FR3077446A1 - Procede d'estimation d'un courant continu genere par une machine electrique tournante - Google Patents
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Abstract
L'invention porte principalement sur un procédé d'estimation d'un courant continu (Idc) généré par une machine électrique tournante (10) pour véhicule automobile comportant un stator (18) et un rotor (19), ledit rotor (19) étant destiné à être parcouru par un courant d'excitation (lexc), caractérisé en ce que ledit procédé comporte: - une étape de mesure du courant d'excitation (lexc) du rotor (19), - une étape de calcul d'un paramètre intermédiaire à partir d'une vitesse de rotation (Ωrpm) de la machine électrique (10), d'une tension (Vs) du stator (18), et d'une force électromotrice (E0) de la machine électrique tournante (10), et - une étape d'estimation du courant continu (Idc) généré par la machine électrique tournante (10) à partir du courant d'excitation mesuré (lexc) et du paramètre intermédiaire précédemment calculé.
Description
PROCÉDÉ D'ESTIMATION D'UN COURANT CONTINU GÉNÉRÉ PAR UNE MACHINE ÉLECTRIQUE TOURNANTE
La présente invention porte sur un procédé d'estimation d'un courant continu généré par une machine électrique tournante.
Dans le domaine automobile, on connaît des machines électriques tournantes à excitation, utilisées comme alternateur ou alterno-démarreur, qui comprennent un inducteur tournant muni d’une bobine d’excitation ainsi qu'un stator polyphasé.
Lorsque la machine fonctionne en alternateur et que le rotor est tournant, les enroulements du stator fournissent des tensions alternatives qui sont redressées afin d’obtenir un courant et une tension continus. Cette tension continue est régulée de manière à fournir au réseau de bord d’alimentation électrique du véhicule une tension continue constante pour la charge de la batterie et l’alimentation des consommateurs connectés au réseau. L’alternateur fonctionne alors en générateur de courant à tension fixe en sortie.
La régulation de la tension de sortie de l’alternateur est réalisée de manière classique en ajustant le courant d’excitation circulant dans la bobine de l’inducteur. Il est important de connaître la valeur du courant continu généré par la machine électrique, notamment pour réguler précisément la tension sur le réseau de bord du véhicule.
Or, dans certaines configurations de machines électriques, on supprime le capteur de courant dédié afin de réduire le coût de revient de l'ensemble. Pour pallier à cela, des estimateurs existent mais ils présentent l'inconvénient d'être basés sur des fonctions mathématiques complexes, telles que la tangente hyperbolique ou l’arctangente pour interpoler des courbes obtenues expérimentalement. Il existe donc le besoin d'un estimateur de courant continu simple à utiliser et peu consommateur en ressources de calcul.
La présente invention vise à combler ce besoin en proposant un procédé d’estimation d’un courant continu généré par une machine électrique tournante pour véhicule automobile comportant un stator et un rotor, ledit rotor étant destiné à être parcouru par un courant d’excitation, caractérisé en ce que ledit procédé comporte:
- une étape de mesure du courant d’excitation du rotor,
- une étape de calcul d’un paramètre intermédiaire à partir d’une vitesse de rotation de la machine électrique, d’une tension du stator, et d’une force électromotrice de la machine électrique tournante, et
- une étape d’estimation du courant continu généré par la machine électrique tournante à partir du courant d’excitation mesuré et du paramètre intermédiaire précédemment calculé.
L'invention permet ainsi d'estimer le courant continu généré par la machine électrique tournante en utilisant simplement deux paramètres d'entrée sans avoir à réaliser de calculs complexes. Le procédé peut ainsi aisément être implémenté dans l'unité de contrôle de la machine électrique, sans consommer beaucoup de ressources de calcul.
Selon une réalisation, le courant continu généré par la machine électrique tournante est déterminé au moyen d’une cartographie à deux entrées.
Selon une réalisation, le courant continu généré par la machine électrique tournante est déterminé à partir d’une formule mathématique.
Selon une réalisation, la force électromotrice Eo de la machine électrique tournante est déterminée à partir de la formule suivante:
- Qrpm étant la vitesse de rotation de la machine électrique tournante exprimée en tours/min; et
- Eo (1000Γρηι)\φ/φ étant une force électromotrice à 1000 tours/min entre deux phases exprimée en Volts.
Selon une réalisation, la tension \/s du stator est déterminée à partir de la formule suivante:
- \/s étant la tension du stator exprimée en Volts, et
- Ûb+ étant une tension de bus mesurée aux bornes de la machine électrique tournante exprimée en Volts.
Selon une réalisation, le paramètre intermédiaire K est déterminé à partir de la formule suivante :
κ = x yif...............vf ωπ
- ηφ étant un nombre de phases,
- ω étant une vitesse électrique exprimée en rad.s'1,
- Eo étant la force électromotrice entre une phase et le neutre exprimée en Volts;
- \/s étant la tension du stator exprimée en Volts.
Selon une réalisation, la vitesse de rotation de la machine électrique tournante est mesurée à l’aide d’un capteur, notamment un capteur à effet Hall.
Selon une réalisation, la machine électrique tournante est un alterno-démarreur.
L'invention a également pour objet un module de contrôle pour machine électrique tournante caractérisé en ce que qu'il comporte une mémoire stockant des instructions logicielles pour la mise en œuvre du procédé d'estimation d'un courant continu généré par la machine électrique tournante tel que précédemment défini.
L'invention a également pour objet un module de contrôle pour machine électrique tournante caractérisé en ce que qu'il comporte un circuit en logique programmable, par exemple sous la forme d'un FPGA (pour FieldProgrammable Gâte Array en anglais) ou CPLD (pour Complex Programmable Logic Device en anglais), ou un circuit intégré, par exemple un ASIC (pour application-specific integrated circuit en anglais), configuré pour la mise en œuvre du procédé d'estimation d'un courant continu généré par la machine électrique tournante tel que précédemment défini.
L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l’examen des figures qui l’accompagnent. Ces figures ne sont données qu’à titre illustratif mais nullement limitatif de l’invention.
La figure 1 est une représentation schématique fonctionnelle de l'alternodémarreur mettant en œuvre le procédé selon l'invention d'estimation du courant continu généré par la machine électrique;
La figure 2 est une représentation schématique des blocs fonctionnels mis en œuvre pour estimer le courant continu délivré par la machine électrique tournante;
La figure 3 est une représentation schématique d'un exemple de cartographie utilisée pour la mise en œuvre du procédé selon l'invention d'estimation du courant continu généré par la machine électrique tournante;
La figure 4 est une représentation schématique montrant l'écart entre les valeurs mesurées et les valeurs estimées du courant continu généré par la machine électrique tournante à une vitesse de rotation donnée de 3000 tours/min.
Les éléments identiques, similaires, ou analogues, conservent la même référence d’une figure à l’autre.
La figure 1 représente de façon schématique un alterno-démarreur 10 selon l'invention. L'alterno-démarreur 10 est destiné à être installé dans un véhicule comportant un réseau électrique de bord connecté à une batterie 12. Le réseau de bord pourra être de type 12V, 24V, ou 48V. L'alterno-démarreur 10 est accouplé à un moteur thermique 11 de façon connue en soi par un système à courroie 11' ou à chaîne implanté en façade accessoire.
En outre, l'alterno-démarreur 10 est apte à communiquer avec un calculateur moteur 15 suivant un protocole de communication de type LIN (Local Interconnect Network en anglais ou Réseau Internet Local en français) ou CAN (Controller Area Network en anglais qui est un bus de système série).
L'alterno-démarreur 10 pourra fonctionner en mode alternateur appelé également mode générateur ou en mode moteur.
L'alterno-démarreur 10 comprend notamment une partie électrotechnique 13 et un module de contrôle 14.
Plus précisément, la partie électrotechnique 13 comprend un élément induit 18 et un élément inducteur 19. Dans un exemple, l'induit 18 est le stator, et l'inducteur 19 est un rotor comportant une bobine d'excitation 20. Le stator 18 comprend un nombre N de phases. Dans l'exemple considéré, le stator 18 comporte trois phases U, V, et W. En variante, le nombre N de phases pourra être égal à 5 pour une machine pentaphasée, à 6 pour une machine de type hexaphasée ou double triphasée ou à 7 pour une machine heptaphasée. Les phases du stator 18 pourront être couplées en triangle ou en étoile. Une combinaison de couplage triangle et étoile est également envisageable.
Le module de contrôle 14 comprend un circuit d'excitation 141 intégrant un hacheur pour générer un courant d'excitation lexc qui est injecté dans la bobine d'excitation 20. Le courant d’excitation lexc est mesuré par exemple à l'aide d'une résistance de type shunt.
Les mesures de la position angulaire et de la vitesse angulaire du rotor 19 pourront être réalisées au moyen de capteurs analogiques à effet hall H1, H2, H3 et d’une cible magnétique 25 associée qui est solidaire en rotation du rotor 19.
Le module de contrôle 14 comprend en outre un circuit de contrôle 142, comprenant par exemple un microcontrôleur, qui pilote un onduleur 26 en fonction d'un signal de commande issu du calculateur moteur 15 et reçu via un connecteur de signal 24.
L'onduleur 26 présente des bras comportant chacun deux éléments de commutation permettant de relier sélectivement une phase U, V, W correspondante du stator 18 à la masse ou à la tension d'alimentation de la batterie 12 en fonction de leur état passant ou bloqué. Les éléments de commutation sont de préférence des transistors de puissance de type MOSFET.
Le module de contrôle 14 comporte une mémoire stockant des instructions logicielles pour la mise en œuvre le procédé selon l'invention d'estimation du courant continu délivré par la machine électrique 10. En variante, le module de contrôle 14 comporte un circuit en logique programmable, par exemple sous la forme d'un FPGA (pour Field-Programmable Gâte Array en anglais) ou CPLD (pour Complex Programmable Logic Device en anglais), ou un circuit intégré, par exemple un ASIC (pour application-specific integrated circuit en anglais) configuré pour la mise en œuvre du procédé selon l'invention d'estimation du courant délivré par la machine électrique 10.
Comme on peut le voir sur la figure 2, le module M1 calcule une force électromotrice Eo entre une phase et le neutre à partir de la vitesse de rotation de la machine électrique Qrpm et de la force électromotrice Eo (1000Γρηι)\φ/φ à 1000 tours/min entre deux phases. Plus précisément, la force électromotrice Eo à la vitesse de rotation Qrpm est déterminée à partir de la relation suivante:
- Qrpm étant la vitesse de rotation de la machine électrique 10 exprimée en tours/min;
- Eo (1000Γρηι)\φ/φ étant une force électromotrice à 1000 tours/min entre deux phases, exprimée en Volts, cette donnée étant issue de la caractérisation de la machine 10.
Le module M2 calcule une tension \/s aux bornes de phases du stator 18 à partir d’une tension de bus Ûb+ mesurée aux bornes de la machine électrique
10. Plus précisément, la tension est déterminée à partir de la relation suivante:
- \/s étant la tension du stator, exprimée en Volts,
- Ûb+ étant une tension de bus mesurée aux bornes de la machine électrique 10, exprimée en Volts.
On calcule ensuite un paramètre intermédiaire K à partir de la vitesse de rotation Qrpm de la machine électrique 10, de la tension du stator \/s, et de la force électromotrice Eo de la machine électrique tournante préalablement calculée.
Plus précisément, les modules M3, M4, M5, et M6 permettent d'obtenir l'expression suivante:
- Vs étant la tension du stator exprimée en Volts, et
- Eo étant la force électromotrice précédemment calculée.
Le module M7 permet de déterminer une vitesse électrique ω à partir de la vitesse de rotation Qrpm de la machine électrique 10 à partir de la relation suivante:
- ω étant une vitesse électrique exprimée en rad.s'1;
- Qrpm étant la vitesse de rotation de la machine électrique exprimée en tours/min, et
- npp étant le nombre de paires de pôles de la machine électrique 10.
Le module M8 définit à partir du nombre de phases ηφ la constante suivante:
Le module M9 permet ensuite de déterminer le paramètre K exprimé en Webers, suivant la relation suivante :
- ηφ étant le nombre de phases;
- ω étant la vitesse électrique;
- Eoétant la force électromotrice entre une phase et le neutre, et
- Vs étant la tension du stator.
Une cartographie C1 à deux entrées visible sur la figure 3 permet de déterminer le courant Idc généré par la machine électrique 10 à partir du paramètre K précédemment calculé et d'une valeur du courant d'excitation lexc.
S'il y a lieu, cette valeur pourra être saturée par le module M10 qui impose une valeur maximale de courant d'excitation lexc exprimée en ampères. Cette valeur maximale dépend des conditions de fonctionnement de la machine électrique 10, en particulier de sa température.
Le module M11 assure la gestion de la sortie de la valeur du courant Idc qui pourra être transmise par exemple à un bloc fonctionnel (non représenté) gérant la régulation en tension et en courant de la machine électrique 10.
La figure 4 met en évidence la bonne performance de l'estimateur selon l'invention du courant ldc_est généré par la machine électrique 10. En effet, il existe une erreur de moins de 5% entre le courant estimé ldc_est à l'aide du procédé selon l'invention et le courant mesuré ldc_mes à partir d'un régime supérieur à 3000 tours/min.
En variante, la cartographie C1 pourra être remplacée par un module combinant les paramètres d'entrée (paramètre intermédiaire K et courant d'excitation mesuré lexc) suivant une formule mathématique.
L'invention pourra être mise en œuvre pour pallier l'absence d'un capteur dédié de mesure du courant continu généré par la machine électrique 10 afin de limiter le coût global de la machine électrique 10. L'invention pourra également être mise en œuvre avec des machines électriques 10 embarquant un capteur de courant afin de pouvoir diagnostiquer un dysfonctionnement, notamment une dérive dudit capteur de courant.
Bien entendu, la description qui précède a été donnée à titre d'exemple uniquement et ne limite pas le domaine de l'invention dont on ne sortirait pas en remplaçant les différents éléments par tous autres équivalents.
En outre, les différentes caractéristiques, variantes, et/ou formes de réalisation de la présente invention peuvent être associées les unes avec les autres selon diverses combinaisons, dans la mesure où elles ne sont pas incompatibles ou exclusives les unes des autres.
Claims (10)
- REVENDICATIONS1. Procédé d’estimation d’un courant continu généré par une machine électrique tournante pour véhicule automobile comportant un stator et un rotor, ledit rotor (19) étant destiné à être parcouru par un courant d’excitation (lexc), caractérisé en ce que ledit procédé comporte:- une étape de mesure du courant d’excitation (lexc) du rotor (19),- une étape de calcul d’un paramètre intermédiaire (K) à partir d’une vitesse de rotation (Qrpm) de la machine électrique (10), d’une tension (\/s) du stator (18), et d’une force électromotrice (e) de la machine électrique tournante (10), et- une étape d’estimation du courant continu (Idc) généré par la machine électrique tournante (10) à partir du courant d’excitation mesuré (lexc) et du paramètre intermédiaire (K) précédemment calculé.
- 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le courant continu (Idc) généré par la machine électrique tournante (10) est déterminé au moyen d’une cartographie (C1) à deux entrées.
- 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le courant continu (Idc) généré par la machine électrique tournante (10) est déterminé à partir d’une formule mathématique.
- 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la force électromotrice Eo de la machine électrique tournante (10) est déterminée à partir de la formule suivante:Eo = Εο(1000Γρτη)\φ/ψ x x- Qrpm étant la vitesse de rotation de la machine électrique tournante (10) exprimée en tours/min; et- Eo (1000rpm)\v/v étant une force électromotrice à 1000 tours/min entre deux phases exprimée en Volts.
- 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la tension Vs du stator est déterminée à partir de la formule suivante:- \/s étant la tension du stator exprimée en Volts, et- Ûb+ étant une tension de bus mesurée aux bornes de la machine électrique tournante (10) exprimée en Volts.
- 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le paramètre intermédiaire (K) est déterminé à partir de la formule suivante:- ηφ étant un nombre de phases,- ω étant une vitesse électrique exprimée en rad.s'1,- Eo étant la force électromotrice entre une phase et le neutre exprimée en Volts;- \/s étant la tension du stator exprimée en Volts.
- 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la vitesse de rotation (Qrpm) de la machine électrique tournante est mesurée à l’aide d’un capteur, notamment un capteur à effet Hall.
- 8. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la machine électrique tournante est un alterno-démarreur.
- 9. Module de contrôle (14) pour machine électrique tournante caractérisé en ce que qu'il comporte une mémoire stockant des instructions logicielles pour la mise en œuvre du procédé d'estimation d'un courant continu généré par une machine électrique tournante tel que défini selon l'une quelconque des revendications 1 à 8.
- 10. Module de contrôle (14) pour machine électrique tournante caractérisé en ce que qu'il comporte un circuit en logique programmable ou un circuit intégré configuré pour la mise en œuvre du procédé d'estimation d'un courant continu généré par la machine électrique tournante tel que défini selon l'une quelconque des revendications 1 à 8.
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