FR2902249A1 - Procede d'echantillonnage numerique et dispositif de mise en oeuvre correspondant - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un procédé, et dispositif correspondant, de mesure d'au moins deux signaux analogiques, comprenant au moins une opération consistant à élaborer, à des instants d'échantillonnage successifs et au moins au moyen d'un premier convertisseur analogique/numérique, des échantillons numériques représentatifs des valeurs respectivement prises par ces signaux à ces instants d'échantillonnage.Le procédé est essentiellement caractérisé en ce qu'il comprend en outre les opérations consistant à fournir sélectivement, à chaque instant d'échantillonnage, l'un ou l'autre desdits signaux audit premier convertisseur pour l'élaboration d'un échantillon numérique originel correspondant,et à combiner au moins deux échantillons numériques originels, élaborés pour un premier au moins desdits signaux à des instants d'échantillonnage respectifs, pour former par interpolation un échantillon numérique dérivé représentatif de la valeur prise par ce premier signal à un instant de référence temporellement décalé par rapport à chacun des instants d'échantillonnage de ce premier signal.

Description

PROCEDE D'ECHANTILLONNAGE NUMÉRIQUE ET DISPOSITIF DE MISE EN OEUVRE

CORRESPONDANT.

La présente invention concerne le domaine de la conversion analogique / numérique de signaux, en particulier les procédés d'échantillonnage de plusieurs signaux analogiques avec un convertisseur analogique / numérique.

Plus précisément, l'invention concerne un procédé de mesure d'au moins deux signaux analogiques, comprenant au moins une opération consistant à élaborer, à des instants d'échantillonnage successifs et au moins au moyen d'un premier convertisseur analogique/numérique, des échantillons numériques représentatifs des valeurs respectivement prises par ces signaux à ces instants d'échantillonnage. Un tel procédé est bien connu de l'homme du métier. Il est mis en oeuvre par exemple dans les applications de contrôle moteur pour les moteurs triphasés.

Le problème est de pouvoir mesurer, et convertir sous forme numérique, la valeur simultanée d'au moins deux signaux analogiques. A cet effet, certaines solutions de l'art antérieur visent à utiliser et synchroniser au moins deux convertisseurs, chaque convertisseur mesurant un signal respectif. Toutefois, de telles solutions sont particulièrement coûteuses et ne sont pas satisfaisantes en termes de taille au niveau silicium. Aussi sur ce plan il est souhaitable de n'avoir qu'un seul convertisseur analogique / numérique. Or, un seul convertisseur ne permet pas, par essence, d'effectuer plusieurs mesures de manière simultanée. Deux mesures successives d'un même signal, ou de deux signaux différents, ne peuvent s'effectuer qu'avec un décalage temporel entre ces mesures.

Et le décalage temporel entre les mesures avec l'utilisation d'un seul convertisseur introduit une imprécision sur celles-ci lorsqu'on les considère comme simultanées.

Par exemple, dans le cadre des applications de contrôle moteur pour les moteurs triphasés équilibrés, on ne peut plus faire l'hypothèse de base selon laquelle la somme des trois courants est nulle en un instant donné avec un seul convertisseur, et si cette hypothèse est tout de même considérée comme vraie avec des mesures décalées dans le temps, alors cela introduit une imprécision dans le contrôle du moteur et une baisse potentielle de ses performances. Pour pallier ces effets, il existe par ailleurs certaines solutions visant à compenser sous forme logicielle l'écart entre deux mesures successives, mais elles sont particulièrement complexes à mettre en œuvre et imposent la mesure ou l'évaluation d'autres paramètres. La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients en proposant un procédé particulièrement simple à mettre en œuvre et visant à s'extraire de la contrainte selon laquelle un seul convertisseur ne peut effectuer plusieurs mesures simultanées. Avec cet objectif en vue, le dispositif selon l'invention, par ailleurs conforme au préambule cité ci- avant, est essentiellement caractérisé en ce qu'il comprend en outre les opérations consistant à fournir sélectivement, à chaque instant d'échantillonnage, l'un ou l'autre desdits signaux audit premier convertisseur pour l'élaboration d'un échantillon numérique originel correspondant, et à combiner au moins deux échantillons numériques originels, élaborés pour un premier au moins desdits signaux à des instants d'échantillonnage respectifs, pour former par interpolation un échantillon numérique dérivé représentatif de la valeur prise par ce premier signal à un instant de référence temporellement décalé par rapport à chacun des instants d'échantillonnage de ce premier signal. Grâce à ce procédé, un seul convertisseur analogique / numérique peut être utilisé, et par la création d'un comportement d'échantillonneur bloqueur pseudo multisimultané, on élimine les écarts de temps entre deux échantillons d'un signal à l'autre. Dans un mode de réalisation, l'instant de référence est 10 un instant d'échantillonnage d'un second desdits signaux analogiques. Dans un mode de réalisation, le procédé selon l'invention comprend en outre une étape consistant à combiner au moins deux échantillons numériques originels, élaborés 15 pour un second desdits signaux à des instants d'échantillonnage respectifs, pour former par interpolation un échantillon numérique dérivé représentatif de la valeur prise par ce second signal audit instant de référence. De préférence, l'interpolation est linéaire, ce qui 20 simplifie les calculs. Avantageusement, au moins l'un des instants d'échantillonnage utilisés pour l'interpolation est antérieur à l'instant de référence. De préférence selon l'invention, une séquence 25 consistant à fournir sélectivement, à chaque instant d'échantillonnage, l'un ou l'autre desdits signaux audit premier convertisseur pour l'élaboration d'un échantillon numérique originel correspondant est stockée dans des moyens de mémoire, ladite séquence pouvant en outre être modifiable 30 en dynamique. Dans un mode de réalisation, les moyens de mémoire comprennent un ensemble de registres dudit premier convertisseur.

A titre d'alternative, les moyens de mémoire comprennent la mémoire vive d'un processeur relié audit premier convertisseur par l'intermédiaire d'un contrôleur (DMA).

Le procédé selon l'invention est avantageusement mis en oeuvre pour le contrôle des courants de phase, en un instant de référence, d'un dispositif à courant triphasé équilibré. Selon un autre de ses objets, l'invention concerne un dispositif susceptible de mettre en oeuvre le procédé selon l'invention. A cet effet, le dispositif comprend des moyens de mesure d'au moins deux signaux analogiques, configurés pour réaliser au moins une opération consistant à élaborer, à des instants d'échantillonnage successifs et au moins au moyen d'un premier convertisseur analogique/numérique, des échantillons numériques représentatifs des valeurs respectivement prises par ces signaux à ces instants d'échantillonnage. Le dispositif selon l'invention est essentiellement caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens pour fournir sélectivement, à chaque instant d'échantillonnage, l'un ou l'autre desdits signaux audit premier convertisseur pour l'élaboration d'un échantillon numérique originel correspondant, et des moyens pour combiner au moins deux échantillons numériques originels, élaborés pour un premier au moins desdits signaux à des instants d'échantillonnage respectifs, pour former par interpolation un échantillon numérique dérivé représentatif de la valeur prise par ce premier signal à un instant de référence temporellement décalé par rapport à chacun des instants d'échantillonnage de ce premier signal.

Sur le plan physique, la taille du microcontrôleur intégrant le convertisseur reste minime, puisqu'un seul convertisseur peut être utilisé. La fonctionnalité selon laquelle on émule un convertisseur analogique / numérique dual avec un seul convertisseur analogique / numérique augmente la flexibilité d'utilisation dudit convertisseur analogique / numérique. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante donnée à titre d'exemple illustratif et non limitatif et faite en référence aux figures annexées dans lesquelles : - la figure 1 est une représentation schématique d'un mode de réalisation du dispositif selon l'invention, et - la figure 2 est une représentation schématique de l'échantillonnage de deux signaux analogiques selon l'invention, et - la figure 3 est une autre représentation schématique de l'échantillonnage de deux signaux analogiques selon 20 l'invention. La présente invention est avantageusement mise en oeuvre pour le contrôle moteur de moteur triphasé. Cet exemple de mise en oeuvre n'est pas limitatif, mais pour des raisons de clarté de la présente description sera le seul décrit ici. 25 L'homme du métier transposera aisément le présent enseignement à d'autres réalisations nécessitant la mesure simultanée d'au moins deux signaux analogiques. La figure 1 représente un mode de réalisation du dispositif selon l'invention. 30 Un moteur 100 triphasé est relié à un convertisseur de puissance 200 par l'intermédiaire d'une première ligne 110 sur laquelle transite une première phase, d'une deuxième ligne 120 sur laquelle transite une deuxième phase et d'une troisième ligne 130 sur laquelle transite une troisième phase. Le problème que vise à résoudre l'invention consiste à mesurer le courant qui circule dans le moteur, de préférence 5 avec un seul convertisseur. Dans le cadre d'un moteur équilibré, les trois phases du moteur 100 sont identiques, ce qui permet avantageusement de ne mesurer que deux phases et d'en déduire la troisième. Le courant varie rapidement dans un moteur, il est donc 10 souhaitable d'effectuer des mesures aussi ponctuelles que possible. Un seul convertisseur ne permet pas d'effectuer plusieurs mesures ponctuelles simultanées, la solution selon l'invention consiste à construire une mesure ponctuelle à 15 partir de mesures séquentielles. En référence à la figure 1, la solution de l'invention consiste à mesurer le courant dans la première ligne 110 et deuxième ligne 120 du moteur 100. La valeur de la troisième phase est déduite de ces deux mesures en considérant le 20 moteur 100 comme équilibré. A cet effet, le dispositif de mesure 500 selon l'invention comprend un premier canal 111 de mesure connecté à la première ligne 110, configuré pour transmettre la valeur d'un premier signal Cl, et un deuxième canal 121 de mesure 25 connecté à la deuxième ligne 120 du moteur 100, configuré pour transmettre la valeur d'un deuxième signal C2. Les deux canaux sont connectés à des moyens de sélection de canal de mesure, en l'espèce un multiplexeur 400. Les moyens de sélection du canal de mesure 400 sont 30 configurés pour transmettre sélectivement la valeur du premier Cl ou du deuxième C2 signal vers un convertisseur analogique / numérique 320. Le signal de sortie des moyens de sélection de canal de mesure est transmis à l'entrée d'un convertisseur analogique / numérique 320 par un canal approprié. De préférence, le convertisseur 320 est relié à des moyens de mémoire 310, et optionnellement intégré à une puce électronique 300. Les moyens de mémoire peuvent par exemple être un ensemble de registres 310, et l'ensemble peut être intégré dans une puce électronique 300. Des moyens de commande (non représentés) des moyens de sélection de canal de mesure permettent de sélectionner sélectivement l'un ou l'autre des canaux 111, 121 de mesure. De préférence également, les moyens de commande du multiplexeur sont intégrés à la puce électronique 300. Ainsi, le convertisseur 320 effectue les conversions en fonction du canal de mesure sélectionné par le multiplexeur.

La figure 2 représente l'évolution de la valeur temporelle de deux signaux, respectivement Cl et C2, correspondant par exemple respectivement aux valeurs des signaux transmis sur les deux canaux de mesure 111 et 121. Les mesures effectués par le convertisseur sont effectuées à des temps donnés T0, Tl, T2, etc. et correspondent à des instants d'échantillonnage successifs. Ces instants sont de préférence périodiques et définissent une fréquence d'échantillonnage, qui de préférence selon l'invention correspond au temps de conversion du convertisseur analogique / numérique, typiquement quelques microsecondes. En référence toujours à la figure 2, la réalisation d'un échantillon numérique représentatif de la valeur prise par l'un de ces signaux à un instant d'échantillonnage est représentée par une croix. A l'instant d'échantillonnage T2, par exemple, l'échantillonnage est réalisé à partir du signal C2. L'impossibilité de mesurer la valeur du signal Cl à cet instant de référence T REF par le convertisseur est symbolisée par un rond sur ce signal Cl. Chaque mesure sur l'un ou l'autre des signaux définit un point d'échantillonnage, et une succession de points 5 d'échantillonnage définit une séquence. La solution selon l'invention comprend une séquence d'au moins trois points d'échantillonnage, chaque point correspondant à un échantillon numérique originel. En référence encore à la figure 2, le problème selon 10 l'invention consiste à approximer la valeur du signal Cl à l'instant de référence T REF, en l'espèce T2. A cet effet, la solution de l'invention vise à combiner au moins deux échantillons numériques originels, élaborés pour un premier au moins desdits signaux, en l'espèce Cl, à 15 des instants d'échantillonnage respectifs, en l'espèce aux temps Tl et T3, pour former par interpolation un échantillon numérique dérivé représentatif de la valeur prise par ce premier signal à un instant de référence, en l'espèce T2 égal à T REF, temporellement décalé par rapport à chacun des 20 instants d'échantillonnage de ce premier signal. On définit par Ci(Tk) la valeur prise par le signal Ci, avec i=l ou 2, l'indice représentant le premier ou le deuxième signal, à l'instant Tk, avec k=0, 1, 2, ... N. De préférence, les mesures sont effectuées périodiquement, 25 c'est-à-dire que pour chaque k, l'écart entre Tk et Tk-1 est constant. Ainsi, dans le cas d'une séquence d'échantillonnage à trois points (Tl, T2=T_REF, et T3 sur la figure 2), la valeur du courant pour le signal Cl à l'instant de référence T_REF 30 peut ainsi être interpolée, dans le cadre d'une approximation linéaire, par : Cl (T REF) _ [C1 (T1) +C1 (T3) ] / 2 (1) La séquence d'échantillonnage dans ce cas est alors Cl, C2, Cl. C'est-à-dire qu'un premier échantillon est réalisé sur Cl au temps Ti, un deuxième échantillon est réalisé sur C2 au temps T2 et un troisième échantillon est réalisé sur Cl au temps T3. Pour simplifier la présente description, on a assumé que le temps de référence T_REF est égal au temps d'échantillonnage T2. Dans ce cas, la valeur du signal C2 au temps de référence est la valeur du signal C2 mesurée par le convertisseur au temps T2, et la valeur du signal Cl au temps de référence est la valeur calculée par l'interpolation selon l'équation (1) ci-dessus. De préférence, la solution de l'invention consiste à réaliser une interpolation linéaire des signaux Cl et C2 sur une période de temps donnée, typiquement la séquence d'échantillonnage. Une interpolation non linéaire peut être effectuée mais nécessite des calculs plus complexes et plus lourds en termes de temps à mettre en œuvre. Dans un mode de réalisation, l'interpolation est réalisée par extrapolation. Pour illustrer ce mode de réalisation (non représenté) en lien avec la figure 2 dans une interpolation utilisant trois points d'échantillonnage, cela reviendrait à ce que T_REF soit supérieur à T3 ou inférieur à Tl. Dans ce cas, un autre modèle d'interpolation que celui correspondant à l'équation (1) est utilisé. Dans le même ordre d'idées, on peut également utiliser un modèle pondéré différemment de l'équation (1), comme décrit ci-après à l'équation (3), ou par exemple si les points d'échantillonnage ne sont pas équidistants au point correspondant à l'instant de référence. Dans d'autres modes de réalisation, l'interpolation est effectuée avec plus de trois points d'échantillonnage, par exemple avec les cinq points de la figure 2, comme décrit ci- après. Un grand nombre de points d'échantillonnage (grande valeur de N) réduit le bruit de conversion (sur-échantillonnage) mais alourdit les temps de calcul, aussi le nombre N de points d'échantillonnage est dépendant de la puissance de calcul du processeur et de la vitesse de l'échantillonneur (en cela que le résultat de la mesure ne doit pas être trop décalé dans le temps, au risque de rendre instable un système asservi sur ces mesures). Par ailleurs, l'invention est basée sur le fait que les courants sinusoïdaux dans les moteurs triphasés équilibrés peuvent être considérés comme linéaires à une échelle de temps relativement courte, typiquement de 50 s a lms, selon l'inductance du moteur : ceci restreint également le nombre maximum d'échantillonnages possibles.

Par ailleurs, comme représenté sur la figure 3, l'instant de référence T_REF peut ne pas correspondre à un instant d'échantillonnage de l'un des signaux. La valeur de chacun des signaux Cl et C2 peut alors est interpolée selon l'équation (1) et la séquence est alors au minimum de quatre points d'échantillonnage, soit deux points par signal. Dans ce cas, la séquence d'échantillonnage est alors avantageusement définie par Cl, C2, C2, Cl, comme représenté sur la figure 3. Ainsi, la même équation (1) peut être utilisée pour 25 l'interpolation de la valeur de chacun des deux signaux Cl et C2 à l'instant de référence par : Cl (T REF) = [Cl (T0) +Cl (T3) ] / 2 C2 (T REF) = [C2 (Tl) +C2 (T2) ] / 2 De même que précédemment, d'autres combinaisons sont 30 possibles pour l'interpolation, mais le modèle correspondant à l'équation (1) est avantageusement simple à mettre en oeuvre et rapide en temps de calcul.

En référence, de nouveau, à la figure 2, on peut définir par exemple une séquence à cinq points d'échantillonnage, en l'espèce la séquence Cl, Cl, C2, Cl, Cl. Et en utilisant, toujours, le modèle selon l'équation (1), la valeur de Cl à l'instant de référence T_REF est interpolée par l'équation : Cl(T2) = [C1(TO)+C1(T1)+Cl(T3)+C1(T4)] / 4 (2) De même que précédemment, d'autres séquences et/ou d'autres combinaisons sont possibles, par exemple en regroupant certains des termes de l'équation (2) ci-dessus. Un mode de réalisation pour l'équation (2) peut ainsi correspondre au système d'équations ci-dessous: C'l = [C1(TO)+C1(Tl)] / 2 Cl(T2) = [C' l+Cl (T3) +C1 (T4) J / 3 (3) La séquence utilisée pour l'interpolation, soit l'ordre dans lequel les mesures de l'un et de l'autre des canaux sont effectuées, est enregistrée dans des moyens de mémoire 310. Ces moyens de mémoire 310 sont par exemple des registres du convertisseur 300.

Dans un autre mode de réalisation, les moyens de mémoire 310 peuvent être transférés, par un contrôleur DMA ( Direct Memory Access ), en mémoire vive d'un processeur, par exemple lorsque le convertisseur analogique / numérique 300 fait partie d'un microcontrôleur.

La séquence mise en mémoire, c'est-à-dire la liste des conversions à exécuter par le convertisseur analogique / numérique 320, est utilisée pour commander la sélection du canal de mesure correspondant. Dans un mode de réalisation, un compteur est utilisé 30 pour indiquer la longueur de la séquence, c'est-à-dire le nombre de points d'échantillonnage.

Sur le plan numérique, le nombre de bits correspondant au codage des valeurs analogiques dépend du convertisseur utilisé et du nombre de canaux à convertir. Par exemple, si un convertisseur peut convertir huit canaux, il suffit de trois bits pour définir une conversion (8 = 23). Toutefois, on peut également utiliser quatre bits. Dans ce cas, les trois premiers bits correspondent aux huit canaux et le dernier bit signifie une fin de séquence, ce qui permet dans ce cas d'éviter l'utilisation d'un compteur. De même, si le convertisseur peut convertir dix canaux, quatre bits sont nécessaires, correspondant aux codes 0 à 15. Dans ce cas, les codes 0 à 9 correspondent chacun à un canal respectif et tous les codes supérieurs à 9 correspondent à une fin de séquence.

Par ailleurs, le modèle utilisé, par exemple l'équation (1) susmentionnée, pour l'interpolation est enregistré, par exemple sous forme de logiciel embarqué. De préférence, la séquence utilisée, de même que le modèle, est programmable en dynamique.20

Claims (10)

REVENDICATIONS

1. Procédé de mesure d'au moins deux signaux analogiques, comprenant au moins une opération consistant à élaborer, à des instants d'échantillonnage successifs et au moins au moyen d'un premier convertisseur analogique/numérique, des échantillons numériques représentatifs des valeurs respectivement prises par ces signaux à ces instants d'échantillonnage, caractérisé en ce qu'il comprend en outre les opérations consistant à fournir sélectivement, à chaque instant d'échantillonnage, l'un ou l'autre desdits signaux audit premier convertisseur pour l'élaboration d'un échantillon numérique originel correspondant, et à combiner au moins deux échantillons numériques originels, élaborés pour un premier au moins desdits signaux à des instants d'échantillonnage respectifs, pour former par interpolation un échantillon numérique dérivé représentatif de la valeur prise par ce premier signal à un instant de référence temporellement décalé par rapport à chacun des instants d'échantillonnage de ce premier signal.

2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l'instant de référence est un instant d'échantillonnage d'un second desdits signaux analogiques.

3. Procédé selon la revendication 1, comprenant en outre une étape consistant à combiner au moins deux échantillons numériques originels, élaborés pour un second desdits signaux à des instants d'échantillonnage respectifs, pour former par interpolation un échantillon numérique dérivéreprésentatif de la valeur prise par ce second signal audit instant de référence.

4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'interpolation est linéaire.

5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel au moins l'un des instants d'échantillonnage utilisés pour l'interpolation est antérieur à l'instant de référence.

6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel une séquence consistant à fournir sélectivement, à chaque instant d'échantillonnage, l'un ou l'autre desdits signaux audit premier convertisseur pour l'élaboration d'un échantillon numérique originel correspondant, est stockée dans des moyens de mémoire (310), ladite séquence pouvant en outre être modifiable en dynamique.

7. Procédé selon la revendication 6, dans lequel les moyens de mémoire comprennent un ensemble de registres dudit premier convertisseur.

8. Procédé selon la revendication 6, dans lequel les moyens de mémoire comprennent la mémoire vive d'un processeur relié audit premier convertisseur par l'intermédiaire d'un contrôleur (DMA).

9. Utilisation du procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, pour le contrôle des courants de phase, en un instant de référence, d'un dispositif à courant triphasé équilibré.

10. Dispositif de mise en œuvre le procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, comprenant des moyens de mesure d'au moins deux signaux analogiques, configurés pour réaliser au moins une opération consistant à élaborer, à des instants d'échantillonnage successifs et au moins au moyen d'un premier convertisseur analogique/numérique (320), des échantillons numériques représentatifs des valeurs respectivement prises par ces signaux à ces instants d'échantillonnage, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens pour fournir sélectivement, à chaque instant d'échantillonnage, l'un ou l'autre desdits signaux audit premier convertisseur (320) pour l'élaboration d'un échantillon numérique originel correspondant, et des moyens pour combiner au moins deux échantillons numériques originels, élaborés pour un premier au moins desdits signaux à des instants d'échantillonnage respectifs, pour former par interpolation un échantillon numérique dérivé représentatif de la valeur prise par ce premier signal à un instant de référence temporellement décalé par rapport à chacun des instants d'échantillonnage de ce premier signal.25