WO2014207169A1 - Module de commande mli, notamment pour la commande d'un moteur electrique de climatisation - Google Patents

Module de commande mli, notamment pour la commande d'un moteur electrique de climatisation Download PDF

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    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/12—Arrangements for reducing harmonics from AC input or output

Definitions

  • the present invention generally relates to an MLI or PWM control module (imperial imperials set for Pulse Width Modulation).
  • MLI control modules are traditionally used to control one or more equipment in parallel, for example, in the non-limiting field of the automobile, the transistors of an electric motor blower for air conditioning and a voltage booster used to drive these transistors .
  • Older generations of electric blower motors for air conditioning are controlled with a PWM control signal of fixed frequency.
  • the object of the present invention is to propose a simple and inexpensive solution for making it possible to vary the frequency of the PWM control signal generated by a counter of a microcontroller from the standard PWM control modules.
  • the subject of the present invention is a PWM control module comprising a microcontroller comprising a current counter and a counter capable of delivering at least one PWM control signal of variable period and duty cycle, said counter comprising a first register capable of to save a value of the period of the control signal, a second register capable of saving a value of the duty cycle of the control signal, and being able to compare on each operating period a value t c of the current counter with each of the values saved in the first and second registers, the microcontroller being able to:
  • the invention thus makes it easy to adapt the current PWM control modules by modifying only their software part.
  • the threshold value t max is predefined according to the relation
  • TMIN is the value of the smallest possible period for the PWM control signal
  • tj is the time required for the microcontroller to process said information
  • the threshold value t max is predefined according to the relationship
  • TMIN is the value of the smallest possible period for the PWM control signal
  • tj is the time required for the microcontroller to process said information
  • M is a margin of safety
  • the microcontroller may be able to receive said information on a LIN bus
  • the counter may be adapted to deliver a second control signal PWM of the same period and variable duty cycle, through a third register adapted to save a value of the duty cycle of the second control signal; in this case, the microcontroller is able to control the refreshing of the third register at the same time as the refreshing of the first and second registers.
  • the invention also relates to the use of the PWM control module preceding the control of an electric motor blower for air conditioning.
  • FIG. 1 schematically illustrates an example of a standard microcontroller comprising a counter able to deliver two control signals M LI of the same frequency;
  • FIG. 2 illustrates an example of time diagrams of the PWM control signals generated by the counter of FIG. 1;
  • FIG. 3 represents process steps implemented by the microcontroller of FIG. 2, in accordance with the invention
  • FIG. 4 illustrates a state diagram for the MLI command of a MotoVentilator or GMV group.
  • a first register 3 for storing the value of the common frequency of the two PWM control signals 1 and PWM 2 to be generated
  • a second register 4 for storing the value of the duty cycle DC1 of the first PWM signal l;
  • a third register 5 for storing the value of the duty cycle DC2 of the second signal PWM2, which may be different from the value chosen for the duty cycle of the first signal.
  • These three registers 3, 4 and 5 are comparison registers, and the values they contain are constantly compared with the value of a "current counter” register (not shown) which counts the number of clock ticks that have elapsed. since the last reset of the counter. These three registers 3, 4 and 5 are taken into account at the end of each period for the following period. In “Edge Aligned” configuration, the "current counter” register is set to zero when an overflow is detected when it is equal to the value contained in the first register 3 of the counter 2.
  • the "current counter” therefore counts from 0 to the value of the period T specified in the first register 3, then resets to 0 by itself and starts again indefinitely until it is stopped.
  • FIG. 2 illustrates by way of example in its lower part a time diagram showing the evolution over three successive periods of the two PWM control signals l and PWM2 with respect to the comparison states of the value t c of the current counter with each of the three registers 3, 4 and 5 (in the upper part of the figure).
  • the value assigned to the duty ratio DC2 of the second signal PWM2 is less than that assigned to the duty cycle DC1 of the first PWM signal l.
  • the two PWM signals l and PWM2 are in the high state.
  • the current counter reaches the duty cycle value DC2 assigned to the second PWM2 signal and stored in the third register 5, the second PWM2 signal goes low.
  • the current counter reaches the duty cycle value DC1 assigned to the first PWM signal 1 and stored in the second register 5
  • the first PWM signal 1 goes low.
  • the current counter reaches the value of the period T common to the two PWM signals 1 and PWM 2 and stored in the first register 3, the current counter is reset.
  • the microcontroller 1 is further adapted to receive information relating to a frequency change request for the PWM signals 1 and PWM2.
  • This information may for example be contained in a data frame received by the microcontroller 1 on a bus 6 LIN (English initials set for Local Interconnect Network).
  • the microcontroller 1 first receives (step 100) a request for changing the frequency of the PWM signals 1 and PWM 2 requiring a refresh of at least the first register 3, and possibly the other two registers 4 and 5.
  • This frequency change request is then processed by a specific program of software instructions that make it possible in particular to calculate the new values T, DC1 and DC2 that will have to be used (step 110).
  • the different registers 3, 4 and 5 will have to be refreshed to save these new values.
  • the microcontroller 1 therefore compares, during a step 120, the value t c of the current counter with the threshold value t max , so as to:
  • the range of frequencies that can be used for the PWM 1 and PWM 2 PWM control signals is very precisely known, this frequency range extending between a minimum frequency f M iN and a frequency maximum fMAx - At this frequency range, there is a permitted range for period T, ranging from a minimum period TMIN (inverse of ÎMAX), to a maximum period TMAX (inverse of ÎMIN) -
  • the worst case is fixed by the minimum period TMIN-
  • the threshold value t max for the current counter is given by the following relation:
  • FIG. 4 illustrates, in the form of a state diagram, the use of the PWM control module described above for the control of an electric blower motor for air conditioning, or Groupe MotoVentilateur.
  • This figure shows the two control signals PWM 1 and PWM 2 generated by the control module, one being intended for the control of the electric motor, the other being intended for the control of the pilot module of the electric motor, in particular to a voltage booster used to drive transistors of the electric motor.
  • the microcontroller of the control module On receipt of the frequency change request arriving as data on the LIN bus, the microcontroller of the control module will first proceed to an acquisition 105 of the new frequency to be used. Then we find step 110 extraction of the new period T and DC1 and DC2 duty cycle that should be used for the two control signals, followed by the refresh control (step 130) associated registers.
  • the invention has been described in the context of the generation of two PWM control signals by the same counter, but can of course be adapted to the case where a single PWM signal is generated by the counter, or in the case where several single-channel counters or multi channels are present.
  • the invention consists in a simple software modification of the low level code of the generation of PWM signals which allows PWM frequency changes during operation, on the fly, without disturbing the signals.

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Abstract

L'invention a pour objet un module de commande MLI comportant un microcontrôleur (1) comprenant un compteur courant et un compteur (2) apte à délivrer au moins un signal de commande MLI (PWM l, PWM2) de période et de rapport cyclique variables. Le compteur (2) comprend un premier registre (3) pour sauvegarder une valeur de la période du signal de commande, un deuxième registre (4) pour sauvegarder une valeur du rapport cyclique du signal de commande, et compare sur chaque période de fonctionnement une valeur tc du compteur courant avec chacune des valeurs sauvegardées dans les premier et deuxième registres (3, 4). Le microcontrôleur (1) est apte à : recevoir une information de demande de changement de fréquence pour le signal de commande MLI; traiter l'information en calculant de nouvelles valeurs pour la période et le rapport cyclique du signal de commande MLI; et comparer une valeur tc du compteur courant avec une valeur seuil tmax prédéfinie, de façon à autoriser le rafraîchissement des premier et deuxième registres (3, 4) sur une période de fonctionnement en cours si ladite valeur du compteur courant tc est inférieure à ladite valeur seuil tmax, et différer sinon le rafraîchissement des registres à la période de fonctionnement suivante.

Description

MODULE DE COMMANDE MLI, NOTAMMENT POUR LA COMMANDE D'UN MOTEUR ELECTRIQUE DE CLIMATISATION
La présente invention concerne de manière générale un module de commande MLI ou PWM (initiales anglo-saxonnes mises pour Puise Width Modulation).
Les modules de commande MLI sont traditionnellement utilisés pour commander un ou plusieurs équipements en parallèle, par exemple, dans le domaine non limitatif de l'automobile, les transistors d'un moteur électrique pulseur pour climatisation et un élévateur de tension utilisé pour piloter ces transistors.
Un module de commande MLI comporte classiquement un microcontrôleur comprenant au moins un compteur associé à un ou plusieurs canaux de sortie aptes à délivrer sur une ou plusieurs broches de sortie respectivement un ou plusieurs signaux de commande MLI. Chaque compteur comporte au moins deux registres, l'un pour sauvegarder la période (ou fréquence) du signal de commande MLI, l'autre pour sauvegarder la valeur de rapport cyclique du signal de commande MLI. Dans le cas d'un compteur associé à deux canaux, apte à générer deux signaux de commande MLI à la même fréquence mais avec des rapports cycliques éventuellement différents, un troisième registre permet de sauvegarder la valeur de rapport cyclique du deuxième signal.
Les anciennes générations de moteurs électriques pulseurs pour climatisation sont commandées avec un signal de commande MLI de fréquence fixe.
Sur les nouvelles générations, il devient nécessaire d'éviter les perturbations des systèmes de transmission radiofréquences du fait du moteur électrique.
II est connu que ce type de perturbations peut être évité en faisant varier la fréquence du signal de commande MLI en fonction de la ou des fréquences radio, mas ces changements de fréquence peuvent endommager l'électronique des équipements commandés par le module de commande MLI. L'état de l'art n'intègre cependant pas ces évictions de radiofréquence.
Il en résulte que les modules standards de commande MLI ne sont pas compatibles avec cette nouvelle stratégie de variation de fréquence.
Une première solution pourrait consister à développer de nouveaux modules de commande MLI. Cette solution est néanmoins coûteuse.
La présente invention a pour but de proposer une solution simple et peu coûteuse pour permettre de faire varier la fréquence du signal de commande MLI généré par un compteur d'un microcontrôleur à partir des modules de commande MLI standards.
Pour ce faire, la présente invention a pour objet un module de commande MLI comportant un microcontrôleur comprenant un compteur courant et un compteur apte à délivrer au moins un signal de commande MLI de période et de rapport cyclique variables, ledit compteur comprenant un premier registre apte à sauvegarder une valeur de la période du signal de commande, un deuxième registre apte à sauvegarder une valeur du rapport cyclique du signal de commande, et étant apte à comparer sur chaque période de fonctionnement une valeur tc du compteur courant avec chacune des valeurs sauvegardées dans le premier et le deuxième registres, le microcontrôleur étant apte à :
- recevoir une information relative à une demande de changement de fréquence pour le signal de commande MLI ;
- traiter ladite information en calculant de nouvelles valeurs pour la période et le rapport cyclique du signal de commande MLI ;
- comparer une valeur tc du compteur courant avec une valeur seuil tmax prédéfinie, de façon à autoriser le rafraîchissement des premier et deuxième registres sur une période de fonctionnement en cours si ladite valeur du compteur courant tc est inférieure à ladite valeur seuil tmax, et différer sinon le rafraîchissement des registres à la période de fonctionnement suivante.
L'invention permet ainsi d'adapter facilement les modules de commande MLI actuels en ne modifiant que leur partie logicielle.
Selon d'autres caractéristiques possibles : - la valeur seuil tmax est prédéfinie selon la relation
Figure imgf000005_0001
dans laquelle TMIN est la valeur de la plus petite période possible pour le signal de commande MLI, et tj correspond à la durée nécessaire au microcontrôleur pour traiter ladite information ;
- en variante, la valeur seuil tmax est prédéfinie selon la relation
Figure imgf000005_0002
dans laquelle TMIN est la valeur de la plus petite période possible pour le signal de commande MLI, tj correspond à la durée nécessaire au microcontrôleur pour traiter ladite information, et M est une marge de sécurité ;
- le microcontrôleur peut être apte à recevoir ladite information sur un bus LIN ;
- Le compteur peut être apte à délivrer un deuxième signal de commande MLI de même période et de rapport cyclique variables, par l'intermédiaire d'un troisième registre apte à sauvegarder une valeur du rapport cyclique du deuxième signal de commande ; dans ce cas, le microcontrôleur est apte à commander le rafraîchissement du troisième registre en même temps que le rafraîchissement du premier et du deuxième registres.
L'invention a également pour objet l'utilisation du module de commande MLI précédent à la commande d'un moteur électrique pulseur pour climatisation.
L'invention sera mieux comprise au vu de la description suivante faite en référence aux figures annexées, dans lesquelles :
- la figure 1 illustre schématiquement un exemple de microcontrôleur standard comportant un compteur apte à délivrer deux signaux de commande M LI de même fréquence ;
- la figure 2 illustre un exemple de diagrammes temporels des signaux de commande MLI générés par le compteur de la figure 1 ;
- la figure 3 représente des étapes de procédé mises en œuvre par le microcontrôleur de la figure 2, conformément à l'invention ; - la figure 4 illustre un diagramme d'état pour la commande MLI d'un Groupe MotoVentilateur ou GMV.
En référence à la figure 1, un microcontrôleur 1 utilisé dans un module de commande MLI apte à générer deux signaux de commande MLI de même fréquence, notés PWM l et PWM2 dans la suite, comporte classiquement un compteur 2 (autrement connu sous le terme « timer » en anglais) comprenant :
- un premier registre 3 pour sauvegarder la valeur de la fréquence commune des deux signaux de commande PWM l et PWM2 à générer ;
- un deuxième registre 4 pour sauvegarder la valeur du rapport cyclique DC1 du premier signal PWM l ; et
- un troisième registre 5 pour sauvegarder la valeur du rapport cyclique DC2 du deuxième signal PWM2, celle-ci pouvant être différente de la valeur choisie pour du rapport cyclique du premier signal.
Ces trois registres 3, 4 et 5 sont des registres de comparaison, et les valeurs qu'ils contiennent sont comparées en permanence avec la valeur d'un registre « compteur courant » (non représenté) qui compte le nombre de coups d'horloge écoulé depuis la dernière mise à zéro du compteur. Ces trois registres 3, 4 et 5 sont pris en compte à la fin de chaque période pour la période suivante. En configuration dite « Edge Aligned », le registre « compteur courant » est mis à zéro lorsqu'il y a détection d'un dépassement lors de l'égalité avec la valeur contenu dans le premier registre 3 du compteur 2.
Le « compteur courant » compte donc de 0 à la valeur de la période T spécifiée dans le premier registre 3, puis se remet à 0 tout seul et recommence indéfiniment tant qu'il n'est pas arrêté.
La figure 2 illustre à titre d'exemple dans sa partie basse un diagramme temporel montrant l'évolution sur trois périodes successives des deux signaux de commande PWM l et PWM2 par rapport aux états de comparaison de la valeur tc du compteur courant avec chacun des trois registres 3, 4 et 5 (en partie haute de la figure). Dans cet exemple non limitatif, on suppose que la valeur affectée au rapport cyclique DC2 du deuxième signal PWM2 est inférieure à celle affectée au rapport cyclique DC1 du premier signal PWM l . Au début de chaque période, les deux signaux PWM l et PWM2 sont à l'état haut. Lorsque le compteur courant atteint la valeur de rapport cyclique DC2 affectée au deuxième signal PWM2 et stockée dans le troisième registre 5, le deuxième signal PWM2 passe à l'état bas. De façon similaire, lorsque le compteur courant atteint la valeur de rapport cyclique DC1 affectée au premier signal PWM l et stockée dans le deuxième registre 5, le premier signal PWM l passe à l'état bas. Enfin, lorsque le compteur courant atteint la valeur de la période T commune aux deux signaux PWM l et PWM2 et stockée dans le premier registre 3, le compteur courant est remis à zéro.
En référence de nouveau à la figure 1, le microcontrôleur 1 conforme à la présente invention est en outre apte à recevoir une information relative à une demande de changement de fréquence pour les signaux PWM l et PWM2.
Cette information peut par exemple être contenue dans une trame de données reçue par le microcontrôleur 1 sur un bus 6 LIN (Initiales anglo- saxonnes mises pour Local Interconnect Network).
Ainsi, en référence à la figure 3 qui illustre les étapes mises en œuvre par le microcontrôleur 1 du module de commande MLI, conformément à l'invention, le microcontrôleur 1 reçoit tout d'abord (étape 100) une demande de changement de fréquence des signaux PWM l et PWM2 nécessitant un rafraîchissement au moins du premier registre 3, et éventuellement des deux autres registres 4 et 5.
Cette demande de changement de fréquence est ensuite traitée par un programme spécifique d'instructions logicielles permettant notamment de calculer les nouvelles valeurs T, DC1 et DC2 qui devront être utilisées (étape 110). Lors d'une étape 130, les différents registres 3, 4 et 5 devront être rafraîchis pour sauvegarder ces nouvelles valeurs.
Les études de la Demanderesse ont permis de montrer que le rafraîchissement des registres ne pouvait pas intervenir à n'importe quel moment. En particulier, aucune valeur de registre ne doit être modifiée dans une fenêtre temporelle au cours de laquelle le compteur courant est susceptible de commuter, c'est-à-dire de repasser à zéro.
En d'autres termes, il existe une zone temporelle 7 interdite, représentée en traits hachurée sur une seule période de la figure 2 pour ne pas surcharger la figure, lors de laquelle aucun des registres 3 à 5 ne doit être modifié, même suite à une demande de rafraîchissement. Cela revient à dire qu'il existe une valeur seuil tmax du compteur courant, inférieure à la période T, et au-delà de laquelle les valeurs de registres ne doivent pas être modifiées pour la période en cours.
Le microcontrôleur 1 compare donc, lors d'une étape 120, la valeur tc du compteur courant avec la valeur seuil tmax, de façon à :
- autoriser le rafraîchissement des registres sur la période en cours si tc est inférieur à tmax ;
- différer le rafraîchissement des registres à la période suivante sinon. Pour calculer l'étendue de cette zone temporelle interdite 7, il est nécessaire de calculer le temps tT que met le microcontrôleur pour traiter les données à l'étape 110 et identifier ainsi la valeur maximale tcmax du compteur courant à partir duquel on ne peut plus faire, sur la période en cours, de rafraîchissement des registres.
Plus spécifiquement, selon l'application concernée, on connaît très exactement la plage de fréquences susceptibles d'être utilisées pour les signaux de commande MLI PWM 1 et PWM2, cette plage de fréquence s'étendant entre une fréquence minimum fMiN et une fréquence maximum fMAx - A cette plage de fréquences, correspond une plage autorisée pour la période T, s'étendant entre une période minimum TMIN (inverse de ÎMAX), et une période maximum TMAX (inverse de ÎMIN) -
Le pire des cas est fixé par la période minimum TMIN- La valeur seuil tmax pour le compteur courant est donné par la relation suivante :
Figure imgf000008_0001
A titre d'exemple non limitatif, si l'horloge du compteur courant, qui est celle du microcontrôleur 1, est de 16 MHz, la valeur contenue dans les registres correspond au nombre d'échantillons de temps de valeur 1/16 MHz et un échantillon de temps se nomme alors « cycle bus». Pour un module standard testé, les valeurs suivantes ont été obtenues :
TMIN = 728 cycles bus
TMAX = 775 cycles bus
tT = 51 cycles bus
soit une valeur seuil théorique de
tmax = 728 - 51 = 677 cycles bus
En pratique, on choisit même d'ajouter une marge de sécurité M, par exemple de 77 cycles bus, en appliquant la relation suivante :
tmax = TMIN - tT - M ce qui donne dans notre exemple
tmax = 728 - 51 - 77 = 600 cycles bus. La figure 4 illustre, sous forme d'un diagramme d'état, l'utilisation du module de commande MLI décrit précédemment pour la commande d'un moteur électrique pulseur pour climatisation, ou Groupe MotoVentilateur. On retrouve sur cette figure les deux signaux de commande PWM 1 et PWM2 générés par le module de commande, l'un étant destiné à la commande du moteur électrique, l'autre étant destiné au contrôle du module pilote du moteur électrique, en particulier à un élévateur de tension utilisé pour piloter des transistors du moteur électrique. Sur réception de la demande de changement de fréquence arrivant sous forme de données sur le bus LIN, le microcontrôleur du module de commande va tout d'abord procéder à une acquisition 105 de la nouvelle fréquence à utiliser. On retrouve ensuite étape 110 d'extraction de la nouvelle période T et des rapports cycliques DC1 et DC2 qu'il convient d'utiliser pour les deux signaux de commande, suivie de la commande de rafraîchissement (étape 130) des registres associés.
L'invention a été décrite dans le cadre de la génération de deux signaux de commande MLI par un même compteur, mais peut bien entendu être adaptée au cas où un seul signal MLI est généré par le compteur, ou aux cas où plusieurs compteurs mono canaux ou multi canaux sont présents. Dans tous les cas, l'invention consiste en une simple modification logicielle du code bas niveau de la génération des signaux PWM qui permet des changements de fréquence PWM en cours de fonctionnement, à la volée, sans perturbation des signaux.

Claims

REVENDICATIONS
Module de commande MLI comportant un microcontrôleur (1) comprenant un compteur courant et un compteur (2) apte à délivrer au moins un signal de commande MLI (PWM 1, PWM2) de période et de rapport cyclique variables, ledit compteur
(2) comprenant un premier registre (3) apte à sauvegarder une valeur de la période du signal de commande, un deuxième registre (4) apte à sauvegarder une valeur du rapport cyclique du signal de commande, et étant apte à comparer sur chaque période de fonctionnement une valeur tc du compteur courant avec chacune des valeurs sauvegardées dans le premier et le deuxième registres (3, 4), le microcontrôleur (1) étant apte à :
- recevoir (100) une information relative à une demande de changement de fréquence pour le signal de commande MLI ;
- traiter (110) ladite information en calculant de nouvelles valeurs pour la période et le rapport cyclique du signal de commande MLI ;
- comparer (120) une valeur tc du compteur courant avec une valeur seuil tmax prédéfinie, de façon à autoriser le rafraîchissement (130) des premier et deuxième registres (3, 4) sur une période de fonctionnement en cours si ladite valeur du compteur courant tc est inférieure à ladite valeur seuil tmax, et différer sinon le rafraîchissement des registres à la période de fonctionnement suivante.
Module de commande MLI selon la revendication 1, caractérisé en ce que la valeur seuil tmax est prédéfinie selon la relation
Figure imgf000011_0001
dans laquelle TMIN est la valeur de la plus petite période possible pour le signal de commande MLI, et tj correspond à la durée nécessaire au microcontrôleur (1) pour traiter ladite information.
3. Module de commande MLI selon la revendication 1, caractérisé en ce que la valeur seuil tmax est prédéfinie selon la relation
Figure imgf000012_0001
dans laquelle TMIN est la valeur de la plus petite période possible pour le signal de commande MLI, tT correspond à la durée nécessaire au microcontrôleur (1) pour traiter ladite information, et M est une marge de sécurité.
4. Module de commande MLI selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le microcontrôleur (1) est apte à recevoir ladite information sur un bus (6) LIN .
5. Module de commande MLI selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit compteur (2) est apte à délivrer un deuxième signal de commande MLI (PWM2) de même période et de rapport cyclique variables, par l'intermédiaire d'un troisième registre (5) apte à sauvegarder une valeur du rapport cyclique du deuxième signal de commande, et en ce que le microcontrôleur (1) est apte à commander le rafraîchissement du troisième registre (5) en même temps que le rafraîchissement du premier et du deuxième registres (3, 4).
6. Utilisation du module de commande MLI selon l'une quelconque des revendications précédentes à la commande d'un moteur électrique pulseur pour climatisation.
PCT/EP2014/063628 2013-06-27 2014-06-26 Module de commande mli, notamment pour la commande d'un moteur electrique de climatisation Ceased WO2014207169A1 (fr)

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