FR2847736A1 - Procede de limitation des pointes de courant des moteurs a courant continu a balai ou sans balai pendant de forts changements de tension - Google Patents

Procede de limitation des pointes de courant des moteurs a courant continu a balai ou sans balai pendant de forts changements de tension Download PDF

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Abstract

Système de commande d'un moteur à courant continu comprenant un moteur (12) à courant continu, des moyens (14) de détermination d'un courant du moteur (12), des moyens (22) de comparaison du courant déterminé à un point (26) fixé et d'émission en sortie d'un rapport (28) cyclique modulé en largeur d'impulsion (MLI) pour commander le moteur (12), des moyens (32) de mesure d'une tension du moteur (12), et des moyens (30) de limitation pour calculer une limite de rapport cyclique MLI basée sur la tension mesurée et pour comparer le rapport cyclique MLI émis en sortie à la limite de rapport cyclique MLI de façon à ce que, lorsque le rapport cyclique MLI émis en sortie est supérieur à la limite de rapport cyclique MLI, le rapport cyclique MLI émis en sortie est fixé à la limite du rapport cyclique MLI.

Description

PROCEDE DE LIMITATION DES POINTES DE COURANT DES MOTEURS
A COURANT CONTINU A BALAI OU SANS BALAI PENDANT DE FORTS
CHANGEMENTS DE TENSION.
La présente invention se rapporte aux moteurs à courant continu et plus particulièrement à un procédé de limitation des pointes de courant des moteurs à courant continu à balai ou sans balai pendant de forts
changements de tension.
Les moteurs à courant continu à balai et sans balai ont été utilisés souvent dans des applications alimentées par des batteries d'accumulateur telles qu'une automobile, un véhicule électrique, un chariot élévateur, etc. La tension du générateur peut se modifier beaucoup lorsqu'il y a une grande charge telle qu'un démarreur, etc. Une forte modification de la tension peut provoquer une pointe de courant dans le moteur puisque la boucle de commande du courant n'est habituellement pas suffisamment rapide pour répondre à la variation de tension. Il s'ensuit que le moteur ou l'électronique de puissance peut tomber en panne. La figure 1 représente une pointe de courant typique provoquée par une forte modification de tension
dans un moteur à courant continu.
Le courant du moteur est commandé à une valeur de référence avant que se produise une chute de tension. Lorsque la tension s'abaisse, le courant s'abaisse aussi. Puis la boucle de commande du courant commence à augmenter le rapport cyclique MLI pour compenser la diminution du courant. Lorsque la tension commence à s'élever, la boucle de commande du courant n'est pas suffisamment rapide pour réduire en conséquence le rapport cyclique MLI. C'est pourquoi il se produit une pointe de courant due à la haute tension et au grand rapport cyclique. Améliorer le temps de réponse de la boucle de commande du courant peut aider à supprimer les pointes de courant mais cette amélioration est limitée puisque le temps de réponse de la boucle du courant dépend aussi du circuit de détection, des paramètres du
moteur et de la capacité d'un microcontrôleur.
On a donc besoin d'un procédé de limitation du courant sur la
base d'une tension qui peut répondre rapidement à des variations de tension.
L'invention y pourvoit par un procédé, dans un moteur à courant continu, pour empêcher une pointe de courant pendant de graves variations de la tension, qui consiste à mesurer une tension du moteur, à comparer la tension mesurée à une limite de tension inférieure qui est fixée, et si la tension mesurée est inférieure à la limite inférieure de tension, à arrêter le moteur pendant un certain temps puis à redémarrer le moteur. Le procédé prévoit également de calculer une limite de rapport cyclique modulé en largeur d'impulsion (MLI) sur la base de la tension mesurée, et de comparer un rapport cyclique de sortie MLI pour commander le moteur à la limite du rapport cyclique MLI, et si le rapport cyclique de sortie MLI est supérieur à la
limite du rapport cyclique MLI, à fixer le rapport cyclique de sortie MLI pour qu'il soit le même que la limite du rapport cyclique MLI.
Suivant un perfectionnement, le procédé consiste en ce que la limite du rapport cyclique est calculée par: DCL = DCLmax - c * Vbat dans lequel DCL est la limite du rapport cyclique calculé, DCLmax est une constante représentant une valeur maximum de DCL, c est un facteur fixé pour un état de fonctionnement du moteur, et Vbat est une tension d'une batterie alimentant le moteur. De préférence, le facteur c est fixé sur la base d'un état de démarrage du moteur ou le facteur c est situé sur la base d'un état de fonctionnement normal du
moteur.
L'invention vise aussi un système de commande en boucle fermée pour un moteur à courant continu, caractérisé en ce qu'il comprend un moteur à courant continu, un capteur de courant pour déterminer un courant du moteur, un capteur de tension pour mesurer une tension du moteur, un 30 microcontrôleur construit et agencé pour (1) comparer le courant déterminé à un point fixé et émettre un rapport cyclique modulé en largeur d'impulsion (MLI) pour commander le moteur et (2) calculer une limite de rapport cyclique MLI sur la base de la tension mesurée et comparer le rapport cyclique MLI émis en sortie à la limite de rapport cyclique MLI de façon à ce que, lorsque le 35 rapport cyclique MLI émis en sortie est supérieur à la limite du rapport cyclique MLI, le rapport cyclique MLI émis en sortie est fixé à la limite du rapport cyclique MLI. De préférence, le microcontrôleur est constitué et agencé de manière à comparer la tension mesurée à une limite inférieure de tension et si la tension mesurée est inférieure à la limite inférieure de tension à arrêter le moteur pendant un certain temps puis à faire redémarrer le moteur. Il est prévu de préférence un filtre passe-bas pour filtrer le bruit
de haute fréquence et un amplificateur pour amplifier le courant déterminé.
Aux dessins annexés, donnés uniquement à titre d'exemple: la figure 1 représente une pointe typique de courant dans un moteur à courant continu provoquée par une forte variation de la tension, la figure 2 est un schéma synoptique d'un système de commande de boucle de courant d'un moteur à courant continu à balai ou sans balai par une opération de limitation du courant sur la base de la tension suivant les principes de la présente invention, la figure 3 représente la relation entre une limite de rapport cyclique calculée et la tension d'une batterie d'accumulateur, la figure 4 est un organigramme illustrant le procédé de limitation
du courant sur la base de la tension suivant l'invention.
En se reportant à la figure 2, un système à boucle de commande 20 de courant d'un moteur à courant continu à balai ou sans balai suivant l'invention est indiqué par la référence générale 10. Le système 10 comprend un moteur 12 à courant continu ayant un inverseur de puissance. Le moteur 12 peut être un moteur à balai ou sans balai triphasé ou à cinq phases, etc. Un capteur 14 de courant, tel que par exemple un shunt ou un 25 capteur à effet Hall, détecte le courant du moteur 12. Un filtre 16 passe-bas filtre du bruit à haute fréquence tel que du bruit de commutation. Un amplificateur 18 amplifie le signal 20 de courant mesuré pour s'adapter à la précision d'un convertisseur analogique/numérique (qui n'est pas représenté). Un contrôleur 22 Pl compare la réaction 24 de courant à un point 26 fixé de
courant et émet un rapport cyclique 28 MLI pour commander le moteur 12.
Suivant l'invention, le système 10 comprend un limiteur 30 de courant sur la base de la tension et un capteur 32 de tension pour détecter la tension du moteur. Le contrôleur 22 PI et le limiteur 30 de courant sur la base de la tension sont tous deux mis en oeuvre dans du logiciel qui est effectué
par un microcontrôleur 33.
Le but du procédé de limitation de courant est d'empêcher une pointe de courant pendant des modifications fortes de tension en limitant le rapport cyclique MLI ou en arrêtant le fonctionnement du moteur. L'opération de limitation suivant l'invention comprend deux actions: (1) une protection contre la sous-tension, (2) une limite du rapport cyclique MLI sur la base de la tension. Pour ce qui concerne la fonction en cas de sous-tension, on compare la tension 34 mesurée à une limite de tension inférieure fixée à l'avance par l'intermédiaire du logiciel formant limiteur 30. Lorsque la tension 34 mesurée s'abaisse en dessous de cette limite, le logiciel de limiteur 30 signale au microcontrôleur 33 d'arrêter le fonctionnement du moteur 12 et de le redémarrer après quelques secondes. Cette protection à la sous-tension empêche la boucle de commande du courant de produire un
grand rapport cyclique sans nécessité.
Pour ce qui concerne la limite du rapport cyclique MLI sur la base de la tension qui repose sur la tension 34 mesurée, on calcule une limite de rapport cyclique MLI (par l'intermédiaire du logiciel de limiteur 30) par: DCL = DCLmax - c. Vbat dans laquelleDCL est la limite du rapport cyclique calculé, DCLmax est une constante représentant la valeur maximum de DCL, c est un facteur fixé, à différentes valeurs pour différents états de fonctionnement du moteur, tel que le démarrage, le fonctionnement normal, etc..., c'est-à-dire c est fixé pour un état de fonctionnement du moteur, et Vbat est la tension de batterie alimentant le moteur. La figure 3 représente la relation entre la limite du rapport cyclique calculée et la tension de la batterie d'accumulateur. La limite DCL de rapport cyclique calculée se modifie instantanément en même temps que la variation de la tension. Lorsque le rapport 28 cyclique de sortie (figure 2) est supérieur à la limite DCL de rapport cyclique, le rapport 28 cyclique de sortie
est fixé de façon à être le même que la limite DCL de rapport cyclique.
On peut ainsi limiter le courant du moteur pour qu'il soit inférieur à un certain niveau. Il s'ensuit que l'on empêche tout courant en excès même pendant des fortes chutes de tension telles que lorsqu'un démarreur de véhicule est en fonctionnement. Comme on l'a noté ci-dessus, l'opération de limitation du courant sur la base de la tension est mise en oeuvre dans un logiciel (limiteur 30) et exécutée par le microcontrôleur 33. Un organigramme de cette partie du logiciel est illustré à la figure 4 qui représente une boucle de commande du courant, un sous-programme de limite de MLI sur la base de la tension et un sous-programme de protection à la surtension et un sous-programme de protection à la sous-tension. Dans la boucle de commande de courant, aux stades 100 et 110, le courant 24 est comparé au point 26 fixé de courant (voir la figure 2). Si le courant 24 est supérieur au point 26 fixé, le rapport 28 cyclique MLI est réduit au stade 112. Si le courant 24 est inférieur au point 26 fixé, le rapport cyclique MLI est augmenté au stade 114. Si le courant 24 est égal au point 26 fixé ou après des stades 112 et 114, le procédé passe au stade 116, dans lequel la limite sur la base de la tension du rapport cyclique MLI est calculée. Le stade 116 commence le sous-programme de limite MLI sur la base de la tension. Au stade 118, il est déterminé si le rapport 28 cyclique MLI est supérieur à la limite du rapport cyclique MLI. S'il en est ainsi, le rapport cyclique MLI est fixé égal à la limite du rapport cyclique MLI au
stade 120 et si ce n'est pas le cas, le procédé continue vers un sous20 programme de protection en cas de surtension qui commence au stade 122.
Au stade 122, la tension de la batterie est comparée à une limite supérieure. Si la tension de la batterie est supérieure à la limite supérieure,
le moteur 12 est arrêté et une période d'attente est établie au stade 124.
Après la période d'attente, le moteur 12 est redémarré au stade 125. Si la tension de la batterie n'est pas supérieure à la limite supérieure alors au stade 126, la tension de la batterie est comparée à une limite inférieure, dans le sous-programme de protection vis-à-vis d'une soustension. Si la tension de la batterie est inférieure à la limite inférieure, les procédés passent aux stades 124 et 125. Si la tension de la batterie n'est pas inférieure à la limite inférieure, le processus retourne au stade 100 (boucle de commande du
courant) ou à la séquence suivante.
Ainsi, suivant le mode de réalisation, deux actions sont appliquées dans l'opération de limitation de courant qui est proposée: (1) une fonction de protection à la sous-tension est mise en oeuvre; (2) une limite de 35 rapport cyclique MLI sur la base de la tension est ajoutée. La première action arrête le fonctionnement du moteur lorsque la tension s'abaisse en dessous d'une valeur limite inférieure et redémarre le moteur quelques secondes après. Cette protection à la sous-tension empêche la boucle de commande du courant de produire un grand rapport cyclique sans nécessité. La deuxième action dans l'opération de limitation du courant fixe une limite de rapport cyclique MLI sur la base de la tension d'entrée. Cette limite se modifie instantanément en même temps que la tension varie et remplace le signal de sortie de la boucle de commande du courant si le rapport cyclique de sortie est plus grand que la limite. Le courant du moteur peut donc être limité en dessous d'un certain niveau et on peut empêcher une grande pointe de
courant.

Claims (16)

REVENDICATIONS
1. Procédé pour prévenir, dans un moteur à courant continu, une pointe de courant pendant de graves modifications de la tension, le procédé étant caractérisé en ce qu'il consiste: à mesurer une tension du moteur, à comparer la tension mesurée à une limite de tension inférieure qui est fixée, et si la tension mesurée est inférieure à la limite inférieure de tension, à arrêter le moteur pendant un certain temps puis à redémarrer le moteur, à calculer une limite de rapport cyclique modulé en largeur d'impulsion (MLI) sur la base de la tension mesurée, et à comparer un rapport cyclique de sortie MLI pour commander le moteur à la limite du rapport cyclique MLI, et si le rapport cyclique de sortie 15 MLI est supérieur à la limite du rapport cyclique MLI, à fixer le rapport cyclique
de sortie MLI pour qu'il soit le même que la limite du rapport cyclique MLI.
2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le
moteur est un moteur à courant continu à balai.
3. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le
moteur est un moteur à courant continu sans'balai.
4. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la limite du rapport cyclique est calculée par: DCL = DCLmax - c * Vbat dans lequel DCL est la limite du rapport cyclique calculé, DCLmax est une constante représentant une valeur maximum de DCL, c est un facteur fixé pour un état de fonctionnement du moteur, et
Vbat est une tension d'une batterie alimentant le moteur.
5. Procédé suivant la revendication 4, caractérisé en ce que le
facteur c est fixé sur la base d'un état de démarrage du moteur.
6. Procédé suivant la revendication 4, caractérisé en ce que le
facteur c est situé sur la base d'un état de fonctionnement normal du moteur.
7. Système de commande en boucle fermée pour un moteur à courant continu, caractérisé en ce qu'il comprend un moteur (12) à courant continu, un capteur (14) de courant pour déterminer un courant du moteur (1 2), un capteur (32) de tension pour mesurer une tension du moteur, un microcontrôleur construit et agencé pour (1) comparer le 10 courant déterminé à un point (26) fixé et émettre un rapport cyclique modulé en largeur d'impulsion (MLI) pour commander le moteur et (2) calculer une limite de rapport cyclique MLI sur la base de la tension mesurée et comparer le rapport cyclique MLI émis en sortie à la limite de rapport cyclique MLI de façon à ce que, lorsque le rapport cyclique MLI émis en sortie est supérieur à 15 la limite du rapport cyclique MLI, le rapport cyclique MLI émis en sortie est fixé
à la limite du rapport cyclique MLI.
8. Système suivant la revendication 7, caractérisé en ce que le
moteur est un moteur à courant continu à balai.
9. Système suivant la revendication 7, caractérisé en ce que le
moteur est un moteur à courant continu sans balai.
10. Système suivant la revendication 7, caractérisé en ce qu'il 25 comprend en outre un filtre (16) passe-bas pour filtrer le bruit de haute
fréquence et un amplificateur pour amplifier le courant déterminé.
11. Système suivant la revendication 7, caractérisé en ce que le microcontrôleur est constitué et agencé de manière à comparer la tension 30 mesurée à une limite inférieure de tension et si la tension mesurée est
inférieure à la limite inférieure de tension à arrêter le moteur pendant un certain temps puis à faire redémarrer le moteur.
12. Système de commande en boucle fermée d'un moteur à courant continu, caractérisé en ce qu'il comprend un moteur (12) à courant continu, des moyens (14) de détermination d'un courant du moteur (12), des moyens (22) de comparaison du courant déterminé à un point (26) fixé et d'émission en sortie d'un rapport (28) cyclique modulé en largeur d'impulsion (MLI) pour commander le moteur (12), des moyens (32) de mesure d'une tension du moteur (12), et des moyens (30) de limitation pour calculer une limite de rapport cyclique MLI basée sur la tension mesurée et pour comparer le rapport cyclique MLI émis en sortie à la limite de rapport cyclique MLI de façon à ce que, lorsque le rapport cyclique MLI émis en sortie est supérieur à la limite de rapport cyclique MLI, le rapport cyclique MLI émis en sortie est fixé à la limite
du rapport cyclique MLI.
13. Système suivant la revendication 12, caractérisé en ce que
le moteur est un moteur à courant continu à balai.
14. Système suivant la revendication 12, caractérisé en ce que
le moteur est un moteur à courant continu sans balai.
15. Système suivant la revendication 12, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens (16) de filtration du bruit en haute fréquence et un
amplificateur pour augmenter le courant déterminé.
16. Système suivant la revendication 12, caractérisé en ce que les moyens de limitation comparent aussi la tension mesurée à une limite inférieure de tension et si la tension mesurée est inférieure à la limite 25 inférieure de tension, les moyens de limitation signalent d'arrêter le moteur
pendant une certaine durée puis de le faire redémarrer.
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