FR2960718A1 - Dispositif et procede de commutation de phase pour un moteur sans balai et sans capteur de position - Google Patents

Abstract

L'invention propose un dispositif de commutation de phase (2) pour un moteur sans balai (6) et sans capteur de position, ledit dispositif (2) comprenant : • le moteur sans balai (6) équipé de bobines, • un microcontrôleur (1) envoyant un signal de tension (PWM), un signal de direction de rotation (DIR) et un signal de commutation (C) par une troisième sortie (12) à un circuit de commutation (3), qui contrôle les commutations de phase des bobines par l'intermédiaire d'un étage de commande (4) du moteur sans balai (6), • une unité de traitement de la tension induite (5), connectée au circuit de commutation (3) recevant la mesure de la tension induite de chaque bobine et envoyant au microcontrôleur (1) les instants de passage à zéro (Z) nécessaires pour produire le signal de commutation (C). comportant en outre : • une horloge (7), connectée à l'unité de traitement de la tension induite (5), mesurant le temps écoulé entre le passage à zéro (Z) et la commutation suivante afin de générer un signal de commutation (C') • une unité de sélection (8) connectée à l'horloge (7), au circuit de commutation (3) et au microcontrôleur (1) permettant au microcontrôleur (1) de sélectionner, selon l'au moins un paramètre de fonctionnement du moteur (6), le signal de commutation (C') provenant de l'horloge (7) ou le signal de commutation (C) provenant du microcontrôleur (1) à envoyer au circuit de commutation (3).

Description

L'invention concerne un dispositif et un procédé de commutation pour un moteur sans balai, appelé aussi moteur sans collecteur tournant ou « brushless motor » en anglais et sans capteur de position. Les moteurs sans balai ou « brushless » sont des moteurs comportant un stator et un rotor. Le stator comporte plusieurs bobinages alimentés en courant continu et le rotor consiste en un aimant permanent. Le champ magnétique induit par le courant circulant dans les bobines fait tourner l'aimant. Il est nécessaire de commuter l'alimentation délivrée aux bobines (généralement au nombre de trois, pour ces moteurs en alimentation triphasée) de manière précise en relation avec la position de l'aimant afin de faire tourner celui-ci de manière régulière et sans à-coups. Pour réaliser la commutation de manière précise, il est connu d'équiper le moteur de capteurs de position à effet Hall, généralement au nombre de trois, permettant de déterminer la position de l'aimant. Ceci est connu de l'homme du métier et ne sera pas plus détaillé ici. Chaque capteur de position à effet Hall nécessitant une alimentation, une mise à la masse et délivrant une information de position, il s'ensuit cinq connexions filaires pour ces trois capteurs (trois informations de position, une alimentation et une mise à la masse). L'utilisation de tels capteurs de position à effet Hall signifie donc un moteur relativement complexe, engendrant une augmentation de son coût et une probabilité élevée de défaillances étant donné le nombre de connexions filaires.

Une solution à ces inconvénients consiste en la technologie du moteur sans balai sans capteur, appelée « Brushless sensorless motor» en anglais. La commutation d'alimentation entre les trois phases, c'est-à-dire entre les trois bobines, est réalisée de manière purement électronique sans capteur dédié. Cette commutation d'alimentation (appelée commutation de phase) est basée sur l'utilisation de la tension induite résultante dans une bobine (appelée «Back EMF », ou « Back ElectroMotive Force », c'est-à-dire force contre-électromotrice en français), lorsque les deux autres bobines sont alimentées électriquement. La mesure de cette tension induite dans la troisième bobine permet d'anticiper la prochaine commutation d'alimentation à réaliser. Pour cela, la méthode consiste à détecter le passage à zéro (ou « zero crossing » en anglais) de cette tension induite. Ce passage à zéro est défini comme correspondant à la valeur de la tension induite dans la bobine non alimentée égale à la moitié de la tension alimentant les deux autres bobines, c'est-à-dire les deux autres phases. En effet, à vitesse constante ou quasi-constante, le temps écoulé entre une commutation des phases et le passage à zéro suivant est égal au temps écoulé entre ce passage à zéro et la commutation suivante. II est donc facile, de cette manière, d'anticiper et de déclencher la prochaine commutation. Ce principe est illustré aux figures 1 et 2. A la figure 1, sont illustrées les tensions induites V1, V2, et V3 (figures 1 a, 1 b et l c) apparaissant sur les trois bobines en fonction du temps t. Pour chaque courbe 1 a, lb, 1c représentant la tension induite, les points de passage à zéro Z sont représentés. La méthode de commutation de phase basée sur les points de passage à zéro fonctionne de la manière suivante : de la tension induite V3 et du point de passage à zéro Z;, on en déduit l'instant de la commutation tC1, puis de la tension induite V1, et du point du passage à zéro Zi l'instant de la commutation tC2, de la tension induite V2, et du point de passage à zéro Zk on en déduit l'instant de la commutation tc3, de la tension induite V3 et du point de passage à zéro Z,, l'instant de la commutation tC4 et ainsi de suite. La courbe C représentant les points de commutation C;, c'est-à-dire C1, C2, C3, C4 est représentée à la figure 1d. La figure 2 illustre plus précisément la méthode de détermination du point Z; de passage à zéro pour la tension induite V1 ; le point de passage à zéro Z; correspond à l'instant où la tension induite V1 équivaut à la moitié de la tension nominale Vref, c'est-à-dire Vref/2 (cf. Figure 2a). C'est-à-dire que le point de passage à zéro Z; se situe à l'instant où V1-VrefI2 = 0 volts. Ce passage à zéro est donc déterminé par rapport à la différence entre la tension induite à un instant donné et la moitié de la tension de référence. Le passage à zéro fait référence au fait qu'à un instant précis, cette différence est nulle. Cette baisse de la tension induite V1 sur cette bobine provient de la dernière commutation de phase C1 (cf. Figure 2b). Le laps de temps t1 (cf. Figure 2c), écoulé entre l'instant où la tension V1 est égale à Vref, (c'est-à-dire tC1) et celui où la tension V1 est égale à Vref/2, est le même que le laps de temps t2 écoulé entre l'instant où la tension V1 est égale à Vref/2 et celui où la tension V1 est égale à 0 (tC2) c'est-à-dire l'instant de la prochaine commutation de phase C2. La détermination du point de passage à zéro Zi permet donc d'anticiper aisément la prochaine commutation C2. Cette méthode de détermination de la commutation de phase pour un moteur sans balai, ni capteur, est connue de l'homme du métier. Cependant, elle n'est valable que lorsque le moteur tourne à vitesse constante. En effet, l'amplitude de la tension induite (Vref dans l'exemple de la figure 2a) étant proportionnelle à la vitesse de rotation du moteur, cette tension induite est trop faible au démarrage du moteur pour être utilisable pour la détermination du point de passage à zéro. Puis, lors de la période d'accélération qui s'ensuit, la relation entre l'instant du passage à zéro Zi et les commutations de phase C1 et C2r expliquée plus haut (Z se situant au milieu de ses commutations lors de régime constant, cf. Figures 2a, 2b et 2c) n'est plus valable. Pour ces périodes de démarrage, il est connu d'utiliser des profils de démarrage spécifiques, mettant en oeuvre des algorithmes plus complexes. Pour des buts de simplification, les tensions d'alimentation VI, V2, et V3 ont été représentées constantes. Elles peuvent cependant avoir la forme d'une modulation de la 5 largeur d'impulsion, c'est-à-dire avoir la forme d'un signal «PWM » (« Pulse Width Modulation » en anglais). Nous nous limiterons ici au cas où la vitesse du moteur sans balai est constante ou quasi constante et non nulle et où la relation décrite ci dessus, entre les points de passage à zéro Z et les instants de commutations C;, reste valable. 10 Le dispositif de l'art antérieur permettant de commuter les phases selon cette méthode est illustré à la figure 3. Le dispositif de commutation 2 comprend un microcontrôleur 1 qui envoie à un circuit de commutation 3 du moteur sans balai ni capteur 6 les informations suivantes : - un signal « PWM » de contrôle des tensions d'alimentation des bobines par une 15 première sortie 10, - la direction de rotation du moteur « DIR » par une deuxième sortie 11, - un signal de commutation « C » par une troisième sortie 12. Ces informations servent à faire fonctionner le moteur sans balai 6 à l'aide de l'étage de commande du moteur 4 qui reçoit ces consignes c'est-à-dire PWM, DIR, et C. 20 Chacune des bobines 6a, 6b, 6c du moteur sans balai 6 est reliée à une unité de traitement de la tension induite 5. Lors de l'apparition de tensions induites stables et non nulles V,, V2, V3 dans chacune de ces bobines, significatives d'un régime constant du moteur sans balai 6, celles-ci sont mesurées et traitées par l'unité de traitement de la tension induite 5 afin d'en déterminer les points de passage à zéro Z. Ce traitement est 25 réalisé à l'aide des informations (PWM, DIR, C) provenant du circuit de commutation 3. Une fois ces points Z déterminés, ils sont envoyés au microcontrôleur 1 (par l'entrée 13 du microcontrôleur 1) afin que celui-ci en déduise les prochaines commutations et les renvoie au circuit de commutation 3 sous la forme du signal de commutation C. Ce dispositif est connu de l'homme du métier. 30 Cependant, ce dispositif de commutation requiert un microcontrôleur 1 puissant car celui-ci doit gérer en temps réel l'information concernant des points de passage à zéro Z pour informer à temps le circuit de commutation 3 des prochaines commutations. Le moteur sans balai 6 pouvant tourner très vite, ce traitement en temps réel demande une charge de traitement du processeur (ou «CPU Joad » « Central Processing Unit 35 load », en anglais) du microcontrôleur 1 conséquente. Le microcontrôleur 1 doit donc être puissant et sa charge CPU dimensionnée pour gérer en temps réel la commutation des phases du moteur sans balai sans capteur 6. Tout ceci a un coût non négligeable.

Ce sont ces inconvénients que la présente invention se propose de résoudre. L'invention propose un dispositif et un procédé permettant, une fois que le moteur sans balai tourne à une vitesse suffisante, stable, non nulle de gérer la commutation des phases du moteur sans balai sans capteur, tout en réduisant considérablement la charge du processeur du microcontrôleur. Pour cela, l'invention consiste en un dispositif de commutation de phase pour un moteur sans balai et sans capteur de position, ledit dispositif comprenant : - le moteur sans balai équipé de bobines, - un microcontrôleur envoyant un signal de commutation par une sortie à un 10 circuit de commutation, - un circuit de commutation, contrôlant les commutations de phase des bobines, par l'intermédiaire d'un étage de commande du moteur sans balai, - une unité de traitement de la tension induite, connectée au circuit de commutation et à chaque bobine, recevant la mesure de la tension induite de 15 chaque bobine, et envoyant au microcontrôleur les instants de passage à zéro nécessaires pour produire le signal de commutation. selon l'invention, le dispositif comportant en outre : - une horloge, connectée à l'unité de traitement de la tension induite, mesurant le temps écoulé entre le passage à zéro et la commutation suivante afin de 20 générer un signal de commutation, - une unité de sélection connectée à l'horloge, au circuit de commutation et au microcontrôleur permettant au microcontrôleur de sélectionner, selon l'au moins un paramètre de fonctionnement du moteur, le signal de commutation provenant de l'horloge ou le signal de commutation provenant du 25 microcontrôleur à envoyer au circuit de commutation. Selon un aspect judicieux de l'invention, le microcontrôleur envoie en outre un signal de contrôle des tensions par une première sortie, et un signal de direction de rotation par une deuxième sortie au circuit de commutation et l'au moins un paramètre de fonctionnement du moteur est le régime moteur et/ou de la stabilité du régime moteur. 30 Dans un mode de réalisation particulier et préférentiel de l'invention, l'unité de sélection est une résistance connectée au circuit de commutation par l'intermédiaire de la troisième sortie du microcontrôleur. Dans un autre mode de réalisation de l'invention, l'unité de sélection est un multiplexeur possédant une entrée logique de sélection connectée au microcontrôleur 35 permettant de sélectionner le signal de commutation provenant de la troisième sortie du microcontrôleur ou le signal de commutation provenant de l'horloge à envoyer au circuit de commutation.

L'invention concerne tout calculateur électronique de véhicule automobile comportant le dispositif de commutation de phases décrit ci-dessus. Enfin, l'invention concerne aussi un procédé de commutation de phases mettant en oeuvre le dispositif décrit ci-dessus.

D'autres objets, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre à titre d'exemple non limitatif et à l'examen des dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 (1a, 1b, 1c et Id), déjà expliquée précédemment, est une représentation graphique du passage à zéro des tensions induites par les trois bobines du moteur sans balai, - la figure 2 (2a, 2b, 2c), déjà expliquée précédemment, est une représentation graphique de la méthode utilisée pour déterminer les points de passage à zéro, - la figure 3, déjà expliquée précédemment, est une représentation schématique du dispositif de commutation de phase du moteur sans balai et sans capteur, selon l'art antérieur, - la figure 4 est une représentation schématique d'un premier mode de réalisation du dispositif de commutation de phase sans balai et sans capteur selon l'invention, - la figure 5 est une représentation schématique d'un deuxième mode de réalisation du dispositif de commutation de phase sans balai et sans capteur selon l'invention. Les figures 1, 2 et 3 représentent l'état de l'art concernant le procédé et le dispositif de commutation de phase d'un moteur sans balai sans capteur et ont été décrites précédemment.

Le dispositif, selon l'invention, est représenté à la figure 4, qui reprend le dispositif illustré à la figure 3 pour les éléments ayant la même référence. L'invention propose de connecter l'unité de traitement de la tension induite 5 à une horloge 7 puis à une unité de sélection 8, elle-même reliée au circuit de commutation 3 et au microcontrôleur 1.

En régime constant du moteur sans balai 6, les tensions induites V,, V2, V3 provenant des bobines 6a, 6b, 6c ont une valeur suffisamment élevée et constante pour en déduire les passages à zéro Z par l'unité de traitement 5 comme expliqué par l'art antérieur. Selon l'invention, l'horloge 7 reçoit cette information (provenant de l'unité de traitement de la tension induite 5) et mesure alors le temps entre une commutation et le passage à zéro suivant. Elle compte ensuite la même durée et génère le prochain signal de commutation. Elle cadence ainsi les commutations et envoie au circuit de commutation 3 un signal de commutation C' par l'intermédiaire de l'unité de sélection 8, à la place du signal de commutation C envoyé précédemment par le microcontrôleur 1. Ce dernier continue de gérer les commutations, c'est-à-dire d'envoyer le signal de commutation C pendant les périodes de démarrage du moteur sans balai 6. L'invention réside dans le fait que, pendant les périodes de régime stable du moteur sans balai, le signal de commutation C' provient de l'horloge 7. Dans un mode de réalisation, illustré à la figure 4, l'unité de sélection 8 est un multiplexeur comportant deux entrées, un signal de sélection d'entrée et une sortie. Une entrée est reliée à la sortie 12 du microcontrôleur 1 qui envoie le signal de commutation C, une autre entrée est reliée à l'horloge 7 qui envoie le signal de commutation C' et le signal de sélection d'entrée S une entrée logique de sélection S provenant du microcontrôleur 1 (sortie 14 du microcontrôleur 1) permettant de choisir le signal de commutation C (provenant du microcontrôleur 1) ou l'information de commutation C' (provenant de l'horloge 7) selon un critère de sélection basé sur au moins un paramètre de fonctionnement du moteur sans balai 6. La sortie du multiplexeur est connectée au circuit de commutation 3. De préférence, l'au moins un paramètre de fonctionnement du moteur sans balai 6 est la valeur et/ou la stabilité de la vitesse du moteur sans balai 6. Ainsi, lorsque le moteur sans balai 6 a atteint un régime stable et suffisamment élevé, le microcontrôleur 1 change l'information contenue dans le signal de sélection S afin que le multiplexeur 8 sélectionne le signal de commutation C' provenant de l'horloge 7 à la place du signal de commutation C provenant du microcontrôleur 1. Le microcontrôleur 1 est alors déchargé des calculs et la charge de calculs du processeur est allégée. Dans un autre mode de réalisation, illustré à la figure 5, l'unité de sélection 8 consiste en une résistance, connectée au circuit de commutation 3 par la troisième sortie 12 du microcontrôleur 1. A la fin d'une phase de démarrage, le microcontrôleur 1 déduit que le moteur sans balai 6 est en régime constant par l'intermédiaire de la fréquence des passages à zéro Z provenant de l'unité de traitement de la tension induite 5 qu'il reçoit et analyse. Il positionne alors la troisième sortie 12 en entrée, c'est-à-dire en haute impédance, pour que le signal de commutation C' provenant de l'horloge 7 par la résistance 8, prenne le relais, c'est-à-dire qu'elle soit transmise au circuit de commutation 3, à la place du signal de commutation C provenant du microcontrôleur 1. Le changement d'état de la troisième sortie 12 du microcontrôleur 1 en entrée est réalisé par une programmation du logiciel du microcontrôleur 1 sans composant additionnel. En effet, du fait du régime constant du moteur sans balai 6, la fréquence de commutation, c'est-à-dire la fréquence entre un passage à zéro Z et la commutation suivante, est répétable. Le dispositif de commutation de phase, selon l'invention, permet, à l'aide d'une horloge 7 et d'une unité de sélection 8 externes au microcontrôleur 1, d'utiliser cette fréquence fixe de commutation afin de déclencher les prochaines commutations sans solliciter l'utilisation du microcontrôleur 1. Ceci permet de réduire la charge de calcul du processeur du microcontrôleur 1 qui était nécessaire aux commutations dans l'art antérieur. Bien sûr, lors des périodes de démarrage du moteur 1, l'unité de sélection 8 reste en position où le signal de commutation C provient du microcontrôleur 1, le microcontrôleur 1 reste sollicité et l'horloge 7 n'est pas utilisée. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit et représenté qui n'a été donné qu'à titre d'exemple.

Claims (7)

1. REVENDICATIONS1. Dispositif de commutation de phase (2) pour un moteur sans balai (6) et sans capteur de position, ledit dispositif (2) comprenant : - le moteur sans balai (6) équipé de bobines (6a, 6b, 6c), - un microcontrôleur (1) envoyant un signal de commutation (C) par une sortie (12) à un circuit de commutation (3), - un circuit de commutation (3), contrôlant les commutations de phase du moteur sans balai (6), par l'intermédiaire d'un étage de commande (4) du moteur sans balai (6), - une unité de traitement de la tension induite (5), connectée au circuit de commutation (3) et à chaque bobine (6a, 6b, 6c), recevant la mesure de la tension induite (V1, V2, V3) de chaque bobine (6a, 6b, 6c) et envoyant au microcontrôleur (1) les instants de passage à zéro (Z) nécessaires pour produire le signal de commutation (C), caractérisé en ce que, le dispositif comporte en outre : - une horloge (7), connectée à l'unité de traitement de la tension induite (5), mesurant le temps écoulé entre le passage à zéro (Z) et la commutation suivante, afin de générer un signal de commutation (C') - une unité de sélection (8) connectée à l'horloge (7), au circuit de commutation (3) et au microcontrôleur (1) permettant au microcontrôleur (1) de sélectionner, selon l'au moins un paramètre de fonctionnement du moteur (6), le signal de commutation (C') provenant de l'horloge (7) ou le signal de commutation (C) provenant du microcontrôleur (1) à envoyer au circuit de commutation (3).
2. 2. Dispositif de commutation de phase selon la revendication 1, caractérisé en ce que le microcontrôleur (1) envoie en outre un signal de contrôle des tensions (PWM) et un signal de direction de rotation du moteur (DIR) au circuit de commutation (3) et que l'au moins un paramètre de fonctionnement du moteur est le régime moteur.
3. 3. Dispositif de commutation de phase selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'au moins un paramètre de fonctionnement du moteur est la stabilité du régime 30 moteur.
4. 4. Dispositif de commutation de phase selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'unité de sélection (8) est une résistance connectée au circuit de commutation (3) par l'intermédiaire de la troisième sortie (12) du microcontrôleur (1). 35
5. 5. Dispositif de commutation de phase selon les revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'unité de sélection (8) est un multiplexeur possédant une entrée logique desélection (S) connectée au microcontrôleur (1) permettant de sélectionner le signal de commutation (C) provenant de la troisième sortie (12) du microcontrôleur (1) ou le signal de commutation (C') provenant de l'horloge (7) à envoyer au circuit de commutation (3).
6. 6. Calculateur électronique de véhicule automobile comportant le dispositif de commutation de phases selon l'une quelconque des revendications précédentes.
7. 7. Procédé de commutation de phases mettant en oeuvre le dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes.