FR2978632A1

FR2978632A1 - Systeme de controle d'une machine electrique

Info

Publication number: FR2978632A1
Application number: FR1156762A
Authority: FR
Inventors: Serge Loudot; Estebanez Pablo Garcia; Florence Olmi
Original assignee: Renault SAS
Current assignee: Renault SAS
Priority date: 2011-07-25
Filing date: 2011-07-25
Publication date: 2013-02-01
Anticipated expiration: 2031-07-25
Also published as: FR2978632B1

Abstract

Système de contrôle pour une machine électrique (MEL) alimentée par une batterie (BAT) dont le courant est ondulé par un onduleur (OND). Il comprend un module de mesure (MTE) pour mesurer la tension du point neutre (Un) de la machine électrique (MEL), des moyens de filtrage (MFN) de la tension mesurée et des moyens de traitement (MTT) de la tension filtrée (Un') pour détecter des défauts de fonctionnement de la machine électrique.

Description

B11-1610FR 1 Système de contrôle d'une machine électrique

L'invention concerne le contrôle d'une machine électrique et notamment le contrôle d'un moteur électrique d'un véhicule automobile électrique ou hybride. Une machine électrique polyphasée est alimentée par plusieurs courants. Chacun de ces courants est déphasé par rapport aux autres.

La référence de potentiel pour les phases de ces différents courants est le neutre. Par exemple, une machine électrique triphasée comporte trois bornes d'alimentation, à savoir une première borne qui est destinée à recevoir un premier courant avec une première phase, une deuxième borne qui est destinée à recevoir un deuxième courant avec une deuxième phase, déphasé du premier courant d'une valeur 120°, une troisième borne qui est destiné à recevoir un troisième courant avec une troisième phase, déphasé du deuxième courant d'un valeur 120°. Il est connu de la demande de brevet WO2009136381 de mesurer la tension au point neutre pour générer une estimation de la position angulaire du rotor de la machine électrique. Les machines électriques polyphasées peuvent présenter entre autres des défauts de déséquilibre entre les différentes phases. La détection de ces défauts n'est pas toujours simple. Elle consiste généralement à mesurer le courant des différentes phases. Au vu de ce qui précède, l'invention propose un système de contrôle d'une machine électrique polyphasée capable d'identifier un défaut de fonctionnement d'une telle machine. Plus particulièrement, l'invention concerne un système de contrôle pour une machine électrique polyphasée alimentée par une batterie dont le courant est ondulé par un onduleur. Ce système comprend un module de mesure pour mesurer la tension du point neutre de la machine électrique par rapport à la borne négative de la batterie, des moyens de filtrage de la tension mesurée et des moyens de traitement de la tension filtrée pour détecter des défauts de fonctionnement de la machine électrique. I1 est ainsi possible de détecter des défauts de fonctionnement de la machine électrique en utilisant des traitements simples, à partir de la mesure de la tension du point neutre par rapport à la borne négative de la batterie. Selon un mode de réalisation, les moyens de filtrage sont configurés pour conserver dans la tension filtrée la composante de la tension au point neutre se situant à la fréquence électrique de pilotage de la machine électrique. En effet, en ne considérant que la composante correspondant à la fréquence de pilotage ou harmonique 1, on peut facilement mettre en évidence des défauts de déséquilibre entre les phases de la machine électrique.

Selon une autre caractéristique, les moyens de filtrage ont une fréquence de coupure réglable et le système de contrôle est configuré pour faire varier la fréquence de coupure des moyens de filtrage de telle sorte que ladite fréquence de coupure soit supérieure ou égale à la fréquence de pilotage de la machine électrique.

I1 est ainsi possible en modifiant la fréquence de coupure de conserver celle-ci proche de la fréquence de pilotage. En utilisant une fréquence de coupure supérieure on peut conserver dans le spectre du signal filtré, en plus de la fréquence de pilotage, la fréquence au troisième harmonique ce qui permet de faire une étude de la modification du spectre. Les moyens de filtrage peuvent avoir une fréquence de coupure réglable, le système de contrôle étant configuré pour faire varier la fréquence de coupure des moyens de filtrage en fonction de la vitesse de rotation de la machine électrique.

On peut ainsi contrôler facilement la fréquence de coupure en fonction de la vitesse de rotation. Cela est avantageux, car on peut ainsi poursuivre l'analyse de la fréquence de pilotage sans mesurer la fréquence de pilotage étant donné que la vitesse de rotation est directement dépendante de la fréquence de pilotage.

Selon un autre mode de réalisation, le système électrique comprend un circuit intégré qui implémente un logiciel capable de contrôler l'onduleur, lesdits moyens de filtrage étant réalisés par ledit circuit intégré.

Cela permet de minimiser les coûts et de réaliser les calculs de filtrage à une fréquence adéquate et dans une structure compatible. Par exemple, les moyens de traitement comprennent des moyens de détection du franchissement par la tension électrique mesurée filtrée d'un seuil maximum ou d'un seuil minimum.

Une simple comparaison de la tension avec un seuil permet ainsi de détecter un défaut de fonctionnement. Selon un mode de réalisation, les moyens de traitement comprennent des moyens de calcul du spectre de la tension mesurée filtrée et des moyens de détection de franchissement par ce spectre d'un seuil maximum pour au moins une fréquence donnée. Après le calcul du spectre, par exemple en utilisant des transformées de Fourier rapides de type FFT selon un acronyme anglo-saxon bien connu de l'homme du métier, il est possible de déterminer rapidement la présence d'un défaut de fonctionnement.

Selon une autre caractéristique, les moyens de traitement comprennent des moyens de comptages des franchissements détectés. Une hiérarchisation est ainsi possible entre la détection du défaut et une alarme de l'utilisateur ou du service de maintenance. En d'autres termes, on peut prévoir dans les moyens de traitement des moyens d'alarme qui sont configurés pour générer une alarme lorsque le nombre de défauts atteint une certaine valeur. Selon un autre aspect, il est proposé un procédé de contrôle du fonctionnement d'une machine électrique polyphasée alimentée par une batterie dont le courant est ondulé par un onduleur, comprenant : -une mesure de la tension du point neutre de la machine électrique ; - un filtrage de la tension mesurée ; et - une étape de traitement de la tension filtrée pour détecter des défauts de fonctionnement de la machine électrique.

Selon un mode de mise en oeuvre, le filtrage est réalisé de manière à conserver dans la tension filtrée la composante de la tension au point neutre se situant à la fréquence de pilotage de la machine électrique.

Selon une autre caractéristique, le filtrage est réalisé par des moyens de filtrage dont on fait varier la fréquence de coupure de telle sorte que ladite fréquence de coupure soit supérieure ou égale à la fréquence de pilotage de la machine électrique. Par exemple, le filtrage est réalisé par des moyens de filtrage dont on fait varier la fréquence de coupure en fonction de la vitesse de rotation de la machine électrique. Le traitement peut comprendre une étape de détection du franchissement par la tension électrique mesurée filtrée d'un seuil maximum ou d'un seuil minimum.

Selon un mode de mise en oeuvre, le traitement comprend une étape de calcul du spectre de la tension mesurée filtrée et une étape de détection de franchissement par ce spectre d'un seuil maximum pour au moins une fréquence donnée. Selon encore une autre caractéristique, le procédé comprend une étape de comptage des franchissements détectés. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée d'un mode de réalisation, nullement limitatif, et des dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 illustre de manière schématique un système électrique muni d'un système de contrôle selon l'invention, - la figure 2 illustre le principe de fonctionnement d'un système de contrôle selon l'invention, - les figures 3a et 3b illustrent le profil de filtrage des filtres utilisés par le système de contrôle, - la figure 4 illustre le gabarit temporel pour la détection d'erreur du système de contrôle, - la figure 5 illustre le gabarit fréquentiel pour la détection d'erreur du système de contrôle.

La figure 1 représente un système électrique muni d'un système de contrôle DCO selon l'invention. Un tel système est par exemple destiné à être intégré dans un véhicule automobile. Le système électrique comprend successivement une batterie de traction BAT, un onduleur OND, une machine électrique polyphasée ou moteur électrique MEL alimenté par la batterie par l'intermédiaire de l'onduleur, un circuit intégré CIN de contrôle, un redresseur RED, un filtre d'entrée FIE, une inductance TRS, et un module de compatibilité électromagnétique MCE destiné à être relié à un réseau triphasé RTR. L'onduleur comprend à titre d'exemple de réalisation des transistors IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) selon un terme anglo-saxon bien connu de l'homme du métier. Le filtre d'entrée peut comprendre des capacités. Le redresseur comprend également à titre d'exemple de réalisation des transistors IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor). Le circuit intégré CIN est adapté pour contrôler l'onduleur OND. Pour cela il comprend par exemple un logiciel bas niveau qui contrôle l'onduleur. En mode de charge, le réseau triphasé RTR fournit une tension de charge triphasée. Cette tension est filtrée par le filtre d'entrée FIE, le filtre d'entrée étant séparé du réseau triphasé par le module MCE. Le redresseur RED redresse alors la tension de charge filtrée. Cette tension est élevée par l'onduleur OND et charge la batterie de traction BAT.

En mode de roulage du véhicule automobile, la machine électrique MEL est alimentée par la batterie de traction BAT via l'onduleur OND qui permet de délivrer à la machine électrique un courant alternatif triphasé ayant une amplitude et une fréquence dite fréquence de pilotage Fe variable.

Le système de contrôle DCO est adapté pour détecter des défauts de fonctionnement de la machine électrique lors du mode de roulage du véhicule automobile.

Le système de contrôle DCO comprend un module MTE de mesure de tension, des moyens de filtrage MFN et des moyens de traitement MTT. Le module MTE est adapté pour mesurer la tension au point neutre de la machine électrique. Les moyens MFN sont configurés pour filtrer la tension mesurée par le module de mesure de tension MTE. A titre d'exemple de réalisation, ces moyens de filtrage sont numériques. Les moyens de filtrage peuvent toutefois être implantés dans le circuit intégré CIN.

Les moyens de filtrage peuvent être réalisés sous la forme de filtre linéaires IIR ou FIR (Infinite Impulse Response ou Finite Impulse Response selon des termes anglais bien connus dans le traitement du signal qui divisent en deux catégories les filtres linéaires). Ils peuvent également être réalisés sous la forme de filtres non linéaires. Ils peuvent par exemple être réalisés sous la forme d'un banc de plusieurs filtres ou sous la forme d'un seul filtre. Les moyens de traitement MTT sont configurés pour traiter la tension filtrée par les moyens MFN. Ils peuvent ainsi détecter des défauts de fonctionnement de la machine électrique MEL. Les moyens de traitement MTT comprennent : - des moyens de détection du franchissement MDF par la tension électrique mesurée filtrée par les moyens MFN d'un seuil maximum Smax ou d'un seuil minimum Smin ; - des moyens de calcul du spectre CAL de la tension mesurée filtrée par les moyens MFN ; et - des moyens de détection de franchissement par le spectre MDFS d'un seuil maximum SSmax pour au moins une fréquence donnée par exemple la fréquence de pilotage Fe. Les moyens MTT comprennent également des moyens de comptage des franchissements MCN détectés. L'ensemble des moyens MTT peuvent être implémentés sous forme de modules logiciels par exemple dans un ou plusieurs calculateurs ou dans le circuit intégré CIN.

La figure 2 représente le principe de fonctionnement du contrôle réalisé par le système de contrôle DCO. Le bloc 21 fonctionnel correspond aux fonctions de contrôle de l'onduleur OND réalisées par le logiciel bas niveau implanté dans le circuit CIN. Ces fonctions comprennent la génération du compteur PWM (pour Pulse Width Modulation selon un terme anglo-saxon bien connu de l'homme du métier), le découpage et la génération des ordres de commande des interrupteurs destinés par exemple aux transistors IGBT de l'onduleur OND.

Les ordres de commande des interrupteurs sont générés en fonction du signal PWM et notamment d'une fréquence de découpage Fpwm. La fréquence de découpage correspond à l'inverse du temps écoulé entre deux valeurs maximales du compteur PWM. Elle est aussi appelée « fréquence de la PWM ». La fréquence d'horloge de la tâche de fond qui sert à générer le compteur PWM est FS1 laquelle est nettement plus élevée que la "fréquence de la PWM". Par exemple, la fréquence FS1 peut être 20MHz pour une fréquence de découpage de 10 kHz. Le bloc fonctionnel 22 correspond à l'ensemble onduleur OND et machine électrique MEL. Les ordres de commande des interrupteurs sortant du bloc 21 contrôlent le courant triphasé généré par l'onduleur OND de sorte que la fréquence de pilotage Fe du courant généré par l'onduleur OND est directement reliée à la fréquence Fpwm (Fe est bien moins important que Fpwm). Ainsi, la vitesse de rotation de la machine électrique MEL dépend de la fréquence Fpwm. La fréquence Fe est également appelée la fréquence de la fondamentale électrique du système triphasé de courant, elle correspond à la fréquence de chacune des phases du courant triphasé qui alimente la machine électrique. Le bloc fonctionnel 23 correspond aux fonctions de régulation des blocs 21 et 22. Pour cela, il utilise des mesures réalisées en continu par des moyens de mesure classiques sur les différentes phases et sur la position de la machine électrique. En fonction de ces mesures, le bloc 23 assure un contrôle des rapports cycliques qui sont utilisés par le bloc 21 pour la génération du compteur PWM et le découpage. Cette régulation est réalisée à la fréquence FS2 qui est en générale proche de FS1. A titre d'exemple de réalisation, le bloc 23 est réalisé par un logiciel haut niveau. Dans ce cas, il peut être implémenté dans le circuit intégré CIN. I1 est proposé d'une part d'ajouter aux mesures de position et de phases, une mesure de la tension « Un » au point neutre de la machine électrique MEL réalisée par les moyens MTE et d'autre part d'ajouter aux blocs 21, 22, 23, deux blocs de contrôle 24 et 25 qui utilisent cette mesure. Le bloc fonctionnel 24 correspond à des fonctions de filtrage. Ces fonctions sont réalisées par les moyens de filtrage MFN. Les moyens de filtrage MFN filtrent la tension « Un » pour délivrer la tension « Un' ». Plus précisément, les moyens de filtrage MFN filtrent dans la tension Un la fréquence de pilotage de manière à conserver dans la tension filtrée « Un'» les composantes de la tension au point neutre « Un » qui ont une fréquence autour de la fréquence de pilotage et à éliminer les autres.

Le traitement du signal à cette fréquence est particulièrement avantageux. En effet, en fonctionnement normal, lorsque l'on utilise pour l'onduleur OND une modulation de type « space vector » (selon un terme anglo-saxon bien connu de l'homme du métier), la tension du point neutre prend alternativement les valeurs 0, VBAT/3, 2. VBAT/3 et VBAT avec VBAT la tension de la batterie. L'harmonique 3 (3. Fe) est ainsi prédominant dans le cas d'un fonctionnement normal. Par ailleurs, la valeur moyenne de la tension du point neutre est VBAT/2. Au contraire, en cas de dysfonctionnement, par exemple dans le cas d'un déséquilibre dû à un défaut dans une ou plusieurs phases (par exemple des spires sont en court circuit pour une bobine statorique d'une des phases), il apparait un harmonique (harmonique 1, Fe) qui devient prédominant. Ainsi, la tension filtrée à la fréquence de l'harmonique 1 « Un' » peut être utilisée par des moyens de traitement pour détecter un déséquilibre de charge. Dans le cas où les moyens de filtrage MFN sont numériques, ils comprennent des moyens d'échantillonnage. Ces moyens d'échantillonnage sont configurés pour échantillonner la tension mesurée par le module MTE à une fréquence FS3. La fréquence FS3 est avantageusement un multiple entier de la fréquence PWM de manière à pouvoir échantillonner le signal « Un » avec une fenêtre correspondant à un nombre entier d'impulsions PWM.

Par ailleurs, étant donné que la vitesse de rotation de la machine électrique MEL est variable, la fréquence Fe est également variable et les moyens de filtrage MFN disposent d'une fréquence de coupure variable qui varie en suivant la fréquence Fe. Pour cela, dans le cas où les moyens MFN sont numériques, leur fréquence de coupure est ajustée par les moyens DCO de manière que la fréquence de coupure Fc soit supérieure ou égale à Fe. Dans le cas où les moyens MFN ne sont pas numériques, ils comprennent des capacités et/ou des bobines et les capacités et/ou les bobines ont des valeurs réglables par les moyens DCO.

Selon un mode de réalisation, la fréquence de coupure des moyens de filtrage MFN varie en fonction de la vitesse de rotation de la machine électrique MEL. En effet, étant donné que la vitesse de rotation de la machine électrique MEL est dépendante de la fréquence de pilotage Fe, il est possible d'ajuster la fréquence de coupure des moyens MFN en fonction de la fréquence Fe sans mesurer la fréquence Fe. Ainsi, seule la vitesse de rotation est mesurée. Le bloc fonctionnel 25 correspond aux fonctions de détection de défaut réalisées par les moyens MTT. Ces fonctions sont réalisées sur la tension filtrée « Un' ». Elles comprennent principalement des détections de franchissement de seuil par exemple en utilisant des gabarits comme cela va être illustré ci après. Les figures 3a et 3b représentent deux profils de filtrage possibles pour les moyens de filtrage MFN. Ils permettent tous deux de conserver la fréquence correspondant au premier harmonique ou fréquence de pilotage. Le filtre ayant le profil 3b a une fréquence de coupure égale à la fréquence de l'harmonique 1. Le filtre ayant le profil 3a a une fréquence de coupure égale à l'harmonique 3, ainsi il conserve également l'harmonique 3 (3. Fe) cela permet une comparaison du niveau relatif de l'harmonique 1 par rapport à l'harmonique 3 et une étude des composantes homopolaires du spectre. Ces deux profils de filtre ne sont donnés qu'à titre d'exemple, tous moyens de filtrage par exemple un filtre passe bas, passe haut, passe bande permettant de filtrer dans la tension au point neutre tout ce qui ne correspond pas à l'harmonique 1 et/ou l'harmonique 3 pouvant également être utilisé. En particulier, il peut être avantageux d'utiliser un moyen de filtrage qui supprime la composante continue. En effet, pour un dysfonctionnement de type déséquilibre de charge, la valeur moyenne de la tension au point neutre de la machine électrique MEL commandée en tension triphasée reste VBAT/2. La composante continue n'apporte donc aucune information sur la présence de ce dysfonctionnement. La figure 4 représente un exemple de gabarit de détection utilisé par les moyens MDF des moyens de traitement MTT dans le domaine temporel. Ce gabarit est appliqué sur le signal « Un' » filtré par exemple par le filtre correspondant au profil de la figure 3b. Lorsque l'amplitude de la tension « Un' » franchit un seuil maximum Smax ou un seuil minimum Smin alors les moyens MDF détectent un défaut de fonctionnement. La figure 5 représente un exemple de gabarit de détection utilisé par les moyens MDFS des moyens de traitement MTT dans le domaine fréquentiel. Ce gabarit est appliqué sur le signal « Un' » filtré par exemple par le filtre correspondant au profil de la figure 3a et traité par les moyens de calcul CAL. Lorsque le niveau du spectre à l'harmonique 1 (Fe) dépasse un seuil SSmax prédéfini les moyens MDFS détectent un défaut de fonctionnement.

Les moyens MTT comprennent en outre des moyens de comptage des franchissements détectés par les moyens MDFS et MDF. Cela permet une hiérarchisation entre la détection et une alarme de l'utilisateur. En d'autres termes, les moyens MTT sont configurés pour générer une alarme par exemple au bout d'un certain nombre de franchissements comptés pendant une certaine durée prédéfinie. L'invention telle que décrite permet ainsi une détection de défauts avant la survenu de désagréments ou de problèmes pour l'utilisateur.

Claims

REVENDICATIONS1. Système de contrôle pour une machine électrique polyphasée (MEL) alimentée par une batterie (BAT) dont le courant est ondulé par un onduleur (OND), caractérisé en ce qu'il comprend un module de mesure (MTE) pour mesurer la tension du point neutre (Un) de la machine électrique (MEL), des moyens de filtrage (MFN) de la tension mesurée et des moyens de traitement (MTT) de la tension filtrée (Un') pour détecter des défauts de fonctionnement de la machine électrique.
2. Système selon la revendication 1, dans lequel les moyens de filtrage sont configurés pour conserver dans la tension filtrée (Un') la composante de la tension au point neutre (Un) se situant à la fréquence de pilotage (Fe) de la machine électrique (MEL).
3. Système selon la revendication 2, dans lequel les moyens de filtrage (MFN) ont une fréquence de coupure réglable et le système de contrôle est configuré pour faire varier la fréquence de coupure des moyens de filtrage de telle sorte que ladite fréquence de coupure (Fc) soit supérieure ou égale à la fréquence de pilotage (Fe) de la machine électrique (MEL).
4. Système électrique selon la revendication 2, dans lequel les moyens de filtrage (MFN) ont une fréquence de coupure réglable et le système de contrôle est configuré pour faire varier la fréquence de coupure des moyens de filtrage en fonction de la vitesse de rotation de la machine électrique (MEL).
5. Système électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant un circuit intégré (CIN) qui implémente un logiciel capable de contrôler l'onduleur (OND), lesdits moyens de filtrage (MFN) étant réalisés par ledit circuit intégré.
6. Système électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les moyens de traitement (MTT) comprennent des moyens de détection (MDF) du franchissementpar la tension électrique mesurée filtrée (Un') d'un seuil maximum (Smax) ou d'un seuil minimum (Smin).
7. Système électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les moyens de traitement (MTT) comprennent des moyens de calcul du spectre (CAL) de la tension mesurée filtrée (Un') et des moyens de détection de franchissement (MDFS) par ce spectre d'un seuil maximum (SSmax) pour au moins une fréquence donnée.
8. Système selon l'une des revendications 6 ou 7, dans lequel les moyens de traitement comprennent des moyens de comptages (MCN) des franchissements détectés.
9. Procédé de contrôle du fonctionnement d'une machine électrique polyphasée (MEL) alimentée par une batterie (BAT) dont le courant est ondulé par un onduleur (OND), comprenant : -une mesure de la tension du point neutre (Un) de la machine électrique (MEL); - un filtrage de la tension mesurée ; et - une étape de traitement de la tension filtrée (Un') pour détecter des défauts de fonctionnement de la machine électrique (MEL).
10. Procédé selon la revendication 9, dans lequel le filtrage est réalisé de manière à conserver dans la tension filtrée (Un') la composante de la tension au point neutre (Un) se situant à la fréquence de pilotage (Fe) de la machine électrique (MEL).
11. Procédé selon la revendication 10, dans lequel le filtrage est réalisé par des moyens de filtrage dont on fait varier la fréquence de coupure (Fc) de telle sorte que ladite fréquence de coupure soit supérieure ou égale à la fréquence de pilotage (Fe) de la machine électrique (MEL).
12. Procédé selon la revendication 10, dans lequel le filtrage est réalisé par des moyens de filtrage dont on fait varier la fréquence de coupure (Fc) en fonction de la vitesse de rotation de la machine électrique (MEL).
13. Procédé selon l'une quelconque des revendications 9 à 12, dans lequel le traitement comprend une étape de détection du franchissement par la tension électrique mesurée filtrée (Un') d'un seuil maximum (Smax) ou d'un seuil minimum (Smin).
14. Procédé selon l'une quelconque des revendications 9 à 13, dans lequel le traitement comprend une étape de calcul du spectre de la tension mesurée filtrée (Un') et une étape de détection de franchissement par ce spectre d'un seuil maximum (SSmax) pour au moins une fréquence donnée.
15. Procédé selon l'une quelconque des revendications 13 et 14, comprenant une étape de comptage des franchissements détectés.