formed by two signals presenting no orthogonality error, at least between their respective fundamentals.
  • the two signals output from block 202 have for example an angular offset of 90° electrical or 90° mechanical, depending on the type of sensors 20 used.
  • the output 120 of the block 200 is also received at the input of a block 203 whose output forms the signal 115 present in the circuit 104 for determining the position of the rotor, as already described with reference to Figure 3.
  • a block 203 whose output forms the signal 115 present in the circuit 104 for determining the position of the rotor, as already described with reference to Figure 3.
  • An example of embodiment of this block 203 is shown in Figure 7.
  • This block 203 consists of applying a gain 220 to the difference between the two angular offset faults determined by block 200, the value of which is for example 1/2.
  • the electrical angular offset between the second input signal and the first input signal of circuit 102 is not 120° but has a first angular offset fault value of -2°
  • the offset electrical angular between the third input signal and the first input signal of circuit 102 is not 120° but has a second angular offset fault value of 7°.
  • the dynamic angular offset fault compensation circuit 102 is started at a time to.
  • the circuit 102 for dynamic compensation of angular offset fault can act independently of the speed of rotation of the rotor, that is to say from the starting the electric machine.
  • the cutoff frequency of each filter 212 and 213 can remain constant.
  • the cutoff frequency of each filter 212 and 213 can vary, as described previously.
  • the implementation of the determination of the angular position of the rotor 4 can be carried out by a computer program product, which, when executed by the control device of the rotating electrical machine 1, makes it possible to carry out the method of determination of the angular position of the rotor 4 of the rotating electrical machine 1 on the basis of the three sensor signals 20 provided by position sensors, as described with reference to Figures 3 to 8.
  • This computer program product can be recorded on a storage medium readable by the control device in order to carry out the implementation of the determination of the position of the rotor 4.

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Abstract

Dispositif de détermination (100) de la position angulaire d'un rotor (4) de machine électrique tournante sur la base d'uniquement trois signaux de capteur fournis par des capteurs de position (20), ces signaux étant un premier signal de capteur, un deuxième signal de capteur, et un troisième signal de capteur dispositif comprenant : - un circuit (104) estimant la position du rotor, notamment via la réalisation d'une boucle de contrôle, ce circuit (104) fournissant en sortie un signal représentatif de la position du rotor, et - un circuit (102) de compensation dynamique de défaut de décalage angulaire, ce circuit recevant en entrée : un premier signal d'entrée issu du premier signal de capteur, un deuxième signal d'entrée issu du deuxième signal de capteur, et un troisième signal d'entrée issu du troisième signal de capteur, ce circuit de compensation dynamique (102) de défaut de décalage angulaire fournissant en sortie un signal transmis vers le circuit (104) estimant la position du rotor, ce circuit (102) de compensation dynamique de défaut de décalage angulaire étant configuré pour : - déterminer de façon dynamique la valeur d'un premier défaut de décalage angulaire au sein d'une paire des signaux d'entrée et la valeur d'un deuxième défaut de décalage angulaire au sein d'une autre paire des signaux d'entrée, - transformer le système formé par le premier signal d'entrée, le deuxième signal d'entrée et le troisième signal d'entrée en un système diphasé par une transformation mathématique en utilisant le premier et le deuxième défaut de décalage angulaire déterminés de manière à ce que les deux signaux de ce système diphasé présentent un décalage angulaire de 90° entre leurs fondamentaux.

Description

DISPOSITIF DE DETERMINATION DE LA POSITION ANGULAIRE D'UN ROTOR DE MACHINE ELECTRIQUE TOURNANTE, PROCEDE, PRODUIT PROGRAMME ET SUPPORT LISIBLE PAR ORDINATEUR Y AFFERANT
La présente invention concerne un dispositif de détermination de la position angulaire d’un rotor de machine électrique tournante, ainsi qu’un ensemble comprenant un tel dispositif de détermination et une telle machine électrique tournante.
La machine électrique est par exemple un alternateur ou un altemo-démarreur alimenté par une tension nominale de 12V ou de 48V, voire plus. La machine électrique peut également être une machine de propulsion alimentée par une tension nominale de 12V ou de 48V, voire plus, par exemple une tension supérieure à 300V, par exemple de 400V ou 800V.
Cette machine électrique peut être intégrée à un véhicule à propulsion hybride ou purement électrique, par exemple une automobile. Plus globalement, « véhicule » englobe au sens de la présente demande toute forme de mobilité à propulsion purement électrique, hybride, thermique ou autre. « Véhicule » englobe ainsi un engin roulant sur terre via quatre, trois, deux roues ou tout autre nombre de roues, ou un engin se déplaçant dans les airs ou sur l’eau, voire dans l’espace.
La commande de cette machine électrique nécessite la connaissance de la position angulaire du rotor de la machine. Pour ce faire, il est connu, dans le cas d’une machine synchrone triphasée, d’utiliser trois signaux fournis par des capteurs, par exemple à effet Hall, de type inductif ou en bout d’arbre avec parmi ces trois signaux, deux paires qui sont décalées idéalement d’une valeur cible de 120° (électriques ou mécaniques), selon le type de capteur. Le décalage angulaire entre le troisième et le premier capteur doit par exemple être idéalement de 120°, et le décalage angulaire entre le deuxième et le premier capteur doit également idéalement être de 120°. Les signaux fournis par ces capteurs sont traités par un circuit d’estimation de la position du rotor, par exemple via une boucle de contrôle. Ce circuit fournit en sortie un signal représentatif de cette position du rotor. Cette mesure peut ensuite être par exemple utilisée pour commander l’onduleur/redresseur interposé entre le stator de cette machine électrique et l’unité de stockage d’énergie électrique du réseau de bord du véhicule, qui est notamment une batterie.
La précision de la position obtenue en sortie du circuit d’estimation de la position du rotor dépend entre autres du respect de la valeur de 120° pour le décalage angulaire, ou phase, entre les paires de capteurs de position. Un défaut de ce décalage, qui est en conséquence différent de 120°, est par exemple causé par un positionnement imprécis des capteurs sur la machine électrique. Or, un décalage différent de 120° peut générer :
- des harmoniques de rang 2 du signal représentatif de la position du rotor obtenu au final,
- un biais (“offset” en anglais) sur la position, -de façon indirecte des erreurs de compensation d’autres harmoniques en dynamique
Ces différentes erreurs, ensemble ou même individuellement, peuvent causer au final des oscillations de courant et de couple dans la machine électrique.
Pour éviter de tels problèmes, il est connu de réaliser une opération de calibration en fin de ligne, juste avant le départ en livraison de la machine électrique chez le client. Cependant, une telle opération de calibration en fin de ligne est complexe et coûteuse en temps, reposant sur une extraction itérative de séries de Fourier réalisées à vitesses constante faisant ensuite l’objet d’un traitement complexe. En outre, une telle opération de calibration en fin de ligne n’est pas possible lorsque la machine électrique est fournie par un équipementier indépendamment de son électronique de puissance et de commande.
Il existe ainsi un besoin pour remédier aux inconvénients précités.
L’invention y parvient, selon l’un de ses aspects, à l’aide d’un dispositif de détermination de la position angulaire d’un rotor de machine électrique tournante sur la base d’uniquement trois signaux de capteur fournis par des capteurs de position, ces signaux étant un premier signal de capteur, un deuxième signal de capteur, et un troisième signal de capteur, notamment décalés d’une valeur idéale cible de 120°, le dispositif comprenant :
- un circuit estimant la position du rotor, notamment via la réalisation d’une boucle de contrôle, ce circuit fournissant en sortie un signal représentatif de la position du rotor, et
- un circuit de compensation dynamique de défaut de décalage angulaire, ce circuit recevant en entrée : un premier signal d’entrée issu du premier signal de capteur, un deuxième signal d’entrée issu du deuxième signal de capteur, et un troisième signal d’entrée issu du troisième signal de capteur, ce circuit de compensation de défaut de décalage angulaire fournissant en sortie un signal transmis vers le circuit estimant la position du rotor, ce circuit de compensation de défaut de décalage angulaire étant configuré pour :
- déterminer de façon dynamique la valeur d’un premier défaut de décalage angulaire au sein d’une paire des signaux d’entrée, c’est-à-dire entre deux parmi le premier, le deuxième et le troisième signal d’entrée, et la valeur d’un deuxième défaut de décalage angulaire au sein d’une autre paire des signaux d’entrée, c’est-à- dire entre deux autres parmi le premier, le deuxième et le troisième signal d’entrée,
- transformer le système formé par le premier signal d’entrée, le deuxième signal d’entrée et le troisième signal d’entrée en un système diphasé par une transformation mathématique en utilisant le premier et le deuxième défaut de décalage angulaire déterminés de manière à ce que les deux signaux de ce système diphasé présentent un décalage angulaire de 90°-entre leurs fondamentaux. L’invention permet de compenser le défaut de décalage angulaire au sein de chaque paire de signaux d’entrée, et ce autrement que via une opération de calibration en fin de ligne. Cette compensation de défaut de défaut de décalage angulaire est effectuée en amont du circuit d’estimation de la position du rotor, de sorte que ce dernier reçoit en entrée deux signaux décalés de 90°entre leurs fondamentaux.
Ainsi, l’invention permet, si le décalage angulaire au sein de chaque paire de signaux d’entrée a une valeur réelle différente de la valeur idéale cible qui est par exemple de 120°, de compenser les erreurs de décalage angulaire pour fournir en entrée du circuit estimant la position du rotor deux signaux dont les fondamentaux sont décalés de 90°.
Le nombre de signaux de capteurs peut être égal au nombre de capteurs de position, un capteur de position fournissant par exemple uniquement un signal de capteur. En variante, le nombre de signaux de capteurs peut être différent du nombre de capteurs de position. Par exemple dans le cas où les capteurs sont utilisés en mode différentiel, le nombre de capteurs de position est le double du nombre de signaux de capteur.
Le cas échéant, le décalage angulaire entre les signaux de capteur peut être égal, au rapport du nombre de paires de pôles près, au décalage angulaire entre des capteurs dont ces signaux de capteur sont issus. Le décalage angulaire entre les signaux de capteur peut être égal au décalage angulaire entre des capteurs dont ces signaux de capteur sont issus
L’invention repose sur une compensation dynamique, de sorte qu’elle permet de détecter et corriger toute dérive de position résultant du vieillissement de la machine. Bien qu’une opération de calibration de fin de ligne ne soit pas nécessaire avec l’invention, l’invention peut permettre lorsqu’une telle opération est effectuée, de vérifier qu’elle a été effectuée correctement.
L’amélioration de la précision du signal représentatif de la position du rotor est obtenue selon l’invention à l’aide d’une solution simple, qui est implémentée dans le dispositif de détermination en amont du circuit estimant la position du rotor, notamment via une boucle de contrôle. Par ailleurs, cette solution présente comme avantages :
- de ne pas nécessiter de sur-échantillonnage,
- de ne pas générer de retard dans l’acquisition de données, et donc de ne pas entraîner de risque d’instabilité,
- de ne pas mettre enjeu de filtre fréquentiel adaptatif complexe,
- de ne pas mettre enjeu des fonctions trigonométriques ou de corrélations croisées complexes,
- de ne pas nécessiter d’imposer une vitesse constante à la machine pendant une durée importante tel que nécessité par une opération de calibration en fin de ligne,
- de ne pas être une solution statique, mais dynamique. La solution selon l’invention peut procurer l’avantage de ne pas mettre enjeu d’observateur d’état, comme par exemple un filtre de Kalman.
La solution selon l’invention peut par ailleurs procurer les avantages suivants :
- être peu sensible aux harmoniques électriques,
- être décorrélée de la bande passante du circuit estimant la position du rotor,
La transformation du système formé par le premier signal d’entrée, le deuxième signal d’entrée et le troisième signal d’ entée en un système diphasé peut consister à appliquer à ce système une matrice dont tout ou partie des coefficients sont déterminés en fonction du premier défaut d’orthogonalité ou du deuxième défaut d’orthogonalité. Cette matrice peut différer d’une matrice de Clarke ou de Concordia, connue pour la transformation d’un système triphasé en un système diphasé par le fait que ses coefficients prennent en compte les premier et deuxième défaut de décalage angulaire. Dans le cas théorique, avec un premier défaut de décalage angulaire nul et un deuxième défaut de décalage angulaire nul également, cette matrice peut être une matrice de Clarke ou de Concordia, le cas échéant sans utiliser la troisième ligne de cette matrice
Le signal représentatif de la position du rotor est par exemple une valeur d’angle par rapport à une position de référence. Il peut s’agir de l’angle caractérisant la position électrique du rotor ou de l’angle caractérisant la position mécanique du rotor de la machine électrique.
Le circuit de compensation de défaut de décalage angulaire est disposé en amont du circuit estimant la position du rotor, ce dernier mettant notamment en œuvre une boucle de contrôle. La sortie du circuit de compensation de défaut de décalage angulaire est par exemple directement reçue en entrée du circuit estimant la position du rotor.
Le circuit de compensation de défaut de décalage angulaire peut déterminer de façon dynamique chaque défaut de décalage angulaire entre une paire de signaux d’entrée hé au décalage angulaire mécanique entre les deux signaux de capteurs dont sont issus ces signaux d’entrée. C’est par exemple le cas lorsque les signaux de capteurs sont fournis par des capteurs en bout d’arbre.
En variante, le circuit de compensation de défaut de décalage angulaire peut déterminer de façon dynamique chaque défaut de décalage angulaire entre une paire de signaux d’entrée hé au décalage angulaire électrique entre les deux signaux de capteurs dont sont issus ces signaux d’entrée. C’est par exemple le cas lorsque les capteurs de position sont des capteurs inductifs, ou à effet Hall ou des résolvers.
Dans tout ce qui précède, la détermination dynamique du premier défaut de décalage angulaire peut comprendre la multiplication du premier signal d’entrée par la différence entre les deux autres signaux d’entrée pour obtenir un premier produit, et la détermination du deuxième défaut de décalage angulaire peut comprendre la multiplication du deuxième signal d’entrée par la différence entre les deux autres signaux d’entrée pour obtenir un deuxième produit.
Le premier produit peut être traité par un premier filtre et le deuxième produit peut être traité par un deuxième filtre. Le premier filtre et le deuxième filtre peuvent être différents, le premier filtre étant par exemple un filtre d’ordre 3 ou d’ordre 2 et le deuxième filtre étant notamment un filtre d’ordre 2 ou 1.
En variante, le premier et le deuxième filtre peuvent être identiques, par chacun un filtre d’ordre 1, d’ordre 2 ou d’ordre 3.
L’un au moins du premier et du deuxième filtre est notamment un filtre de Butterworth.
Chacun du premier filtre et du deuxième filtre est par exemple un filtre passe-bas. Comme on le verra par la suite, ces filtres peuvent présenter une fréquence de coupure constante, ou une fréquence de coupure variable. Pour un même instant, voire pour tout instant, la fréquence de coupure peut être la même entre le premier filtre et le deuxième filtre.
Le premier défaut de décalage angulaire peut être obtenu en effectuant une première combinaison linéaire de la sortie du premier filtre et de la sortie du deuxième filtre, et le deuxième défaut de décalage angulaire peut être obtenu en effectuant une deuxième combinaison linéaire de la sortie du premier filtre et de la sortie du deuxième filtre.
La compensation du premier et du deuxième défaut de décalage angulaire peut s’effectuer pour toute vitesse de rotation du rotor.
En variante, la compensation du premier et du deuxième défaut de décalage angulaire ne s’effectue que pour une plage de vitesse de rotation du rotor, le circuit de compensation dynamique de défaut de décalage angulaire recevant également en entrée la vitesse de rotation du rotor. Cette vitesse de rotation du rotor est par exemple obtenue en sortie du circuit estimant la position du rotor. La compensation de défaut de décalage angulaire ne s’effectue par exemple qu’au-delà d’une vitesse de rotation au rotor minimum. En deçà de cette vitesse de rotation minimum, qui est par exemple de 100, 200, 300, 400, 500, 600 ou 700 tr/min, aucune compensation de défaut de décalage angulaire entre le premier et le deuxième signal n’est alors effectuée, et les premier, deuxième et troisième signaux d’entrée sont directement transmis au circuit estimant la position du rotor. Le fait de ne pas effectuer de compensation de défaut de décalage angulaire pour les basses vitesses peut permettre d’éviter d’avoir à utiliser des filtres passe-bas trop sélectifs.
Que la compensation du défaut de décalage angulaire s’effectue sur toute la plage de fonctionnement de la machine ou non, lorsque le premier filtre et le deuxième filtre sont chacun un filtre passe-bas, la fréquence de coupure de chaque filtre peut varier en fonction de la vitesse. Cette fréquence de coupure peut varier de façon continue ou de façon discontinue, occupant alors successivement des valeurs constantes. Le fait de faire varier chaque fréquence de coupure, ou au moins l’une de ces deux fréquences de coupure telle que celle du premier filtre seulement ou celle du deuxième filtre seulement, peut permettre de réaliser un compromis entre précision et rapidité de la réponse du circuit de compensation du défaut de décalage angulaire. Par exemple, des fréquences de coupure du premier et du deuxième filtre plus élevées pour des vitesses moindres permettent de déterminer rapidement la valeur du premier et du deuxième défaut de décalage angulaire, alors que des fréquences de coupure plus faibles pour des vitesses supérieures améliorent la précision.
Dans tout ce qui précède, le circuit estimant la position du rotor peut mettre en œuvre une boucle de contrôle et soustraire du signal en sortie de cette boucle de contrôle un signal d’erreur en position déterminé sur la base du premier et du deuxième défaut de décalage angulaire.
Dans tout ce qui précède, le dispositif peut encore comprendre un circuit de normalisation dynamique par l’amplitude de la première harmonique de chaque signal de capteur provenant d’un capteur de position, ce circuit de normalisation dynamique fournissant en sortie : le premier, le deuxième et le troisième signal d’entrée du circuit de compensation dynamique de défaut de décalage angulaire. Ce circuit de normalisation dynamique est ainsi disposé en amont du circuit de compensation de défaut de décalage angulaire. Ce circuit de normalisation dynamique est par exemple réalisé selon l’enseignement de la demande W02021/121770.
L’invention a encore pour objet, selon un autre de ses aspects, un ensemble comprenant :
- une machine électrique tournante pour la propulsion d’un véhicule hybride ou électrique, et
- un dispositif de commande de cette machine électrique, comprenant un dispositif de détermination tel que défini ci-dessus.
La machine électrique tournante est par exemple une machine synchrone, par exemple une machine synchrone triphasée ou une machine synchrone dont l’enroulement électrique de stator définit un double système triphasé. L’enroulement électrique de stator est par exemple formé par des fils ou par des barres conductrices reliées les unes les autres.
Dans tout ce qui précède, le rotor peut être un rotor à griffes. Ce rotor comprend alors une première et une deuxième roues polaires imbriquées, la première roue polaire définissant une série de griffes de forme globalement trapézoïdale, chaque griffe s'étendant axialement en direction de la deuxième roue polaire, la deuxième roue polaire définissant une série de griffes de forme globalement trapézoïdale, chaque griffe s'étendant axialement en direction de la première roue polaire. Un aimant permanent peut être reçu entre deux griffes consécutives circonférentiellement parlant pour le rotor.
En variante, le rotor peut être autre qu’un rotor à griffes, comprenant par exemple un paquet de tôles ou étant un rotor à cage.
Dans tout ce qui précède, le rotor peut comprendre un nombre de paires de pôles quelconque, par exemple trois, quatre, six ou huit paires de pôles.
Dans tout ce qui précède, la machine électrique peut comprendre un circuit de refroidissement du stator dans lequel circule du fluide tel que de l’air ou du liquide. Ce liquide peut être de l’eau ou de l’huile.
Le rotor peut être refroidi par ce même circuit de refroidissement ou par un autre circuit de refroidissement dans lequel circule de l’air, ou du liquide tel que de l’eau ou de l’huile.
La machine électrique peut présenter une puissance nominale mécanique comprise entre 4 kW et 35 kW, étant par exemple de 4 kW, 8 kW, 15 kW, 25 kW ou 35 kW, ou la machine électrique peut présenter une puissance nominale mécanique comprise entre 40kW et 400kW, étant par exemple de 40kW, 80 kW, 100 kW, 150 kW, 180 kW, 200 kW, 300kW ou 400 kW.
Cette machine électrique tournante peut être alimentée électriquement depuis une unité de stockage d’énergie électrique via un onduleur/redresseur de l’ensemble, cet onduleur/redres- seur permettant, selon que la machine électrique fonctionne en moteur ou en génératrice, de charger un réseau de bord du véhicule ou d’être électriquement alimenté depuis ce réseau.
La tension nominale de l’unité de stockage d’énergie électrique peut être de 12 V, 48 V ou avoir une autre valeur, par exemple une autre valeur supérieure à 300 V.
La machine électrique tournante peut encore comprendre une poulie ou tout autre moyen de liaison vers le reste du groupe motopropulseur du véhicule. La machine électrique est par exemple reliée, notamment via une courroie, au vilebrequin du moteur thermique du véhicule. En variante, la machine électrique est reliée à d’autres emplacement du groupe motopropulseur, par exemple à l’entrée de la boîte de vitesses du point de vue du couple transitant vers les roues du véhicule, en sortie de la boîte de vitesses du point de vue du couple transitant vers les roues du véhicule, au niveau de la boîte de vitesses du point de vue du couple transitant vers les roues du véhicule, ou encore sur l’essieu avant ou l’essieu arrière de ce groupe motopropulseur.
La machine électrique tournante n’est pas nécessairement une machine synchrone, pouvant être une machine asynchrone.
L’invention a encore pour objet, selon un autre de ses aspects, un procédé de détermination de la position angulaire d’un rotor de machine électrique tournante sur la base d’uniquement trois signaux de capteur fournis par des capteurs de position, dans lequel on utilise un dispositif de détermination tel que défini précédemment.
Tout ou partie de ce qui a été mentionné précédemment s’applique encore à cet autre aspect de l’invention.
Ce procédé de détermination est par exemple intégré à un procédé de contrôle de la machine électrique, dans lequel la position angulaire du rotor déterminée comme ci-dessus est utilisée pour contrôler le couple moteur et/ou le courant de l’unité de stockage d’énergie électrique.
Ce procédé de détermination peut être mis en œuvre par un produit programme d’ordinateur, qui, lorsqu’il est lu par le dispositif de commande de machine tournante électrique, permet de mettre en œuvre les étapes de réalisation dudit procédé, ledit produit programme d’ordinateur pouvant être stocké sur un support lisible par ledit dispositif de commande.
L’invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre d’un exemple non limitatif de mise en œuvre de celle-ci et à l’examen du dessin annexé sur lequel :
[Fig.l] représente de façon schématique et en coupe axiale un exemple de machine électrique tournante à laquelle peut s’appliquer l’invention,
[Fig.2] représente en élévation un autre type de rotor que celui de la figure 1
[Fig.3] représente de façon schématique le dispositif de détermination de la position du rotor de la machine selon un exemple non limitatif de mise en œuvre de l’invention, [Fig.4] représente de façon schématique un détail de la figure 3,
[Fig.5] représente un exemple de filtre pouvant être utilisé pour réaliser la partie du circuit de compensation de la figure 3,
[Fig.6] représente de façon schématique un autre détail de la figure 3,
[Fig.7] représente de façon schématique encore un autre détail de la figure 3, et
[Fig.8] correspond à des courbes de réponse permettant d’illustrer un effet de l’invention.
On a représenté sur la figure 1 une machine électrique tournante 1 polyphasée, notamment pour véhicule automobile, à laquelle peut s’appliquer l’invention.
Cette machine électrique tournante peut former un alternateur ou un altemo-démarreur du véhicule. Cette machine électrique tournante peut être alimentée via un composant électronique de puissance 9 comprenant un onduleur/redresseur par une batterie dont la tension nominale est de 12 V ou 48 V ou d’une valeur supérieure à 300 V, par exemple.
La machine électrique tournante 1 comporte un carter 2. A l'intérieur de ce carter 2, elle comporte, en outre, un arbre 3, un rotor 4 solidaire en rotation de l’arbre 3 et un stator 5 entourant le rotor 4. Le mouvement de rotation du rotor 4 se fait autour d’un axe X. Dans cet exemple, le carter 2 comporte un palier avant 6 et un palier arrière 7 qui sont assemblés ensemble. Ces paliers 6, 7 sont de forme creuse et portent, chacun, centralement un roulement à billes 10, 11 respectif pour le montage à rotation de l'arbre 3.
Une poulie 12 est dans l’exemple considéré fixée sur une extrémité avant de l’arbre 3, au niveau du palier avant 6, par exemple à l’aide d’un écrou en appui sur le fond de la cavité de cette poulie. Cette poulie 12 permet de transmettre le mouvement de rotation à l’arbre 3 et elle peut être reliée via une courroie au vilebrequin du moteur thermique du véhicule.
L’extrémité arrière de l’arbre 3 porte, ici, des bagues collectrices appartenant à un collecteur et reliées par des liaisons filaires au bobinage. Des balais appartenant à un porte- balais 8 sont disposés de façon à frotter sur les bagues collectrices.
Le palier avant 6 et le palier arrière 7 peuvent comporter, en outre, des ouvertures sensiblement latérales pour le passage de l’air en vue de permettre le refroidissement de la machine électrique tournante par circulation d'air engendrée par la rotation d’un ventilateur avant 13 sur la face dorsale avant du rotor 4, c’est-à-dire au niveau du palier avant 6 et d’un ventilateur arrière 14 sur la face dorsale arrière du rotor, c’est-à-dire au niveau du palier arrière 7.
Dans cet exemple de réalisation, le stator 5 comporte un corps 15 en forme d'un paquet de tôles doté d'encoches, par exemple du type semi fermée ou ouverte, équipées d’isolant d’encoches pour le montage de l’enroulement électrique polyphasé du stator. Chaque phase comporte un enroulement 16 traversant les encoches du corps 15 et formant, avec toutes les phases, un chignon avant et un chignon arrière de part et d'autre du corps du stator. Les enroulements 16 sont par exemple obtenus à partir d’un fil continu recouvert d’émail ou à partir d’éléments conducteurs en forme de barre tels que des épingles reliées entre elles. L’enroulement électrique du stator est par exemple triphasé, mettant alors en œuvre un montage en étoile ou en triangle dont les sorties sont reliées au composant électronique de puissance 9.
Le rotor 4 de la figure 1 est un rotor à griffe. Il comporte deux roues polaires 17. La première roue polaire 17 est tournée vers le composant électronique de puissance 9 tandis que la deuxième roue polaire 17 est tournée vers la poulie 12.
Chacune des roues polaires 17 comprend un fond 18 s’étendant radial ement de part et d’autre de l’axe X, la roue définissant une série de griffes 19 de forme globalement trapézoïdale. Chaque griffe d’une roue polaire 17 s'étend axialement en direction de l’autre roue polaire depuis une base disposée sur la périphérie radialement extérieure du fond 18.
Le rotor 4 comporte encore, entre les portions radialement intérieures 20 et les griffes 19, une bobine bobinée sur un isolant de bobine 22.
Le rotor 4 peut également comporter des aimants permanents (non représentés) interposés entre deux griffes 19 voisines à la périphérie externe du rotor. En variante, le rotor 4 peut être dépourvu de tels aimants permanents.
Le rotor 4 peut encore être différent de celui représenté à la figure 1, étant par exemple formée par un empilement de tôles, comme représenté sur la figure 2.
Le nombre de paires de pôles défini par le rotor 4 peut être quelconque, par exemple être égal à trois, à quatre, à six ou à huit.
La machine comprend encore des capteurs de mesure 20 de la position du rotor 4, par exemple trois deux capteurs à effet Hall, regroupés dans un même boîtier en plastique et disposés de manière à ce que, parmi ces capteurs 20, deux paires de capteurs présentent un décalage angulaire électrique dont la valeur cible idéale est de 120°. Ainsi, un premier décalage angulaire entre le premier et le troisième capteur a une valeur cible de 120° et un deuxième décalage angulaire entre le premier et le deuxième capteur a une valeur cible de 120°.
Ces capteurs sont par exemple positionnés au niveau du palier arrière 7 de la machine et ils interagissent avec une cible magnétique solidaire en rotation du rotor.
Les signaux de capteur fournis par ces trois capteurs 20 sont utilisés par un dispositif de commande de la machine électrique tournante 1, comprenant un dispositif de détermination 100 de la position angulaire du rotor 4. Le dispositif de commande de la machine électrique tournante 1 peut être un ordinateur par exemple un microcontrôleur, ou un circuit intégré par exemple un EPGA ou un ASIC, capable de recevoir des signaux électriques et de les traiter, notamment les signaux de capteurs 20.
Le dispositif de détermination 100 de la position du rotor 4 va maintenant être décrit en référence aux figures 3 et suivantes.
Dans l’exemple de la figure 3, les signaux de capteur fournis par les trois capteurs 20 attaquent un circuit 105 de normalisation dynamique par l’amplitude de la première harmonique de chaque signal issu d’un capteur de position 20. Ce circuit 105 est par exemple tel que décrit dans la demande W02021/121770.
Comme on peut le voir sur la figure 3, les signaux en sortie de ce circuit 105 forment :
- une première entrée 110 pour un circuit 102 de compensation dynamique de défaut de décalage angulaire qui sera décrit ultérieurement, et
- une deuxième entrée 111 pour le circuit 102.
Dans un exemple non représenté, le circuit 105 n’est pas présent, de sorte que les signaux de capteur fournis par les trois capteurs 20 attaquent directement le circuit 102 de compensation dynamique de défaut de décalage angulaire.
La sortie du circuit 102 attaque dans l’exemple décrit un circuit 103 de compensation du biais existant dans les signaux issus du circuit 102, ce circuit 103 recevant également en entrée un registre 113 stockant des valeurs de biais prédéfinies. Le circuit 103 réalise par exemple un moyennage des échantillons.
La sortie du circuit 103 de compensation du biais attaque dans l’exemple considéré un circuit 104 estimant la position du rotor. Ce circuit 104 met ici en œuvre une boucle de contrôle de la position du rotor 4 (« PTL » en anglais). Comme on peut le voir sur la figure 3, un signal d’erreur en position 115 déterminé par le circuit 102 sur la base des défauts de décalage angulaire déterminés, comme cela sera expliqué ci-après, est soustrait du signal en sortie de la boucle de contrôle. Le résultat de cette soustraction forme la sortie du circuit 104 et correspond au signal représentatif de la position du rotor. Ce signal correspond également à la sortie du dispositif 100.
On va maintenant décrire en référence aux figures 4 à 7 de façon plus précise un exemple de circuit 102 de compensation dynamique de défaut de décalage angulaire.
Ce circuit 102 comprend un bloc 200 de détermination de façon dynamique de :
- la valeur d’un premier défaut de décalage angulaire au sein d’une paire de signaux d’entrée respectivement issus de signaux de capteur fournis capteurs de position 20, c’est-à- dire entre deux parmi le premier, le deuxième et le troisième signal d’entrée qui sont présents sur la première entrée 110, et
- la valeur d’un deuxième défaut de décalage angulaire au sein d’une autre paire de signaux d’entrée respectivement issus de signaux de capteur fournis capteurs de position 20, c’est-à- dire entre deux autres parmi le premier, le deuxième et le troisième signal d’entrée qui sont présents sur la première entrée 110.
Le défaut de décalage angulaire entre deux signaux d’entrée du circuit 102 de compensation dynamique est dans l’exemple considéré égal au décalage angulaire entre les deux signaux de capteur dont ces deux signaux d’entrée sont respectivement issus.
Un exemple de réalisation de ce bloc 200 est représenté sur la figure 4. Dans cet exemple, la détermination dynamique du premier défaut de décalage angulaire comprend la multiplication du premier signal d’entrée par la différence entre les deux autres signaux d’entrée pour obtenir un premier produit, et la détermination du deuxième défaut de décalage angulaire comprend la multiplication du deuxième signal d’entrée par la différence entre les deux autres signaux d’entrée pour obtenir un deuxième produit.
Le premier produit est ensuite traité par un premier filtre 212 et le deuxième produit est traité par un deuxième filtre 213. Le premier filtre 212 et le deuxième filtre 213 peuvent être différents, le premier filtre 212 étant par exemple un filtre d’ordre 3 ou d’ordre 2 et le deuxième 213 filtre étant notamment un filtre d’ordre 2 ou 1.
En variante, le premier et le deuxième filtre peuvent être identiques, étant par exemple chacun un filtre d’ordre 1, d’ordre 2 ou d’ordre 3.
Chacun du premier filtre 212 et du deuxième filtre 213 est par exemple un filtre passe- bas réalisé via un filtre de Butterworth d’ordre 2, tel que représenté de façon non limitative sur la figure 5.
Chacun des filtres passe-bas 212 et 213 peut présenter une fréquence de coupure variable en fonction de la vitesse de rotation du rotor. Par exemple, cette fréquence varie par morceaux, prenant des valeurs plus élevées pour des vitesses de rotation faibles et diminuant par palier lorsque la vitesse de rotation augmente. Pour tout instant, la fréquence de coupure est par exemple la même entre le premier filtre 212 et le deuxième filtre 213.
En variante, chaque filtre 212 et 213 peut présenter une fréquence de coupure constante.
Le premier défaut de décalage angulaire est alors obtenu en effectuant une première combinaison linéaire de la sortie du premier filtre 212 et de la sortie du deuxième filtre 213. Cette combinaison linéaire est par exemple une simple somme, les deux sorties de filtre étant simplement sommées.
Le deuxième défaut de décalage angulaire est ici obtenu en effectuant une deuxième combinaison linéaire de la sortie du premier filtre 212 et de la sortie du deuxième filtre 213. La sortie du premier filtre est ici multipliée par un gain 215, par exemple égal à 2, avant d’être sommée à la sortie du deuxième filtre 213.
En sortie 120 de ce bloc 200, on obtient ainsi de façon dynamique une première valeur de défaut de décalage angulaire au sein d’une paire de signaux d’entrée parmi les trois signaux d’entrée, et une deuxième valeur de défaut de décalage angulaire au sein d’une autre paire de signaux d’entrée parmi ces trois signaux d’entrée.
Dans l’exemple considéré, le bloc 200 présente une autre entrée 206. Cette entrée 206 correspond à un signal d’activation du bloc 200. En effet, dans une réalisation avantageuse, la compensation de chaque défaut de décalage angulaire n’est pas effectuée dans le dispositif 100 pour toute vitesse de rotation du rotor, mais elle ne s’effectue qu’ au-delà d’une vitesse de rotation au rotor minimum, par exemple qu’ au-delà de 100, 200, 300, 400, 500, 600 ou 700 tr/min. Lorsque le signal d’activation 206 est reçu par le bloc 200, ce dernier procède à la détermination de la valeur du premier défaut de décalage angulaire et du deuxième défaut de décalage angulaire. En pratique, et bien que non représenté, le circuit 102 peut alors recevoir en entrée un signal représentatif de la vitesse de rotation du rotor, et générer ou non le signal d’activation 206 en fonction de la valeur de cette vitesse de rotation.
La sortie 120 du bloc 200 est d’une part reçue en entrée d’un bloc 201 de détermination d’une transformation mathématique du système triphasé issu des trois capteurs 20 en un système diphasé. Ce bloc consiste à déterminer les coefficients d’une matrice de Clarke ou de Concordia compte-tenu du premier défaut de décalage angulaire et du deuxième défaut de décalage angulaire existant au sein des deux paires de signaux d’entrée.
Comme on peut le voir sur la figure 6, des opérations algébriques (produits, sommes... ) sont effectuées sur le premier défaut de décalage angulaire et sur le deuxième défaut de décalage angulaire, et des constantes sont ajoutées de manière à obtenir une matrice de transformation qui est ici une matrice de type 3*2. Une partie des coefficients de cette matrice est une fonction du premier défaut de décalage angulaire S02i et une autre partie des coefficients de cette matrice est une fonction du deuxième défaut de décalage angulaire 5031.
Dans le cas où les premier et deuxième défauts de décalage angulaire ont des valeurs faibles, par exemple inférieurs à 10°, cette matrice selon l’équation [Math. 1] peut se simplifier au premier ordre à une matrice selon l’équation [Math. 2] comme ci-dessous :
Dans le cas idéal où le premier défaut de décalage angulaire est nul et où le deuxième défaut de décalage angulaire est nul, la matrice déterminée par le bloc 201 serait une matrice de Clarke simplifiée à la convention de signe d’angle près, la troisième ligne n’étant pas utilisée comme suit selon l’équation [Math. 3] ci-dessous :
La matrice ainsi déterminée constitue l’entrée 112 d’un bloc 202 recevant également l’entrée 110 regroupant le premier signal d’entrée, le deuxième signal d’entrée et le troisième signal d’entrée du circuit 102.
Ce bloc 202 procède à la transformation du système triphasé présent sur l’entrée 110, ce système étant formé par le premier signal d’entrée, le deuxième signal d’entrée et le troisième signal d’entrée, en un système diphasé par l’application de la matrice sur l’entrée 112. Ce système diphasé est formé par deux signaux ne présentant pas d’erreur d’orthogonalité, au moins entre leurs fondamentaux respectifs.
Les deux signaux en sortie du bloc 202 présentent par exemple un décalage angulaire de 90° électriques ou de 90° mécaniques, selon le type de capteurs 20 utilisé.
La sortie 120 du bloc 200 est également reçue en entrée d’un bloc 203 dont la sortie forme le signal 115 présent dans le circuit 104 de détermination de la position du rotor, comme déjà décrit en référence à la figure 3. Un exemple de réalisation de ce bloc 203 est représenté sur la figure 7.
Ce bloc 203 consiste à appliquer un gain 220 à la différence entre les deux défauts de décalage angulaire déterminés par le bloc 200, dont la valeur est par exemple de 1/2.
La figure 8 représente sur une même échelle temporelle en abscisse :
- sur un graphe 300 l’évolution de la vitesse de rotation du rotor de la machine électrique telle que fournie par le dispositif 100,
- sur un graphe 301 l’évolution des signaux en entrée du circuit 102 de compensation dynamique de défaut de décalage angulaire, chacun issu d’un des capteurs de position 20, et
- sur un graphe 302 l’évolution de la valeur déterminée par le bloc 200 du circuit 102 pour le premier défaut de décalage angulaire et pour le deuxième défaut de décalage angulaire.
Dans cet exemple, le décalage angulaire électrique entre le deuxième signal d’entrée et le premier signal d’entrée du circuit 102 n’est pas de 120° mais présente une valeur de premier défaut de décalage angulaire de -2°, et le décalage angulaire électrique entre le troisième signal d’entrée et le premier signal d’entrée du circuit 102 n’est pas de 120° mais présente une valeur de deuxième défaut de décalage angulaire de 7°.
Le circuit 102 de compensation dynamique de défaut de décalage angulaire dont un exemple de mise en œuvre a été décrit ci -dessus est mis en marche à un instant to.
On constate en observant :
- la courbe 302 que les valeurs de -2° et de 7° sont obtenues pour le premier et le deuxième défaut de décalage angulaire en moins de 100ms, et
- la courbe 300 que la vitesse de rotation estimée s’améliore après compensation des défauts de décalage angulaire, comme l’atteste la disparition des harmoniques de rang 2.
L’invention n’est pas limitée à l’exemple de mise en œuvre qui vient d’être décrit.
En particulier, le circuit 102 de compensation dynamique de défaut de décalage angulaire peut agir indépendamment de la vitesse de rotation du rotor, c’est-à-dire dès le démarrage de la machine électrique. Dans ce dernier cas, la fréquence de coupure de chaque filtre 212 et 213 peut rester constante. En variante, dans ce dernier cas, la fréquence de coupure de chaque filtre 212 et 213 peut varier, comme décrit précédemment. La mise en œuvre de la détermination de la position angulaire du rotor 4 peut être réalisée par un produit programme d’ordinateur, qui, lorsqu’il est exécuté par le dispositif de commande de la machine électrique tournante 1, permet de réaliser le procédé de détermination de la position angulaire du rotor 4 de la machine électrique tournante 1 sur la base des trois signaux de capteurs 20 fournis par des capteurs de position, tel que décrit en référence aux Figures 3 à 8.
Ce produit programme d’ordinateur peut être enregistré sur un support de stockage lisible par le dispositif de commande afin de réaliser la mise en œuvre de la détermination de la position du rotor 4.

Claims

Revendications
1. Dispositif de détermination (100) de la position angulaire d’un rotor (4) de machine électrique tournante sur la base d’uniquement trois signaux de capteur fournis par des capteurs de position (20), ces signaux étant un premier signal de capteur, un deuxième signal de capteur, et un troisième signal de capteur, décalés d’une valeur idéale cible de 120°, dispositif comprenant :
- un circuit (104) estimant la position du rotor, notamment via la réalisation d’une boucle de contrôle, ce circuit (104) fournissant en sortie un signal représentatif de la position du rotor, et
- un circuit (102) de compensation dynamique de défaut de décalage angulaire, ce circuit recevant en entrée : un premier signal d’entrée issu du premier signal de capteur, un deuxième signal d’entrée issu du deuxième signal de capteur, et un troisième signal d’entrée issu du troisième signal de capteur, ce circuit de compensation dynamique (102) de défaut de décalage angulaire fournissant en sortie un signal transmis vers le circuit (104) estimant la position du rotor, ce circuit (102) de compensation dynamique de défaut de décalage angulaire étant configuré pour :
- déterminer de façon dynamique la valeur d’un premier défaut de décalage angulaire au sein d’une paire des signaux d’entrée et la valeur d’un deuxième défaut de décalage angulaire au sein d’une autre paire des signaux d’entrée,
- transformer le système formé par le premier signal d’entrée, le deuxième signal d’entrée et le troisième signal d’entrée en un système diphasé par une transformation mathématique en utilisant le premier et le deuxième défaut de décalage angulaire déterminés de manière à ce que les deux signaux de ce système diphasé présentent un décalage angulaire de 90° entre leurs fondamentaux.
2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel la transformation du système formé par le premier signal d’entrée, le deuxième signal d’entrée et le troisième signal d’entrée en un système diphasé consiste à appliquer à ce système une matrice dont tout ou partie des coefficients sont déterminés en fonction du premier défaut de décalage angulaire (5021) ou du deuxième défaut de décalage angulaire (5031).
3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, chaque défaut de décalage angulaire entre une paire de signaux d’entrée déterminée de façon dynamique par le circuit (102) étant liée au décalage angulaire mécanique entre les deux signaux de capteurs dont sont issus ces signaux d’entrée.
4. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, chaque défaut de décalage angulaire entre une paire de signaux d’entrée déterminée de façon dynamique par le circuit (102) étant liée au décalage angulaire électrique entre les deux signaux de capteurs dont sont issus ces signaux d’entrée.
5. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la détermination dynamique du premier défaut de décalage angulaire (ÔO21) comprend la multiplication du premier (200) signal d’entrée par la différence entre les deux autres signaux d’entrée pour obtenir un premier produit, et dans lequel la détermination du deuxième défaut de décalage angulaire (ÔO31) comprend la multiplication du deuxième (201) signal d’entrée par la différence entre les deux autres signaux d’entrée pour obtenir un deuxième produit.
6. Dispositif selon la revendication 5, dans lequel le premier produit est traité par un premier filtre et le deuxième produit est traité par un deuxième filtre, l’un au moins du premier (212) et du deuxième filtre (213) étant notamment un filtre de Butterworth.
7. Dispositif selon la revendication 6, dans lequel le premier défaut de décalage angulaire (5021) est obtenu en effectuant une première combinaison linéaire de la sortie du premier filtre (212) et de la sortie du deuxième filtre (213), et dans lequel le deuxième défaut de décalage angulaire (5031) est obtenu en effectuant une deuxième combinaison linéaire de la sortie du premier filtre (212) et de la sortie du deuxième filtre (213).
8. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la compensation de défaut de chaque décalage angulaire s’effectue pour toute vitesse de rotation du rotor.
9. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel la compensation de défaut de chaque décalage angulaire ne s’effectue que pour une plage de vitesse de rotation du rotor, le circuit (102) de compensation dynamique de défaut de décalage angulaire recevant également en entrée la vitesse de rotation du rotor.
10. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 4 à 6 et selon la revendication 9, chacun du premier filtre (212) et du deuxième filtre (213) étant un filtre passe-bas, et la fréquence de coupure de chaque filtre (212, 213) variant en fonction de la vitesse, notamment diminuant lorsque la vitesse augmente.
11. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le circuit (104) estimant la position du rotor met en œuvre une boucle de contrôle et soustrait du signal en sortie de cette boucle de contrôle un signal d’erreur en position (115) déterminé sur la base du premier et du deuxième défaut de décalage angulaire.
12. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant encore un circuit (105) de normalisation dynamique par l’amplitude de la première harmonique de chaque signal de capteur provenant d’un capteur de position (20), ce circuit fournissant en sortie le premier, le deuxième, et le troisième signal d’entrée du circuit (102) de compensation dynamique de défaut de décalage angulaire.
13. Ensemble comprenant :
- une machine électrique tournante pour la propulsion d’un véhicule hybride ou électrique, et
- un dispositif de commande de cette machine électrique, comprenant un dispositif de détermination (100) selon l’une quelconque des revendications précédentes.
14. Procédé de détermination de la position angulaire d’un rotor (4) de machine électrique tournante sur la base d’uniquement trois signaux de capteur fournis par des capteurs de position, dans lequel on utilise un dispositif de détermination (100) selon l’une quelconque des revendications 1 à 12.
15. Produit programme d’ordinateur comprenant des instructions qui conduisent l’ensemble selon la revendication 13 à exécuter les étapes du procédé selon la revendication 14.
16. Support lisible par ordinateur, sur lequel est enregistré le programme d’ordinateur selon la revendication 15.
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