FR2623033A1 - Estimateur de position de rotor pour moteur a reluctance commutee - Google Patents
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Abstract
La présente invention concerne un estimateur de position indirect pour un moteur à réluctance commutée 10, qui applique des impulsions brèves et à bas niveau à deux phases non alimentées du moteur. Un changement du courant de phase pendant une période d'échantillonnage, résultant de l'application d'une impulsion, est détecté et traité pour produire une indication d'une paire d'angles estimés pour chaque phase non alimentée. Une paire d'angles est décalée et comparée aux angles de la seconde paire. Les angles qui se correspondent fournissent un signal indicatif de la position instantanée du rotor. Si une phase du stator change d'état, un signal theta correspondant à une position extrapolée du rotor est produit 62.
Description
14 2623033
ESTIMATEUR DE POSITION DE ROTOR
POUR MOTEUR A RELUCTANCE COMMUTEE
La présente invention concerne de façon générale un appareil et un procédé pour estimer la position du rotor d'un moteur à réluctance variable fonctionnant sans détecteur de position d'arbre et plus précisément l'estimation de la position du rotor à partir des caractéristiques d'inductance de phases du
stator non-alimentées.
Bien qu'ils soient connus depuis un certain temps, l'intérêt pour les moteurs à réluctance commutée (SRM) s'est récemment avivé. En comparaison des systèmes d'entraînement de moteurs synchrone et à induction classiques, le moteur SRM est de constitution simple et économique. En outre, l'onduleur qui applique de la puissance à une machine SRM nécessite moins de dispositifs de puissance et est en conséquence plus économique et plus fiable. En raison de ces avantages, un système d'entraînement à moteur à réluctance commutée constitue une alternative attrayante à des systèmes d'entraînement classiques et l'on s'attend à ce qu'ils se répandent beaucoup dans des
applications industrielles.
Les moteurs à réluctance commutée ont de façon classique
de nombreux pôles ou dents sur le stator et le rotor, c'est-à-
dire qu'ils sont à double saillies. Il existe des enroulements de phase sur le stator mais aucun enroulement ou aimant sur le rotor. Chaque paire de pôles diamétralement opposés du stator est connectée en série pour former une phase indépendante du moteur à
réluctance commutée polyphasé.
Un couple est produit en commutant le courant dans chaque enroulement de phase selon une séquence prédéterminée qui est synchronisée avec la position angulaire du rotor, de sorte qu'une force d'attraction magnétique en résulte entre les pôles du rotor et du stator qui s'approchent les uns des autres. Le courant est coupé lors de chaque phase avant que les pôles du rotor les plus proches des pôles du stator de cette phase tournent au-delà de la position alignée; autrement, la force d'attraction magnétique produirait un couple négatif ou de freinage. Le couple développé est indépendant de la direction du courant de sorte que les impulsions de courant unidirectionnel synchronisées avec les déplacements du rotor peuvent être appliquées aux enroulements de phase du stator par un convertisseur utilisant des éléments de commutation de courant
unidirectionnels tels que des thyristors ou des transistors.
Le moteur à réluctance commutée fonctionne en commutant les courants de phase du stator en synchronisme avec la position du rotor. En positionnant convenablement les impulsions de déclenchement par rapport à l'angle du rotor, un fonctionnement en avant ou en arrière et une fonction de surveillance ou de
génération peuvent être obtenus.
Habituellement, la commutation désirée du courant de phase est réalisée en renvoyant un signal de position de rotor à un dispositif de commande à partir d'un détecteur de position d'arbre, par exemple un codeur ou un séparateur. Pour des raisons de coût dans des petits moteurs et des raisons de fiabilité dans de plus grands moteurs et pour réduire la dimension, le poids et l'inertie de tels moteurs, il est souhaitable d'éliminer ce
détecteur de position d'arbre.
Dans ce but, diverses approches ont précédemment été proposées pour détecter de façon indirecte la position du rotor
en contrôlant les tensions et les courants aux bornes du moteur.
Une telle approche, dite de détection de forme d'ondes, se base sur les forces contre-électromotrices et est en conséquence peu
fiable à vitesse faible et inactive à vitesse nulle.
Les brevets des Etats-Unis d'Amérique 4 611 157 et 4 642 543 de la demanderesse décrivent des essais qui ont été faits sur la stabilisation dynamique de moteurs à réluctance commutée en renvoyant le courant de liaison continu moyen plutôt que la position de l'arbre. De tels dispositifs de commande sont limités par la nature moyenne de leurs informations de réaction et par la tendance au glissement au démarrage. Alors qu'ils s'appliquent bien à des applications du type ventilateur et soufflerie, ces dispositifs de commande ne s'appliquent pas à des applications du type moteur asservi dans lesquelles une commande précise de
vitesse et/ou de position est requise.
Le brevet des Etats-Unis d'Amérique n 4 520 302 intitulé "Stepping Motors and Drive Circuits Therefor" note que l'inductance d'un enroulement de phase dépend de la position du rotor et varie sensiblement sinusoïdalement d'un maximum à un minimum tandis que le rotor avance d'un pas de pôle. Selon ce brevet, la variation d'inductance provoque des variations correspondantes de certaines caractéristiques du courant de phase qui peuvent être détectées pour fournir une indication indirecte de la position du rotor. La circulation de courant à travers un
enroulement de phase alimenté ou non-alimenté peut être détectée.
Dans le cas d'un circuit de commande du type hacheur, les caractéristiques du courant qui sont mesurées peuvent être le temps de montée du courant, le temps de descente du courant, ou la fréquence de hachage. Bien que diverses mises en oeuvre soient suggérées dans ce brevet, elles apparaissent toutes comme impliquant une recherche d'une valeur d'inductance connue, par exemple minimale, sur la base des changements du courant de phase mesuré et toute ambiguité dans la position détectée de l'inductance cible est éliminée en considérant si la caractéristique du courant détecté est en train de croître ou de décroître avec la position du rotor (voir colonne 6 lignes 62 et et colonne 8 lignes 12-19). Cette approche pour résoudre l'ambiguité suppose que le moteur se déplace dans une direction donnée. En conséquence, elle n'est pas efficace quand le moteur démarre à partir d'un état de repos. Cette dernière limitation est particulièrement importante dans les systèmes asservis o on
ne peut tolérer d'avoir un glissement au démarrage.
L'approche d'estimation indirecte de position de rotor et de réaction du brevet des Etats-Unis d'Amérique N 4 520 302 est également exposée dans un article ayant pour titre "Detection of Rotor Position in Stepping and Switched Motors by Monitoring of Current Wave Forms" publié dans IEEE Transactions on
Industrial Electronics, vol IE-32, N 3, Août 1985, pages 215-
222. Dans une application de leur approche à un entraînement à pas de très petites dimensions, les auteurs de cet article recommandent de détecter la caractéristique de hachage du courant de phase dans les deux phases non excitées d'un moteur quadriphasé. Les auteurs exposent que ceci est important "parce que la pente de chaque caractéristique inductance/position approche de zéro à une extrémité de la gamme de position". Pour des points intermédiaires dans la gamme, cette approche antérieure se base apparemment sur la direction prédéterminée de la rotation du moteur pour résoudre des ambiguités en ce qui
concerne la position du rotor.
Dans les moteurs à réluctance commutée, contrairement au moteur pas à pas de petites valeurs, il n'existe pas toujours deux phases du stator non excitées qui peuvent être détectées. En outre, il se produit des cas o il est essentiel d'établir la position du rotor sans savoir, ou sans pouvoir supposer, la direction de rotation du rotor, par exemple quand on démarre un moteur asservi. Il existe donc toujours le besoin pour un procédé et un appareil de mise en oeuvre de ce procédé qui puissent estimer avec précision la position instantanée du rotor dans un SRM quel que soit la vitesse ou le sens de rotation du moteur et
sans recourir à un détecteur de position du rotor.
Selon la présente invention, ce besoin est satisfait et les inconvénients de l'art antérieur sont évités par un procédé d'estimation unidirectionnel de position de rotor qui mesure simultanément des changements de courant dans deux phases au repos, traite les mesures pour fournir une paire d'angles de rotor possible pour chaque phase, et combine les angles d'une façon qui produit une estimation spécifique de la position instantanée du rotor. Si deux phases du SRM ne restent pas non alimentées pendant la période d'échantillonnage ou si une phase quelconque du moteur subit un changement d'état pendant la période d'échantillonnage, la présente invention fournit une position de rotor extrapolée au lieu de la position de rotor instantanée estimée. De préférence, l'extrapolation comprend une estimation récursive du type des moindres carrés avec un processus de rejet exponentiel pour déterminer la vitesse du
rotor.
Un appareil pour mettre en oeuvre le procédé selon la présente invention comprend des circuits logiques de commande de détection d'impédance pour déterminer quelles phases d'un SRM sont présentement non-alimentées et pour appliquer une impulsion
d'échantillonnage à chacune des phases non-alimentées.
L'impulsion d'échantillonnage a une durée courte, d'o il résulte une accumulation négligeable de courant de phase et un déplacement négligeable du rotor. L'application de l'impulsion d'échantillonnage entraîne un changement du courant dans chacune des phases non-alimentées. Le changement du courant pendant une durée d'échantillonnage définie est détecté par un détecteur de courant associé à chaque phase non-alimentée. A partir du changement détecté de courant, une valeur d'inductance estimée est fournie pour chaque phase non-alimentée et, ou bien directement ou bien à partir de valeurs d'inductance estimées qui en sont déduites, une paire d'angles de rotor estimés correspondant à la valeur d'inductance estimée pour chacune des phases non-alimentées est établie. Un combinateur d'angles décale
une paire d'angles estimés associés à une telle phase non-
alimentée d'une valeur égale à un décalage de phase connu d'une seconde telle phase non-alimentée, et compare la paire décalée d'angles estimés à la paire d'angles estimés pour la seconde
telle phase pour déterminer lesquels des angles se correspondent.
Une position angulaire instantanée estimée du rotor égale à l'angle d'adaptation est produite. Un extrapolateur produit une position angulaire de rotor extrapolée et produit un signal de sortie représentant la position extrapolée du rotor au lieu de la position instantanée estimée si l'une quelconque des phases du stator du moteur subit un changement d'état pendant la période d'échantillonnage ou si les deux phases non-alimentées du moteur ne restent pas non-alimentées au cours de la période d'échantillonnage. L'appareil décrit ci-dessus peut avantageusement être mis en oeuvre au moyen d'un microprocesseur unique. Selon un autre aspect de l'invention, l'appareil d'estimation de position de rotor peut être combiné à un dispositif de commande et à un onduleur pour former une commande en boucle fermée pour un moteur
à réluctance commutée.
En conséquence, un objet de l'invention est de prévoir un procédé et un appareil d'estimation indirecte de la position instantanée d'un rotor qui évite le besoin d'un détecteur de position de rotor et réduit les colts, améliore la fiabilité et
réduit le poids et l'encombrement de l'appareil.
Un autre objet de la présente invention est de permettre une mesure précise de la position du rotor par l'intermédiaire des bornes du moteur, en permettant d'utiliser des connexions existantes pour l'alimentation du moteur et la détermination de
position du rotor.
Un autre objet de la présente invention est de prévoir un estimateur de position du rotor qui est effectif quel que soit
la vitesse ou le sens de rotation du moteur.
D'autres objets sont de prévoir un estimateur de position du rotor qui fournisse des informations de position en continu et de façon non-ambigUe en temps réel, s'accommode des interférences de couplage de phase, soit facile à mettre en oeuvre sous forme d'un microprocesseur, et soit tout particulièrement adapté à être utilisé à un asservissement de position et à d'autres applications de moteur à hautes performances. Ces objets, caractéristiques et avantages ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés plus en détails
dans la description suivante de modes de réalisation particuliers
faite en relation avec les dessins joints parmi lesquels: la figure 1 est une représentation sous forme de blocs d'un système de moteur SRM utilisant un détecteur de position de rotor; la figure 2 est un diagramme de formes d'ondes représentant l'inductance en fonction de la position du rotor pour trois phases du stator; la figure 3 est un schéma sous forme de blocs d'un système de commande de SRM incorporant un estimateur de position de rotor selon la présente invention; et la figure 4 est un schéma sous forme de blocs d'un circuit de combinaison et d'extrapolation d'angles utile à la
mise en oeuvre de la présente invention.
La figure 1 représente un système d'entraînement classique pour un moteur à réluctance commutée 10 utilisant typiquement un détecteur de position 12 pour mesurer la position angulaire du rotor 14. Le signal de sortie du détecteur de position 12 est mis en forme dans un circuit de mise en forme de signaux 16 qui fournit à un contrôleur 18 un signal électrique représentatif de l'angle du rotor. De façon bien connue, le contrôleur 18 fournit des signaux de commutation à un onduleur 20
qui produit lui-même des signaux de commande pour le moteur 10.
Typiquement, des détecteurs de courant couplés à un circuit régulateur de courant (non représenté) sont utilisés pour réguler
le courant fourni au moteur.
Selon la présente invention, le détecteur de position d'arbre et le conditionneur de signal du système de l'art antérieur sont éliminés et au lieu de cela une position angulaire de rotor estimée, produite par un estimateur de position, est
fournie en tant que signal d'entrée au dispositif de commande.
En raison des saillies existant dans le rotor et dans le stator d'un moteur à réluctance commutée, l'inductance vue des bornes des enroulements de phase du stator dépend fortement de la position du rotor. Puisqu'un ou plusieurs des enroulements de phase sont commutés à la coupure à tout instant donné, il est possible de sonder l'enroulement au moyen d'un signal à bas niveau et de déterminer son impédance d'entrée. Cette information, associée à une connaissance de la relation fonctionnelle entre l'inductance et la position rendent possible de déterminer la position angulaire du rotor à partir seulement de mesures électriques, ce qui élimine le besoin d'un détecteur
de position d'arbre.
La relation instantanée entre la tension v et le courant I dans une machine tournante est donnée par: v = Ir + (df/dt) (1) o v représente le couplage de flux ou, en terme de courant: v = Ir + L(di/dt) + I(dL/dt) (2) o L est l'inductance de la machine vue des bornes du stator et r est la résistance du stator. Dans le moteur à réluctance commutée, puisque l'inductance L est fonction de la position: v = Ir + L(di/dt) + I(dL/de) (dG/dt) (3) et puisque la vitesse du rotor o = dO/dt, v = Ir + L(di/dt) + IO(dL/dO) (4) Au cours d'une phase qui suit immédiatement la mise en route, le courant de phase est faible et en conséquence la chute IR et les termes de forme contre-électromotrice dans l'équation (4) sont petits. La relation de tension aux bornes se ramène à: v = L(di/dt) (5) La stratégie générale utilisée dans la présente invention pour estimer la position du rotor consiste à alimenter une phase non-alimentée pendant une durée suffisamment courte pour que l'accumulation de courant et le déplacement du rotor soient négligeables. Dans ce cas, l'inductance de la phase peut être considérée comme approximativement égale à: L = v(At/AI) (6)
o le symbole "^" signifie valeur estimée.
En utilisant cette estimation de l'inductance, la position du rotor peut être estimée par:
= G-1(L) (7)
o L= G(e) (8) L'idée d'utiliser la pente de la croissance initiale du courant dans une phase non-alimentée pour déterminer l'inductance et ainsi la position du rotor est connue. Toutefois, les demandeurs ont découvert, que pour déterminer de façon univoque la position du rotor quand le sens de déplacement du moteur est
inconnu, il est nécessaire d'échantillonner plus d'une phase.
Ceci est lié au fait que la fonction L = G(O) n'est pas une fonction à valeur unique; toutefois, cette fonction est périodique de sorte que les mesures en provenance de deux phases sont suffisantes pour déterminer la position du rotor de façon
univoque.
La figure 2 est un schéma de formes d'ondes illustrant l'inductance L d'une phase en fonction de la position Odu rotor pour un SRM triphasé. Les phases sont désignées par C, A et B et la valeur d'inductance associée à chacune des phases C, A et B, respectivement porte un indice correspondant, bien que seulement LC et LA soient représentés en figure 2 puisque la figure
représente un instant o les phases C et A sont non-alimentées.
Tout cela est clair à partir de la figure 2, sauf aux extrêmes de la forme d'onde de l'inductance, il y a pour chaque phase deux angles de rotor possible associés à chaque valeur d'inductance, par exemple des angles OC1 et eC2 de valeur d'inductance Lc. En conséquence, pour établir une position de rotor estimée unique, deux mesures sur des phases différentes sont combinées. Si, par exemple, à un instant particulier, l'inductance estimée pour la phase non-alimentée C est LC et que la valeur d'inductance estimée pour la phase non-alimentée A est LA, alors les paires d'angles estimés associées à ces phases respectives seront OC1 et 8C2, et OA! et 8A2, respectivement. Comme on peut le voir à partir de la figure 2, l'un des angles de phase A, à savoir 8A1 et l'un des angles de phase C 8C2 seront égaux et les autres ne le seront pas. Les angles qui se correspondent représentent la position
réelle du rotor.
En pratique, cette étape de combinaison d'angles est réalisée en acquérant les deux estimations d'angle des deux phases non-alimentées, en décalant les estimations d'angle d'une phase du décalage angulaire entre les phases puis en comparant
les résultats pour déterminer quels angles se correspondent.
Dans un moteur à réluctance commutée, il peut y avoir des positions de rotor pour lesquelles deux phases de stator ne sont pas libres pour un échantillonnage puisque le courant dans une phase est encore en train de décroître et le courant dans l'autre phase est encore en train de croître; en d'autres termes, une seule phase, par exemple dans une machine triphasée, est complètement non-alimentée. Dans de tels cas o deux phases sont indisponibles pour l'échantillonnage, la présente invention extrapole l'angle jusqu'à ce que l'échantillonnage soit à nouveau possible. Comme cela sera exposé plus complètement ci-après, l'extrapolateur préféré utilise un estimateur récursif des moindres carrés à rejet exponentiel pour estimer la vitesse du rotor. Si l'une des phases actives se coupe pendant une détection de courant à bas niveau dans les phases inactives, un pic de bruit survient dans le signal détecté. Ainsi, la présente invention utilise l'extrapolation chaque fois qu'un changement d'état survient dans une phase alimentée pendant la période
d'échantillonnage.
Un mode de réalisation particulier de l'estimateur de position 30 selon la présente invention est représenté en figure 3, incorporé dans un système de commande relatif à un exemple de moteur triphasé à réluctance commutée 10. Ce système de commande fonctionne de la même façon fondamentale que cela a été précédemment décrit en relation avec le système de l'art antérieur de la figure 1 sauf que le contrôleur 18 reçoit un angle de rotor instantané estimé 8 à partir de l'estimateur de position 30, et que l'onduleur 20 est alimenté non seulement par des signaux de commutation sur une ligne 32 en provenance du contrôleur 18 mais également par des impulsions de détection de courte durée et à faible niveau sur une ligne 34 à partir de l'estimateur de position 30. Les ordres de commutation sur la -ligne 32 et les impulsions de détection sur la ligne 34 sont transmises par l'intermédiaire d'une porte OU 36 avant d'entrer
dans l'onduleur 20. Comme cela sera décrit plus complètement ci-
après, les ordres de commutation sont également détectés par des
circuits logiques de commande dans l'estimateur de position 30.
En ce qui concerne les figures, on notera que, dans les diverses figures, des -éléments communs sont indiqués par des références numériques communes. Egalement, par souci de clarté de la représentation, des lignes triples sont parfois représentées sous forme d'une ligne simple avec une barre oblique en travers
et le nombre 3 à côté.
Comme on le voit en figure 3, des détecteurs de courant 38, 40 et 42 pour les phases A, B, C, respectivement, sont disposés entre la sortie de l'onduleur 20 et l'entrée du moteur 10. Le courant détecté IA, IB, et IC, pour chaque phase respective, est transmis par l'intermédiaire d'un convertisseur analogique numérique 44, 46, 48, respectivement, puis traité, de la façon qui sera plus complètement décrite ci-après par l'estimateur de position 30. De même, une tension de liaison continue VDC en provenance de l'onduleur 20 est transmise par un convertisseur analogique/numérique 50 puis fournie à l'estimateur
de position 30.
L'estimateur de position 30 comprend un circuit logique de commande de détection d'impédance 52 qui actionne sélectivement les divers convertisseurs analogique/numérique. Le circuit logique de commande 52 détecte également les ordres de commutation sur la ligne 32 et les niveaux de courant de phase sur la ligne 54 pour détecter quelles phases sont non-alimentées à des instants différents. Un temporisateur 56 est connecté au circuit logique de commande pour faciliter les opérations de synchronisation. Le circuit logique de commande 52 fournit également un signal électrique représentatif de la tension V à un bloc de calcul 58. Ce bloc de calcul fournit une valeur d'inductance estimée LA pour la phase A, en accord avec l'équation (6) énoncée ci-dessus et fournit cette valeur à un bloc de fonction 60 qui, de toute façon connue, par exemple une table de consultation, établit les deux angles de rotor estimés 8A1 et ÈA2 correspondant à la valeur d'inductance estimé LA. La paire d'angles estimés pour la phase A est alors fournie à un combinateur/extrapolateur
d'angle 62.
Dans les blocs appelés canal B et canal C en figure 3, des opérations similaires à celles réalisées par les blocs 58 et sont réalisées pour les phases B et C, respectivement, fournissant une paire d'angles estimés 8Bl et ÈB2 pour la phase B et une paire d'angles estimés 8C1 et 8C2 pour la phase C. Les paires d'angles estimés pour les phases B et C, comme celles correspondant à la phase A, sont fournies à un combinateur/extrapolateur d'angle 62. Le combinateur/extrapolateur d'angle, d'une façon qui sera décrite ci-après, combine les paires d'angles estimés pour les différentes phases et produit à partir de là une position de
rotor instantanée destinée à être utilisée par le contrôleur 18.
En fonctionnement, le circuit logique de commande de détection d'impédance 52 surveille les ordres de commutation produits par le contrôleur 18 et le courant de phase sur la ligne
54 pour déterminer quelles phases sont initialement non-
alimentées. Le circuit logique de commande 52 applique alors une impulsion de faible niveau et de courte durée sur la ligne 34 qui est transmise par la porte OU 36 à l'onduleur 20 pour chaque phase non- alimentée. Ces impulsions de détection amènent l'inverseur à commuter sur les phases non-alimentées pendant une très courte durée. Le détecteur de courant 38, 40 ou 42, associé à chacune des phases non-alimentées respectives répond au début du passage du courant qui, dans les phases non-alimentées précédentes, commence à monter selon la relation inductive. Après une durée prédéterminée, pré-établie par la logique de commande,
après le début de l'alimentation d'une phase précédemment non-
alimentée, la logique de commande de détection d'impédance mesure le courant sur chacune de ces phases et commute alors les phases
à la coupure par l'intermédiaire de la ligne 34.
Le courant détecté au début et à la fin d'un intervalle d'échantillonnage (intervalle pendant lequel l'impulsion de détection est appliquée aux phases non-alimentées) ainsi que la tension de liaison continue mesurée V, sont traitées dans le bloc de calcul 58 pour la phase A et dans ses équivalents dans les canaux B et C, respectivement, pour les phases A, B et C, respectivement, pour produire une valeur d'inductance estimée pour chaque canal non-alimenté respectif. Un signal représentatif de la valeur d'inductance estimée pour chaque phase non-alimentée est fourni au bloc de fonction 60 et à ses équivalents dans les canaux B et C, respectivement, et les deux positions de rotor possibles correspondant à la valeur d'inductance estimée sont établies pour chaque canal non- alimenté. Un signal représentatif de la paire d'angles estimés pour chaque phase non-alimentée est fourni au combinateur/extrapolateur d'angles 62 dont le fonctionnement est commandé par la logique de commande de
détection d'impédance 52 par l'intermédiaire de la ligne 64.
La logique de commande 52 détermine l'état de chaque commande de commutation à la fin de la période d'échantillonnage pour déterminer si un changement d'état a pris place lors d'une
phase quelconque du stator pendant la période d'échantillonnage.
Si aucun changement d'état n'a pris place et si deux phases ont été nonalimentées au cours de la période d'échantillonnage, un combinateur d'angles 66 (voir figure 4) dont le combinateur./extrapolateur d'angle 62 combine les angles estimés en provenance des deux phases non-alimentées pour produire une position de rotor instantanée détectée OS. Les angles sont combinés en décalant d'abord un ensemble d'angles pour l'une des phases non-alimentées du décalage de phase connu entre les deux phases et en comparant ensuite les angles décalés à l'ensemble d'angles estimés pour la seconde phase pour déterminer lesquels des angles s'accordent. Les angles en accord définissent la
position instantanée détectée du rotor.
En parallèle avec le combinateur d'angles 66 agit un estimateur 68. L'estimateur est de préférence un estimateur récursif à moindres carrés à rejet exponentiel qui garde essentiellement trace de la vitesse O de la machine. L'estimateur est mis à jour en continu et élimine de la mémoire ou "rejette" les données plus anciennes de façon exponentielle. De tels estimateurs sont connus dans la technique et décrits dans des ouvrages et ne seront donc pas décrits plus en détail ici. La sortie de l'estimateur 68 est fournie à l'extrapolateur 70 qui, de façon connue, détermine une position extrapolée OE du rotor sur la base de la position de rotor précédemment détectée et de la vitesse estimée et du temps écoulé. La logique de commande 52 commande un commutateur 72 pour substituer la position de rotor extrapolée à la position de rotor détectée, si un changement d'état dans une phase quelconque survient ou si deux phases initialement non-alimentées ne restent pas non-alimentées au cours de la période d'échantillonnage. Le signal de sortie en provenance ducommutateur 72 représente la position instantanée
désirée 0 du rotor.
Les éléments de lrestimateur de position 30 représentés en figure 3 sont de préférence mis en oeuvre par un microprocesseur très rapide unique, tel que le TMS 320 de Texas Instruments. Un programme d'ordinateur pour mettre en oeuvre le processus selon la présente invention suit:
PROGRAMME ESTIMATEUR DE POSITION
Intervalle d'échantillonnage: T Vecteur de signal de déclen-
chement du contrôleur: X Temps de détection d'échantillon- Vecteur de courant de phase: nage: T1 I Cycle: T = 0; Démarrer l'horloge lire (Xl); Lire état de déclenchement initial du contrôleur lire (I); -Lire courant de phase XS = f(I, Xl); Déterminer ensemble de phases de détection déclencher (Xs); Déclencher phases de détection attendre (Tl); Se reposer ici un moment lire (Is); Lire courants de détection couper (Xs); Couper phases de détection lire (X2); Lire état de déclenchement final du contrôleur si Xl = X2, alors: Si état modifié ignorer les entrées extrapoler 8; autrement trouver 0,o à partir de Is; Fin si sortie (0); Fournir résultats
attendre (T - t); Attendre jusqu'à instant sui-
vant Fin
Une brève description du programme ci-dessus va
maintenant être présentée. Le processus commence par une initialisation de tous les éléments et alors les états de déclenchement du contrôleur sont lus. Fondamentalement, les phases du contrôleur qui sont mises en route sont lues et les courants de phase sont lus. Ensuite, l'ensemble de phases de détection est déterminé, c'est-à-dire les phases qui sont alimentées et en conséquence disponibles pour la détection. Des impulsions de détection sont ensuite appliquées aux phases disponibles, un intervalle spécifique est attendu et alors les courants de phases sont lus à nouveau. Les impulsions de détection sont ensuite coupées et les états de déclenchement final du contrôleur sont lus. Un changement dans l'état de déclenchement du contrôleur indique que l'une des phases est fermée ou ouverte et qu'il y aura du bruit dans la mesure; en conséquence les lectures détectées sont ignorées et l'extrapolation est mise en oeuvre. La ligne "si" dicte que l'angle doit être extrapolé si l'état initial et l'état final du déclenchement du contrôleur dans une phase quelconque ne sont pas identiques; autrement, la position angulaire du rotor et la vitesse sont indiqués à partir de l'ensemble de courants détectés, un signal représentatif de la positif angulaire du rotor est produit et, après un bref intervalle, l'étape d'attente
est répétée.
La relation suivante peut être utilisée pour déterminer un ensemble de phases détectées:
Fonction f(I,X) Déterminer ensemble de phases de dé-
tection Commencer Pour j: = à nombre de phases Xs(j> = X(j) = OFF et Il(j) ! < tolérance FIN; FIN; Le critère qui fait d'une phase un élément de l'ensemble de détection est que la phase est coupée, c'est-à-dire que le dispositif de commande n'est pas déclenché et que le courant dans cette phase est nul ou inférieur à un certain niveau de tolérance. Ces deux conditions doivent être satisfaites pour qualifier une phase comme nonalimentée. Chaque phase est
vérifiée pour voir si elle est qualifiée.
Le sous-programme d'extrapolation ci-après peut être utilisé pour déterminer un nouvel angle à partir d'un angle
précédent quand la détection ne peut pas être utilisée.
PROCEDURE D'EXTRAPOLATION
DEBUT ÈNEW: = OLD + o*T Supposer une vitesse constante FIN La vitesse qui est appelée w dans ce sous-programme est
obtenue par un estimateur des moindres carrés.
Enfin, un sous-programme simplifié pour trouver 0 à partir de la valeur d'inductance estimée de phases non-alimentées
multiples est présentée ci-dessous.
Procédure pour trouver 0 à partir de L Commencer L = (VdT/dI) Oest: = 0(L) Rechercher O possibles Choisir 0 correct à partir de O estimé pour deux phases Fin A partir de ce qui précède, il sera clair qu'un procédé et un appareil nouveau et amélioré pour estimer avec précision une position instantanée de rotor à partir des bornes d'un moteur à réluctance commutée a été prévu. Le moteur à réluctance commutée trouve des applications en tant que servo-moteur pour des applications aérospatiales en raison de sa simplicité et de sa robustesse. Ces applications nécessitent souvent des informations de positions précises pour fermer la boucle de servo-commande. Le fait d'éliminer le détecteur de position d'arbre du moteur à réluctance commutée dans ces applications augmente la fiabilité et réduit le poids, deux critères extrêmement importants dans l'industrie aérospatiale. En outre, le fait d'éliminer le détecteur de position d'arbre augmente le caractère attractif du moteur à réluctance commutée pour des applications à des moteurs industriels o des détecteurs de
position augmentent les coûts et réduisent la fiabilité.
L'estimateur de position selon la présente invention atteint ses
objectifs et tous les autres objets présentés ci-dessus.
Bien qu'un mode de réalisation particulier ait été décrit et représenté ici, l'homme de l'art notera que diverses variantes, substitutions, réarrangements et analogues peuvent être effectués sans sortir du domaine de l'invention. A titre d'exemple, le début de la période d'échantillonnage peut être légèrement retardé après l'application de l'impulsion de
détection, pour éviter des effets de courant de Foucault.
Egalement, si les variations de tension de liaison continue sont ignorées ou restent à l'intérieur d'une tolérance acceptable, la paire d'angles estimés pour chaque phase non-alimentée peut être obtenue directement à partir du changement détecté de courant,
c'est-à-dire sans fournir une valeur d'inductance estimée.
D'autres variantes apparaîtront à l'homme de l'art.
Claims (15)
1. Procédé indirect pour déterminer une position instantanée du rotor d'un moteur à réluctance commutée ayant des phases de stator multiples qui sont alimentées en synchronisme avec une position du rotor, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: détecter un changement du courant de phase pendant une période d'échantillonnage dans chacune des phases du stator du moteur initialement non-alimentées, ce changement du courant de phase résultant de l'application d'une impulsion de détection de courte durée à chacune desdites phases du stator initialement non-alimentées; déterminer les angles du rotor qui correspondent au changement du courant de phase détecté dans chacune de ces phases non-alimentées, respectivement; et déterminer si ces deux phases restent non-alimentées pendant ladite période d'échantillonnage et, si oui, déterminer quels angles du rotor correspondent à ces deux phases et donner une indication de la position instantanée du rotor évaluée comme étant égale à l'angle correspondant, et, si non, extrapoler à partir d'une position précédente évaluée du rotor pour fournir
une indication extrapolée de la position instantanée du rotor.
2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel deux angles du rotor correspondent au changement détecté du courant dans chacune de ces phases non-alimentées, respectivement, et caractérisé en ce que l'étape pour déterminer si ces deux phases restent non-alimentées comprend un décalage des angles du rotor pour une phase de l'écart de phase entre ces deux phases et ensuite une comparaison des angles du rotor pour ces deux phases
pour déterminer lesquels se correspondent.
3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'opération d'extrapolation comprend une estimation des moindres carrés à rejet exponentiel pour déterminer la vitesse du rotor.
4. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'opération d'extrapolation est mise en oeuvre si n'importe quelle phase du stator change d'état pendant ladite période d'échantillonnage.
5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la durée de l'impulsion de détection est suffisamment courte pour produire une augmentation négligeable du courant de phase et
un mouvement négligeable du rotor.
6. Procédé selon la revendication 1, comprenant en outre l'étape de déduction d'une valeur de l'inductance évaluée d'après le changement détecté du courant dans chacune desdites phases initialement nonalimentées; et caractérisé en ce que l'étape de détermination des angles du rotor comprend la détermination d'une paire d'angles du rotor correspondant à la valeur de l'inductance évaluée pour chacune de ces phases non-alimentées, respectivement.
7. Appareil pour évaluer une position angulaire instantanée du rotor d'un moteur à réluctance commutée ayant des phases de stator multiples qui sont sélectivement alimentées en synchronisme avec une position du rotor, caractérisé en ce qu'il comprend: des moyens (52) de commande logique et de détection d'impédance pour déterminer quelles phases du stator sont présentement non-alimentées et pour appliquer une impulsion
d'échantillonnage de courte durée à chacune de ces phases non-
alimentées; des moyens de détection du courant (38, 40, 42) pour détecter un changement du courant, pendant une période d'échantillonnage définie dans chacune des phases non-alimentées en réponse à l'application d'une impulsion à chacune de ces phases non-alimentées, respectivement; des moyens de traitement de signal (58, 60) pour déterminer une paire d'angles évalués du rotor correspondant au
changement détecté du courant dans chacune de ces phases non-
alimentées, respectivement; et des moyens (62) de combinaison des angles pour décaler
une paire d'angles évalués pour l'une de ces phases non-
alimentées d'une valeur égale à un écart de phase d'une deuxième de ces phases non-alimentées et pour comparer la paire décalée d'angles évalués à celle des angles évalués pour la seconde de ces phases non-alimentées pour déterminer lesquels de ces angles conviennent, et pour donner une indication de la position angulaire instantanée du rotor évaluée comme étant égale à
l'angle correspondant.
8. Appareil selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comprend: des moyens d'extrapolation (70) pour produire une indication de position angulaire extrapolée du rotor et pour donner cette indication de ladite position extrapolée à la place de la position instantanée évaluée quand l'une quelconque des phases du stator subit un changement d'état durant la période d'échantillonnage.
9. Appareil selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'indication de position extrapolée est donnée quand les deux phases non-alimentées du moteur ne le restent pas pendant cette
période d'échantillonnage.
10. Appareil selon la revendication 9, caractérisé en ce que les moyens d'extrapolation comprennent des moyens estimateurs (68) pour évaluer la vitesse du rotor par une évaluation des
moindres carrés avec un processus de rejet exponentiel.
11. Appareil selon la revendication 7, caractérisé en ce que lesdits moyens de commande logique et de détection d'impédance surveillent un contrôleur d'état d'échauffement et le courant de phase pour une phase du stator pour déterminer si la
phase du stator surveillée est non-alimentée.
12. Appareil selon la revendication 9, caractérisé en ce que les desdits moyens de traitement de signal comprennent en outre des moyens pour déduire une valeur estimée de l'inductance du changement de courant détecté pour chacune des phases non alimentées, et en ce que les moyens de traitement de signal déterminent la paire d'angles évalués du rotor pour chaque phase non-alimentée en réponse à la valeur estimée de l'inductance de
chaque phase non-alimentée, respectivement.
13. Appareil selon la revendication 12, caractérisé en ce qu'il est associé à un contrôleur (18) pour recevoir l'indication de la position angulaire du rotor obtenue en sortie de l'appareil et pour produire des signaux de commutation; et à un onduleur (20) pour recevoir ces signaux de commutation et pour
fournir des signaux de commande de phase au moteur.
14. Appareil selon la revendication 13, dans lequel lesdits signaux de commutation sont aussi fournis aux moyens de commande logique et de détection d'impédance, ledit appareil étant caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens de portes OU (36) pour recevoir et diriger par les portes OU les signaux de commutation et les impulsions d'échantillonnage vers l'onduleur, et un moyen d'horloge (56) pour définir la période d'échantillonnage.
15. Appareil selon la revendication 8, caractérisé en ce que les moyens de commande logique et de détection d'impédance, les moyens de traitement de signal, les moyens de combinaison des angles et les moyens d'extrapolation sont tous réalisés dans un microprocesseur.
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