FR3060911A1 - Circuit electronique d'evaluation d'un rapport cyclique et systeme comprenant un tel circuit electronique - Google Patents

Circuit electronique d'evaluation d'un rapport cyclique et systeme comprenant un tel circuit electronique Download PDF

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Abstract

L'invention concerne un circuit électronique d'évaluation d'un rapport cyclique d'un signal (SM) modulé en largeur d'impulsion, comprenant un premier filtre passe-bas (2) agencé pour recevoir en entrée le signal modulé (SM) et délivrant en sortie un signal filtré (SF). Le circuit électronique comprend également un second filtre passe-bas (4) agencé pour recevoir en entrée le signal filtré (SF) et délivrant en sortie un signal d'évaluation (SE), et un module (6) conçu pour augmenter la fréquence de coupure du second filtre passe-bas (4) lorsque la valeur absolue d'une différence entre le signal filtré (SF) et le signal d'évaluation (SE) est supérieure à un seuil. Un système comprenant un tel circuit électronique est également décrit.

Description

Domaine technique auquel se rapporte l'invention
La présente invention concerne de manière générale les signaux modulés en largeur d’impulsion.
Elle concerne plus particulièrement un circuit électronique d’évaluation d’un rapport cyclique et un système comprenant un tel circuit électronique.
L’invention s’applique particulièrement avantageusement dans le cas où un signal modulé en largeur d’impulsion commande un actionneur dont un défaut de fonctionnement pourrait avoir des conséquences néfastes.
Arriere-plan technologique
Les signaux modulés en largeur d’impulsion (ou signaux PWM pour Puise Width Modulation) sont fréquemment utilisés, notamment dans la commande d’actionneurs tels que des vannes ou des volets papillons.
Selon cette technique, le rapport cyclique du signal modulé appliqué à l’actionneur est variable afin de faire varier la moyenne de ce signal appliqué (en général une tension) et d’ajuster ainsi la commande de l’actionneur.
On cherche parfois à mesurer le rapport cyclique du signal effectivement appliqué à l’actionneur afin de vérifier qu’il correspond bien au rapport cyclique souhaité, en particulier dans les applications où l’utilisation d’un rapport cyclique erroné aurait des conséquences néfastes.
Une solution simple et peu onéreuse pour évaluer le rapport cyclique d’un signal modulé en largeur d’impulsion consiste à utiliser un filtre passe-bas auquel on applique le signal modulé et qui délivre un signal filtré.
Ce filtre est généralement un filtre linéaire passe-bas dont les caractéristiques sont choisies pour vérifier des spécifications de conception contradictoires sur le temps de réponse, qui doit être le plus faible possible, et l’atténuation des oscillations, qui doit être la plus grande possible. Ces deux spécifications sont contradictoires en filtrage linéaire : plus le temps de réponse est faible, plus l’atténuation des oscillations est faible.
Ainsi, afin de s’affranchir des oscillations présentes dans le signal modulé, la fréquence de coupure du filtre doit être choisie relativement faible. Une telle solution a dès lors un temps de réaction qui n’est pas compatible avec des applications où une réaction rapide est nécessaire en cas d’utilisation d’un rapport cyclique erroné.
Objet de l’invention
Dans ce contexte, la présente invention propose un circuit électronique d’évaluation d’un rapport cyclique d’un signal modulé en largeur d’impulsion, comprenant un premier filtre passe-bas agencé pour recevoir en entrée le signal modulé et délivrant en sortie un signal filtré, caractérisé en ce qu’il comprend un second filtre passe-bas agencé pour recevoir en entrée le signal filtré et délivrant en sortie un signal d’évaluation, et en ce qu’il comprend un module conçu pour augmenter la fréquence de coupure du second filtre passe-bas lorsque la valeur absolue d’une différence entre le signal filtré et le signal d’évaluation est supérieure à un seuil.
Ainsi, lorsqu’une modification du rapport cyclique du signal modulé en largeur d’impulsion se produit et que le signal filtré diffère du signal d’évaluation à cause du temps de réaction du second filtre passe-bas, ce dernier a sa fréquence de coupure qui augmente et le signal filtré est plus rapidement transmis en sortie en tant que signal d’évaluation.
On obtient ainsi un circuit électronique d’évaluation ayant à la fois une réaction rapide (grâce au premier filtre passe-bas) en cas de modification du rapport cyclique et une bonne capacité de filtrage des oscillations (grâce au second filtre passe-bas) en régime permanent.
Selon d’autres caractéristiques envisageables à titre optionnel (et donc non limitatif) :
- le premier filtre passe-bas a une première fréquence de coupure ;
- le second filtre passe-bas a une seconde fréquence de coupure ;
- la première fréquence de coupure est supérieure à la seconde fréquence de coupure ;
- le premier filtre passe-bas comprend une première résistance montée entre une borne d’entrée portant le signal modulé et une première borne de sortie portant le signal filtré, et une première capacité montée entre la première borne de sortie et une masse du circuit électronique ;
- le second filtre passe-bas comprend une seconde résistance montée entre la première borne de sortie et une seconde borne de sortie portant le signal d’évaluation, et une seconde capacité montée entre la seconde borne de sortie et la masse du circuit électronique ;
- le module précité comprend au moins une diode ;
- la diode est montée entre la première borne de sortie et la seconde borne de sortie (avec interposition éventuelle d’un élément électrique telle qu’une résistance, ici une résistance de limitation de courant) ;
- ledit module comprend deux diodes, par exemple montées tête-bêche ;
L’invention propose également un système comprenant unité de commande apte à générer un signal de commande modulé en largeur d’impulsion, un actionneur comprenant une borne de commande agencée pour recevoir le signal de commande et un circuit électronique d’évaluation tel que proposé cidessus.
L’unité de commande peut alors être agencée pour recevoir le signal d’évaluation délivré par le circuit électronique et/ou pour déclencher un mécanisme de sécurité en cas d’incohérence entre le signal d’évaluation reçu et une consigne de rapport cyclique du signal de commande.
Dans l’application décrite ci-après, le système comprend en outre un filtre à particules et l’actionneur peut alors comprendre une vanne d’injection d’un combustible dans le filtre à particules.
Description detaillee d’un exemple de réalisation
La description qui va suivre en regard des dessins annexés, donnés à titre d’exemples non limitatifs, fera bien comprendre en quoi consiste l’invention et comment elle peut être réalisée.
Sur les dessins annexés :
- la figure 1 représente un circuit électronique conforme à l’invention ; et
- la figure 2 représente schématiquement certains éléments d’un système embarqué dans un véhicule et comprenant un circuit électronique tel que celui représenté à la figure 1.
La figure 1 représente un exemple de réalisation d’un circuit électronique d’évaluation d’un rapport cyclique d’un signal Sm modulé en largeur d’impulsion.
Ce signal modulé Sm est formé d’impulsions (ici carrées) ayant une fréquence donnée fO (ici fO = 100 kHz) et un rapport cyclique variable.
Ce circuit électronique comprend un premier filtre passe-bas 2, un second filtre-passe bas 4 et un module de contournement 6.
Le premier filtre passe-bas 2 comprend une borne d’entrée 1 sur laquelle est appliqué le signal modulé SM et une borne de sortie 3 qui délivre un signal filtré
Sf.
Le premier filtre passe-bas 2 comprend une première résistance R1 montée entre la borne d’entrée 1 et la borne de sortie 3, et une première capacité C1 montée entre la borne de sortie 3 et la masse.
Le signal traité ici est la tension présente entre le potentiel du point concerné (par exemple la borne d’entrée 1 pour le signal modulé SM) et le potentiel de masse.
L’association décrite ci-dessus de la première résistance R1 et de la première capacité C1 forme un circuit RC qui réalise la fonction de filtrage passebas. On utilise par exemple ici une première résistance R1 de 470 Ω et une première capacité C1 de 47 nF de sorte que le premier filtre passe-bas 2 a une fréquence de coupure f1 = 7,2 kHz (soit une période de 139 ps).
De manière générale, la fréquence de coupure f1 du premier filtre passebas 2 est par exemple comprise entre un vingtième et un dixième de la fréquence du signal modulé SM.
Le second filtre passe-bas 4 comprend une borne d’entrée reliée à la borne de sortie 3 du premier filtre passe-bas 2 (sur laquelle est présent le signal filtré Sf) et une borne de sortie 5 qui délivre le signal d’évaluation Se (ou signal de mesure).
Le second filtre passe-bas 4 comprend une seconde résistance R2 montée entre sa borne d’entrée 3 et sa borne de sortie 5, et une seconde capacité C2 montée entre cette borne de sortie 5 et la masse.
L’association de la seconde résistance R2 et de la seconde capacité C2 forme un circuit RC qui réalise la fonction de filtrage passe-bas. On utilise par exemple ici une seconde résistance R2 de 4,7 kû et une seconde capacité C2 de 10 nF de sorte que le second filtre passe-bas 4 a une fréquence de coupure f2 = 3,4 kHz (soit une période de 295 ps).
De manière générale, la fréquence de coupure f2 du second filtre passebas 4 est inférieure à la fréquence de coupure f1 du premier filtre passe-bas 2 ; la fréquence de coupure f2 du second filtre passe-bas 4 est par exemple comprise entre un cinquantième et un vingtième de la fréquence du signal modulé SM.
Le module de contournement 6 est connecté en parallèle du second filtre passe-bas 4 (précisément en parallèle de la seconde résistance R2), c’est-à-dire entre la borne de sortie 3 du premier filtre passe-bas 2 et la borne de sortie 5 du second filtre passe-bas 4.
Le module de contournement 6 comprend une troisième résistance R3 dont une électrode est connectée à la borne de sortie 5 du second filtre passe-bas 4 ; deux diodes assemblées D1, D2 en parallèle tête-bêche sont montées entre la borne de sortie 3 du premier filtre passe-bas 2 et l’autre électrode de la troisième résistance R3. La troisième résistance R3 est typiquement inférieure à 300 Ω et vaut ici 100 Ω. Les diodes ont une tension de seuil adaptée à l’application concernée. Par exemple, si on souhaite qu’un écart de tension d’environ 0,3 V entraîne l’augmentation de la fréquence de coupure du second filtre passe-bas 4 (comme expliqué plus bas), on peut utiliser une diode Schottky. Si on souhaite qu’un écart de tension d’environ 0,6 V entraîne l’augmentation de la fréquence de coupure du second filtre passe-bas 4, on peut utiliser une diode à jonction P-N.
On explique à présent le fonctionnement du circuit électronique de la figure 1.
Tant que le rapport cyclique du signal modulé SM est maintenu à une valeur donnée, après une phase transitoire décrite plus bas, le signal filtré SF correspond à la valeur moyenne du signal modulé Sm et le signal d’évaluation Se reproduit cette valeur moyenne représentative du rapport cyclique.
La tension (correspondant au signal filtré SF) en sortie du premier filtre passe-bas 2 et la tension (correspondant au signal d’évaluation SE) en sortie du second filtre passe-bas 4 sont donc identiques (en considérant comme négligeable la chute de tension dans la seconde résistance R2) de sorte que les diodes D1, D2 sont bloquées (i.e. ne conduisent pas).
Lorsque le rapport cyclique du signal modulé SM prend une nouvelle valeur, le signal filtré SF tend relativement rapidement (du fait de la fréquence de coupure f1 utilisée) vers la nouvelle valeur moyenne du signal modulé SM- On remarque que l’utilisation d’une fréquence de coupure relativement élevée peut entraîner la présence d’une légère ondulation résiduelle dans le signal filtré SF.
La fréquence de coupure f2 du second filtre passe-bas 4 étant inférieure à la fréquence de coupure f1 du premier filtre passe-bas 2, l’évolution du signal filtré SF n’est pas immédiatement répercutée par le second filtre passe-bas 4. Une différence de potentiel se crée ainsi entre la borne de sortie 3 du premier filtre passe-bas 2 et la borne de sortie 5 du second filtre passe-bas 4, ce qui entraîne, lorsque la différence entre le signal filtré SF et le signal d’évaluation SE est supérieure à un seuil (lié à la tension de seuil de la diode D1, D2 concernée), le passage de l’une des diodes D1, D2 (selon que l’évolution précitée du signal filtré SF est croissant ou décroissante) à l’état passant (i.e. conducteur).
Le module de contournement 6 provoque alors une augmentation de la fréquence de coupure du second filtre passe-bas 4 (la mise en conduction du module de contournement 6 entraînant une baisse de la résistance du circuit RC alors formé par le second filtre passe-bas 4 et le module de contournement 6), ce qui permet au signal filtré Sf d’être plus rapidement transmis à la borne de sortie 5 du second filtre passe-bas 4.
Le signal d’évaluation SE tend ainsi rapidement lui aussi vers la nouvelle valeur moyenne du signal modulé Sm, avec un temps caractéristique qui correspond à la fréquence de coupure f1 du premier filtre passe-bas 2 (ici 139 ps comme déjà indiqué), sans attendre le temps de réaction du second filtre passebas 4 (dont le temps caractéristique vaut 295 ps comme déjà indiqué).
L’utilisation du module de contournement 6 permet donc d’obtenir plus rapidement au niveau de la borne de sortie 5 un signal d’évaluation SE qui correspond à la nouvelle valeur moyenne (représentative du nouveau rapport cyclique).
On remarque que la troisième résistance R3 est utilisée pour limiter le courant dans la diode D1, D2 devenue conductrice comme indiqué ci-dessus.
Après le fonctionnement transitoire qui vient d’être décrit, le signal filtré Sf et le signal d’évaluation SE convergent vers la nouvelle valeur moyenne et on retrouve donc le fonctionnement en régime établi décrit plus haut, au cours duquel c’est le second filtre passe-bas 4 qui transmet le signal filtré SF à la borne de sortie 5 (ce qui permet une mesure précise du fait de la limitation des ondulations résiduelles générée par la faible fréquence de coupure f2 du second filtre passebas 4), les diodes D1, D2 étant bloquées.
La figure 2 présente une utilisation envisageable du circuit électronique de la figure 1, ici dans un système embarqué dans un véhicule automobile.
Ce système embarqué, représenté à la figure 2, comprend une unité de commande 10, une électrovanne 20, un interrupteur commandé 30, un interrupteur de secours 40 et un circuit électronique 50 tel que celui décrit cidessus en référence à la figure 1.
L’unité de commande 10, réalisée ici au moyen d’un microcontrôleur, comprend une unité de traitement 12 (ou cœuif en pratique par exemple un microprocesseur), un générateur 14 de signaux modulés en largeur d’impulsion et un convertisseur analogique-numérique 16.
Le générateur 14 reçoit une consigne de rapport cyclique R (par exemple sous forme numérique) de l’unité de traitement 12 et génère sur cette base un signal C modulé en largeur d’impulsion ayant un rapport cyclique égal à cette consigne R.
Ce signal modulé C est appliqué à une électrode de commande de l’interrupteur commandé 30 : l’interrupteur commandé 30 (par exemple un transistor de type MOS, acronyme anglais signifiant Métal Oxide Semiconductof') est bloqué lorsque le signal modulé C est à un premier niveau (par exemple le niveau bas) et passant lorsque le signal modulé C est à un second niveau (par exemple le niveau haut) différent du premier niveau.
L’interrupteur de secours 40, l’électrovanne 20 et l’interrupteur commandé 30 sont branchés en série (ici dans l’ordre indiqué) entre la tension VBat générée par la batterie du véhicule et la masse.
L’interrupteur commandé 30 et l’électrovanne 20 forment un actionneur 25 qui reçoit (en tant que signal de commande) le signal modulé C sur une borne de commande (ici l’électrode de commande de l’interrupteur commandé 30).
Précisément, l’interrupteur commandé 30 relie ici l’électrovanne 20 à la masse sous la commande du signal modulé C. L’électrovanne 20 fonctionne par conséquent sous la commande de la consigne R générée par l’unité de traitement
12.
Dans l’application décrite ici, l’électrovanne 20 est une vanne d’injection d’un combustible dans un filtre à particules (non représenté) en vue d’une régénération périodique de ce filtre à particules.
Dans ce contexte, le circuit électronique 50 permet d’évaluer le rapport cyclique d’un signal Sm modulé en largeur d’impulsion, ici la tension présente au point de connexion de l’interrupteur commandé 30 et l’électrovanne 20, afin de surveiller ce rapport cyclique et de couper l’alimentation électrique de l’électrovanne 20 si le rapport cyclique mesuré diffère du rapport cyclique prévu, comme expliqué à présent.
En effet, le circuit électronique 50 génère un signal d’évaluation Se (ou signal de mesure) représentatif du rapport cyclique du signal modulé SM, comme expliqué ci-dessus en référence à la figure 1.
Le signal d’évaluation Se est appliqué par le circuit électronique 50 à l’entrée du convertisseur analogique-numérique 16, qui génère ainsi une donnée de mesure M représentative elle aussi du rapport cyclique du signal modulé SmCette donnée de mesure M est transmise par le convertisseur analogique-numérique 16 à l’unité de traitement 12.
L’unité de traitement 12 peut ainsi comparer la donnée de mesure M à la consigne de rapport cyclique R et déclencher un mécanisme de secours en cas d’incohérence entre la consigne de rapport cyclique R et la donnée de mesure M.
Le mécanisme de secours correspond ici à l’émission par l’unité de traitement 12 d’une commande d’ouverture de l’interrupteur de secours 40 afin de couper l’alimentation électrique de l’électrovanne 20. En effet, l’utilisation d’un rapport cyclique différent de celui prévu pourrait conduire à l’injection d’une quantité trop importante de combustible par l’électrovanne 20 et donc à un risque de feu.
On remarque que, dans l’exemple décrit ici, la consigne de rapport cyclique R vise à commander le rapport cyclique du signal (modulé) de commande C tandis que la donnée de mesure M correspond (sans traitement spécifique) au rapport cyclique du signal modulé évalué Sm, lequel correspond à la tension au point de connexion de l’interrupteur commandé 30 et l’électrovanne 20. La donnée de mesure M correspond donc normalement au complément à 100 % de la consigne de rapport cyclique R (le signal modulé évalué Sm étant au niveau bas lorsque le signal de commande C est au niveau haut).
L’unité de traitement 12 en tient compte lors de la vérification de la cohérence de la donnée de mesure M à la consigne de rapport cyclique R (par exemple en comparant le donnée de mesure M au complément à 100 % de la consigne de rapport cyclique R).
L’utilisation d’un circuit électronique tel que celui de la figure 1 pour évaluer le rapport cyclique du signal modulé Sm a notamment les avantages suivants :
- on obtient rapidement l’évaluation du rapport cyclique (grâce au module de contournement 6 comme expliqué plus haut) ;
- le circuit électronique utilisé a un coût réduit ;
- l’évaluation utilise des circuits différents de ceux (générateur 14, interrupteur commandé 30) permettant la génération du signal Sm évalué, ce qui permet d’assurer une indépendance entre la génération du signal et son contrôle ;
- l’unité de traitement est très peu sollicitée (aucun compteur de temps de l’unité de traitement n’étant en particulier utilisé) et est donc disponible pour d’autres fonctionnalités.

Claims (12)

  1. REVENDICATIONS
    1. Circuit électronique (50) d’évaluation d’un rapport cyclique d’un signal (Sm) modulé en largeur d’impulsion, comprenant un premier filtre passe-bas (2) agencé pour recevoir en entrée le signal modulé (Sm) et délivrant en sortie un signal filtré (SF), caractérisé en ce qu’il comprend un second filtre passe-bas (4) agencé pour recevoir en entrée le signal filtré (SF) et délivrant en sortie un signal d’évaluation (Se), et en ce qu’il comprend un module (6) conçu pour augmenter la fréquence de coupure du second filtre passe-bas (4) lorsque la valeur absolue d’une différence entre le signal filtré (SF) et le signal d’évaluation (SE) est supérieure à un seuil.
  2. 2. Circuit électronique selon la revendication 1, dans lequel le premier filtre passe-bas (2) a une première fréquence de coupure, dans lequel le second filtre passe-bas (4) a une seconde fréquence de coupure, et dans lequel la première fréquence de coupure est supérieure à la seconde fréquence de coupure.
  3. 3. Circuit électronique selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le premier filtre passe-bas (2) comprend une première résistance (R1) montée entre une borne d’entrée (1) portant le signal modulé (Sm) et une première borne de sortie (3) portant le signal filtré (SF), et une première capacité (C1) montée entre la première borne de sortie (3) et une masse du circuit électronique.
  4. 4. Circuit électronique selon la revendication 3, dans lequel le second filtre passe-bas (4) comprend une seconde résistance (R2) montée entre la première borne de sortie (3) et une seconde borne de sortie (5) portant le signal d’évaluation (SE), et une seconde capacité (C2) montée entre la seconde borne de sortie (5) et la masse du circuit électronique.
  5. 5. Circuit électronique selon l’une des revendications 1 à 4, dans lequel ledit module comprend au moins une diode (D1 ; D2).
  6. 6. Circuit électronique selon la revendication 5 prise dans la dépendance de la revendication 3, dans lequel la diode (D1 ; D2) est montée entre la première borne de sortie (3) et une seconde borne de sortie (5) portant le signal d’évaluation (Se).
  7. 7. Circuit électronique selon la revendication 5 prise dans la dépendance de la revendication 4, dans lequel la diode (D1 ; D2) est montée entre la première borne de sortie (3) et la seconde borne de sortie (5).
  8. 8. Circuit électronique selon l’une des revendications 1 à 7, dans lequel ledit module comprend deux diodes (D1, D2) montées tête-bêche.
  9. 9. Système comprenant unité de commande (10) apte à générer un 5 signal de commande (C) modulé en largeur d’impulsion, un actionneur (25) comprenant une borne de commande agencée pour recevoir le signal de commande (C) et un circuit électronique d’évaluation (50) conforme à l’une des revendications 1 à 8.
  10. 10. Système selon la revendication 9, dans lequel l’unité de commande
    10 (10) est agencée pour recevoir le signal d’évaluation (SE) délivré par le circuit électronique (50).
  11. 11. Système selon la revendication 10, dans lequel l’unité de commande (10) est agencée pour déclencher un mécanisme de sécurité (40) en cas d’incohérence entre le signal d’évaluation (SE) reçu et une consigne de rapport
    15 cyclique (R) du signal de commande (C).
  12. 12. Système selon l’une des revendications 9 à 11, comprenant en outre un filtre à particules, dans lequel l’actionneur (25) comprend une vanne (20) d’injection d’un combustible dans le filtre à particules.
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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US7432752B1 (en) * 2007-04-24 2008-10-07 National Semiconductor Corporation Duty cycle stabilizer
US20090125262A1 (en) * 2007-11-12 2009-05-14 Boerstler David W Absolute Duty Cycle Measurement Method and Apparatus

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