WO2018020125A1 - Procédé de contrôle d'une machine électrique tournante à l'aide d'un signal pwm à fréquence aléatoire - Google Patents

Procédé de contrôle d'une machine électrique tournante à l'aide d'un signal pwm à fréquence aléatoire Download PDF

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WO2018020125A1
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WO
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electrical machine
control signal
rotating electrical
control
frequency
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PCT/FR2017/052042
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Inventor
Zaatar MAKNI
Mohamed Khanchoul
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Valeo Systemes Thermiques SAS
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Valeo Systemes Thermiques SAS
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P27/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage
    • H02P27/04—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage
    • H02P27/06—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage using DC to AC converters or inverters
    • H02P27/08—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage using DC to AC converters or inverters with pulse width modulation

Definitions

  • the present invention relates to a method of controlling a rotating electrical machine, and more particularly to an electric compressor.
  • the invention also relates to a control unit of such a rotating electrical machine.
  • Such a rotary electrical machine such as an electric compressor, can for example be implemented within an air conditioning circuit of a motor vehicle.
  • the rotating electrical machines can be controlled by means of a pulse width modulated control signal which makes it possible to easily control their rotational speed.
  • the control signal is generally shaped by a power electronics for transforming a DC or AC voltage into a pulse width modulated signal.
  • the control signal thus takes the form of a periodic slot oscillating between a high value and a low value at a constant frequency.
  • the duty ratio of such a control signal i.e., the ratio between the duration during which the control signal takes its high value and the period of said periodic signal, makes it possible to control the speed of rotation of the rotating electrical machine.
  • control signals lie in the fact that, since the control signal has an invariant frequency, then the spectral energy contained in the control signal is transmitted in part to the rotating electrical machine which, depending on its shape by example, is solicited according to one or more of its modes of resonance.
  • control of rotating electrical machines controlled by a control signal having a predetermined and invariant frequency leads to more particularly exciting one or more resonance modes of the rotating electrical machine and corresponding to the frequency of the control signal.
  • this resonance mode leads to an increase in the vibrations of the rotating electrical machine which can adversely affect the comfort of use.
  • increased vibration during operation can also lead to premature deterioration of some of the components of the rotating electrical machine.
  • the excitation of the resonance mode also generates a rise in the noise level during the operation of the rotating electrical machine.
  • Another object of the invention is to propose a new method of controlling a rotating electrical machine to solve at least one of these problems.
  • Another object of the present invention is to reduce the vibrations of a rotating electrical machine during its operation.
  • Another object of the invention is to improve the electromagnetic compatibility of a rotating electrical machine during its operation. Presentation of the invention
  • At least one of the aforementioned objectives is achieved with a method of controlling a rotating electrical machine driven by at least one control signal of the pulse width modulation type, characterized in that the control signal is frequency-modulated, the frequency of the modulated control signal being within a given control range.
  • the rotary electrical machine is now controlled by a variable frequency control signal, for spreading the spectral energy contained in the control signal over a wider frequency range and, ultimately, to reduce the energy transmitted to the rotating electrical machine and corresponding to its modes of resonance. Consequently, the resonant modes of said rotating electrical machine are less stressed and the vibratory phenomena of the rotating electrical machine are reduced. As a result, the noise level of the rotating electrical machine is reduced during operation.
  • the invention makes it possible to reduce the noise level of the compressor and therefore the comfort of users inside the cabin.
  • the average value of the frequencies of the control signal is greater than or equal to 10 kHz, and preferably still equal to 10 kHz.
  • the control signal is configured to drive the rotating electrical machine to a predefined average value or at least a predefined value while reducing the excitation levels of the resonance modes of the rotating electrical machine.
  • the control range is between 8 kHz and 12 kHz in order to distribute the frequencies of the control signal around the reference value.
  • the control range is centered around the reference value.
  • the frequency of the modulated control signal is determined by means of a random function in order to generate a plurality of frequencies, which are all statistically different in order to distribute the spectral energy of the control signal over a wider spectral band. , continuous or discontinuous.
  • the control signal obtained by the random function has a power spectral density of the type of a white noise in the control range.
  • the power spectral density of the random function takes the form of a white noise centered on the desired average value of the control signal, for example 10 kHz.
  • the control signal obtained by the random function has a spectral power density of the Gaussian type in the control range.
  • the power spectral density of the random function takes the form of a Gaussian centered on the desired average value of the control signal, for example 10 kHz.
  • such a method of controlling a rotating electrical machine comprises the following steps:
  • the first step of the method comprises a step of determining a signal coming from the rotating electrical machine and making it possible subsequently to determine the duty cycle of the control signal which made it possible to configure the rotating electrical machine in such a way. state.
  • this determination step can be a step of measuring at least one signal coming from the electrical machine, for example of the type of a rotational speed, an output voltage, of a frequency;
  • the at least one signal from the electrical machine is stored in a memory
  • the pulse width modulation control signal is obtained via a periodic reference signal, for example triangular, and of random frequency: the pulse width modulated signal has the same frequency as the triangular reference signal used for "Modulate" the pulse width modulated signal.
  • control unit of a rotating electrical machine comprising means arranged to implement the steps of the control method according to the first aspect of the invention or to any one of of his improvements.
  • control unit according to the second aspect of the invention comprises:
  • a voltage generator for generating at least one power switching signal for alternately set in an off mode, or from an electric power module comprising at least one power transistor;
  • a processing unit configured to implement the control method according to the first aspect of the invention or as claimed in any of its improvements.
  • control unit configured to generate at least one control signal for controlling a rotating electrical machine, the control signal being of the type of an alternating pulse width modulated signal at a random frequency in order to distribute the spectral energy contained in said control signal.
  • an electrical system comprising:
  • At least one DC voltage source configured to generate at least one electrical polarization signal
  • a power module electrically connected to the DC voltage source, the power module being arranged to form at least a control signal of a rotating electrical machine;
  • control unit being electrically connected to the power module and configured to shape a switching signal of the power module.
  • the rotary electrical machine is preferably of the type of an electric compressor, such as for example used in electric and / or hybrid motor vehicles.
  • the power module is arranged to transform a DC voltage supplied by the DC voltage source into an AC control signal for driving the rotating electrical machine.
  • the control signal is of the type of a pulse width modulated signal.
  • the power module is composed of a plurality of power transistors such as for example insulated gate transistors (1GBT for "insulated gate Bipolar Transisor") and / or field effect transistors with a metal-oxide-semiconductor structure ( MOSFET for "Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor.”
  • the power transistors are arranged to be alternately configured in their conduction modes and then in their blocked mode via a switching signal . The successive commutations of the power transistors thus make it possible to generate a signal controlled alternative and according to a predefined and adjustable frequency.
  • the control unit is configured to generate the switching signals at at least one predefined frequency. As explained above, the invention aims to generate a variable frequency switching signal, and preferably in a random manner.
  • the power module is of the type of a DC-AC converter and comprises at least one transistor of power per electrical phase of the rotating electrical machine, the power module being configured to shape a control signal by electrical phase of the rotating electrical machine, the control unit being configured to generate a control signal by electrical phase .
  • the rotating electrical machine is of the type of a synchronous electric motor or a variable reluctance motor.
  • the invention also relates to a rotating electrical machine implementing a method according to one of the aforementioned embodiments.
  • the rotating electrical machine is implemented within an electric air conditioning compressor for a motor vehicle.
  • the invention also relates to a rotary electrical machine according to one of the aforementioned aspects, implemented within a motor vehicle air conditioning circuit.
  • FIGURE 1 schematically illustrates an electrical system according to the third aspect of the invention
  • FIGURE 2 illustrates a block diagram of the control method according to the first aspect of the invention
  • FIGURE 3a and 3b on one hand and 4a and 4b on the other hand illustrate a power spectral density of an electric compressor controlled using a conventional control signal, that is to say fixed frequency, and using a control signal generated by the method according to the first aspect of the invention, that is to say at random frequency.
  • a conventional control signal that is to say fixed frequency
  • a control signal generated by the method according to the first aspect of the invention that is to say at random frequency.
  • the features, variants and different embodiments of the invention may be associated with each other, in various combinations, to the extent that they are not incompatible or exclusive of each other. It will be possible to imagine variants of the invention comprising only a selection of characteristics subsequently described in isolation from the other characteristics described, if this selection of characteristics is sufficient to confer a technical advantage or to differentiate the invention compared in the state of the prior art.
  • FIG. 1 schematically illustrates an electrical system 100 according to the third aspect of the invention comprising:
  • Each bias signal 115 is transported by an electrical conductor.
  • the DC voltage source 110 is electrically connected to a power module 120 via a first electrical conductor connecting the positive terminal of the DC voltage source 110 to the power module. 120 and a second electrical conductor connecting the negative terminal of the DC voltage source 110 to the power module 120;
  • the power module 120 is arranged to form at least one control signal 125 in a rotating electrical machine 130.
  • the power module 120 is electrically connected to the rotating electrical machine 130 through at least one electrical connector.
  • the power module 120 comprises a plurality of power transistors not shown in FIG. 1.
  • the power transistors are configured to switch between a blocking mode and a conduction mode so as to generate at least one control signal 125 of the pulse width modulation type.
  • the power transistors are grouped into power stages, the power module 120 comprising as much power stage as the number of electrical phases of the rotary electrical machine 130.
  • the power module 120 comprises three power stages;
  • control unit 140 electrically connected to the power module 120 via at least one electrical connector and configured to form at least one switching signal 155 of the power module 120.
  • the control unit 140 is configured to generate a single switching signal 155 for triggering at least one power stage of the power module 120.
  • a phase shift is introduced between each power stage, that is to say between each electrical phase of the power stage. the rotating electrical machine 130.
  • the control unit 140 is configured to generate a plurality of switching signals 155, preferably in number equal to the number of electrical phases of the rotating electrical machine 130.
  • the control unit 140 is configured to generate at least a switching signal 155 of the power stage or stages of the power module 120, the switching signal 155 having a variable frequency depending on the state of the rotating electrical machine 130.
  • FIG. 2 illustrates a functional diagram of the control method according to the first aspect of the invention, in which three frequency switching signals 155 random are generated by a control unit in order to switch a power module 120 for driving a rotary electric machine 130 three-phase type of an electric compressor.
  • FIGURE 2 illustrates vector control of PWM control signals 125.
  • an observer 214 of the induced electromotive force of the rotating electrical machine 130 is used to reconstruct the quantities ⁇ and ⁇ ⁇ respectively representing the speed and the position, from the control voltages V a and V b and currents. l a and l b taken in a benchmark of Concordia.
  • the control voltages V a and V b are measured directly on the electrical system and / or at the rotating electrical machine 130.
  • the magnitudes ⁇ and ⁇ ⁇ are then compared with a reference variable ⁇ ⁇ ⁇ representing the set speed . The result of the comparison makes it possible to implement a speed controller 211 making it possible to calculate the target torque.
  • signals 235 representative of the state of the rotating machine 130 are used either in a buffer memory 230 or in a proportional gain amplifier 213 for determining the quantities l q and l d which respectively represent the current in quadrature and direct.
  • the output signal from the speed controller 211 as well as the quantities 1 and 1 d are then used in a current regulator 212 to generate control voltages.
  • the current regulator makes it possible to determine the variables d and q representing the control voltages.
  • a first 215 and then a second successive 216 base change makes it possible to address a support vector machine for determining the three-phase voltages as a function of a reference random-frequency triangular signal 115.
  • the frequency of the triangular signal can advantageously be predetermined by means of a random function, for example of the type of a white noise or a Gaussian bounded within a frequency range preferably comprised between 8 kHz and 12 kHz.
  • the random function is advantageously centered around 10 kHz, so that the average value of the triangular signal 115, and / or the control signal 125 in fine, are greater than or equal to and preferably equal to 10 kHz.
  • the switching signals 155 controlling the power module 120 are unchanged; on the other hand, if the period of the triangular reference signal 115 is greater than the period of the microcontroller executing the loop 210, then the switching signals 155 are modified so that their frequency is equal to that which has recently been recorded in the buffer 230.
  • the frequency of the microcontroller executing the loop 210 is equal to 10 kHz or substantially equal to 10 kHz.
  • the switching signals 155 are possibly averaged 240 before driving the power module 120.
  • FIGS. 3a and 3b on the one hand and 4a and 4b on the other hand respectively illustrate a power spectral density of an electric compressor driven by means of a usual control signal, that is to say at fixed frequency, and using a control signal generated by the method according to the first aspect of the invention, that is to say at random frequency.
  • FIGURES 3 and 4 illustrate the vibratory levels of an electric compressor measured at different characteristic points: the outer cover (histogram in dark lines) and the case on the motor side (histograms in clear lines).
  • FIGURES 3a and 3b illustrate the spectral density of an electric compressor driven by a pulse width modulated control signal at a constant frequency, as realized in the prior art.
  • FIGURE 3a illustrates the power spectral density for frequencies between 0 and 10 kHz
  • FIGURE 3b illustrates the power spectral density for frequencies between 10 kHz and 16 kHz.
  • FIGURES 4a and 4b illustrate the spectral density of an electric compressor driven by a variable frequency pulse width modulation control signal, in accordance with FIG. to the invention.
  • FIGURE 4a illustrates the power spectral density for frequencies between 0 and 10 kHz
  • FIGURE 4b illustrates the power spectral density for frequencies between 10 kHz and 16 kHz.
  • the method according to the first aspect of the invention thus makes it possible to reduce the vibratory level of the electric compressor driven by a control signal with modulation of pulse width and variable frequency. More particularly, the reduction of the amplitude of the vibrations of the electric compressor is particularly important between 7 kHz and 13 kHz.
  • This attenuation of the vibratory dynamic behavior of the electric compressor is solely due to the frequency spreading of the control signals: the spectral energy associated with the control signals is distributed over a greater number of resonant modes of the electric compressor, thus reducing the associated vibrations said electric compressor.
  • the present invention also makes it possible to reduce the electromagnetic radiation of such a compressor and facilitates its integration into a more complex electrical system. It is indeed possible to reduce or even remove some electromagnetic shielding, reducing the weight on board the vehicle.

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Abstract

L'invention concerne un procédé de contrôle d'une machine électrique tournante pilotée par au moins un signal de commande du type à modulation de largeur d'impulsion, caractérisé en ce que le signal de commande est modulé en fréquence, la fréquence du signal de commande modulé étant comprise dans une plage de contrôle donnée. L'invention concerne aussi une unité de contrôle configurée pour commander une machine électrique tournante à l'aide d'un signal de commande à modulation de largeur d'impulsion et à fréquence aléatoire afin de distribuer l'énergie spectrale contenue dans ledit signal de commande.

Description

« PROCÉDÉ DE CONTRÔLE D'UNE MACHINE ÉLECTRIQUE TOURNANTE À L'AIDE D'UN SIGNAL PWM À
FRÉQUENCE ALÉATOIRE »
Domaine technique
La présente invention concerne un procédé de contrôle d'une machine électrique tournante, et plus particulièrement un compresseur électrique. L'invention concerne aussi une unité de contrôle d'une telle machine électrique tournante.
Une telle machine électrique tournante, tel qu'un compresseur électrique, peut par exemple être mis en œuvre au sein d'un circuit de climatisation d'un véhicule automobile.
État de la technique antérieure
De manière connue, les machines électriques tournantes peuvent être pilotées à l'aide d'un signal de commande modulé en largeur d'impulsion qui permet de contrôler facilement leur vitesse de rotation. Le signal de commande est généralement mis en forme par une électronique de puissance permettant de transformer une tension continue ou alternative en un signal modulé en largeur d'impulsion. Le signal de commande prend ainsi la forme d'un créneau périodique oscillant entre une valeur haute et une valeur basse à fréquence constante. De manière schématique, le rapport cyclique d'un tel signal de commande, c'est-à-dire le rapport entre la durée durant laquelle le signal de commande prend sa valeur haute et la période dudit signal périodique, permet de contrôler la vitesse de rotation de la machine électrique tournante.
Un inconvénient de tels signaux de commande réside dans le fait que, le signal de commande possédant une fréquence invariante, alors l'énergie spectrale contenue dans le signal de commande est transmise en partie à la machine électrique tournante qui, en fonction de sa forme par exemple, est sollicitée selon un ou plusieurs de ses modes de résonnance. En d'autre termes, le pilotage de machines électriques tournantes pilotées par un signal de commande possédant une fréquence prédéterminée et invariante conduit à exciter plus particulièrement un ou plusieurs modes de résonnance de la machine électrique tournante et correspondant à la fréquence du signal de commande.
Par suite, l'excitation de ce(s) mode(s) de résonance conduit à une augmentation des vibrations de la machine électrique tournante qui peut nuire au confort d'utilisation. De plus, l'augmentation des vibrations durant son fonctionnement peut aussi conduire à une détérioration prématurée de certain des composants de la machine électrique tournante. En outre, l'excitation du mode de résonance génère aussi une élévation du niveau de bruit durant le fonctionnement de la machine électrique tournante.
La présente invention a pour objet de répondre au moins en grande partie aux problèmes précédents et de conduire en outre à d'autres avantages.
Un autre but de l'invention est de proposer un nouveau procédé de contrôle d'une machine électrique tournante pour résoudre au moins un de ces problèmes. Un autre but de la présente invention est de réduire les vibrations d'une machine électrique tournante durant son fonctionnement.
Un autre but de l'invention est d'améliorer la compatibilité électromagnétique d'une machine électrique tournante durant son fonctionnement. Exposé de l'invention
Selon un premier aspect de l'invention, on atteint au moins l'un des objectifs précités avec un procédé de contrôle d'une machine électrique tournante pilotée par au moins un signal de commande du type à modulation de largeur d'impulsion, caractérisé en ce que le signal de commande est modulé en fréquence, la fréquence du signal de commande modulé étant comprise dans une plage de contrôle donnée. Ainsi la machine électrique tournante est désormais pilotée par un signal de commande à fréquence variable, permettant d'étaler l'énergie spectrale contenue dans le signal de commande sur une plage de fréquence plus large et, in fine, de réduire l'énergie transmise à la machine électrique tournante et correspondant à ses modes de résonance. Par conséquent, les modes de résonances de ladite machine électrique tournante sont moins sollicités et les phénomènes vibratoires de la machine électrique tournante sont réduits. Par suite, le niveau de bruit de la machine électrique tournante est réduit durant son fonctionnement.
De ce fait, par exemple pour l'utilisation d'une telle machine électrique tournante en tant que compresseur électrique mis en œuvre au sein d'un circuit de climatisation de véhicule automobile, l'invention permet de diminuer le niveau sonore du compresseur et donc le confort des utilisateurs à l'intérieur de l'habitacle.
De manière avantageuse, la valeur moyenne des fréquences du signal de commande est supérieure ou égale à 10 kHz, et préférentiellement encore égale à 10 kHz. De cette manière, le signal de commande est configuré pour piloter la machine électrique tournante à une valeur moyenne prédéfinie ou au moins égale à une valeur prédéfinie tout en réduisant les niveaux d'excitation des modes de résonance de la machine électrique tournante. En outre, il est important d'assurer une valeur moyenne du signal de commande égale ou supérieure à une valeur de référence donnée afin de garantir un fonctionnement optimal de la machine électrique tournante, notamment en termes de réactivité au regard d'une variation du rapport cyclique par exemple.
De manière avantageuse, la plage de contrôle est comprise entre 8 kHz et 12 kHz afin de distribuer les fréquences du signal de commande autour de la valeur de référence. Eventuellement, la plage de contrôle est centrée autour de la valeur de référence. De manière préférentielle, la fréquence du signal de commande modulé est déterminée à l'aide d'une fonction aléatoire afin de générer une pluralité de fréquences, statistiquement toutes différentes afin de répartir l'énergie spectrale du signal de commande sur une plus large bande spectrale, continue ou discontinue. Plus particulièrement, et selon une première variante de l'invention conforme à son premier aspect, le signal de commande obtenu par la fonction aléatoire a une densité spectrale de puissance du type d'un bruit blanc dans la plage de contrôle. Eventuellement, la densité spectrale de puissance de la fonction aléatoire prend la forme d'un bruit blanc centré sur la valeur moyenne recherchée du signal de commande, par exemple 10 kHz.
Selon une deuxième variante de l'invention, le signal de commande obtenu par la fonction aléatoire a une densité spectrale de puissance du type d'une gaussienne dans la plage de contrôle. Eventuellement, la densité spectrale de puissance de la fonction aléatoire prend la forme d'une gaussienne centré sur la valeur moyenne recherchée du signal de commande, par exemple 10 kHz.
Selon un mode de réalisation du procédé conforme au premier aspect de l'invention ou à l'un quelconque de ses perfectionnements, un tel procédé de contrôle d'une machine électrique tournante comprend les étapes suivantes :
— détermination d'une fréquence de rotation de la machine électrique tournante, par exemple à l'aide d'une tension alternative provenant de la machine électrique tournante. La fréquence de rotation de la machine électrique traduit le rapport cyclique du signal de commande qui a permis d'obtenir une telle fréquence de rotation. D'une manière générale, la première étape du procédé comprend une étape de détermination d'un signal provenant de la machine électrique tournante et permettant de déterminer ensuite le rapport cyclique du signal de commande qui a permis de configurer la machine électrique tournante dans un tel état. A titre d'exemple non limitatif, cette étape de détermination peut être une étape de mesure d'au moins un signal provenant de la machine électrique, par exemple du type d'une vitesse de rotation, d'une tension de sortie, d'une fréquence ;
— enregistrement de la fréquence de rotation dans une mémoire. D'une manière générale, l'au moins un signal provenant de la machine électrique est enregistré dans une mémoire ;
— comparaison de la fréquence de rotation avec une valeur de référence :
O si la fréquence de rotation est supérieure ou égale à la valeur de référence, alors génération d'un signal de commande à modulation de largeur d'impulsion à la fréquence de rotation de la machine électrique tournante ;
O si la fréquence de rotation est inférieure à la valeur de référence, alors génération d'un signal de commande à modulation de largeur d'impulsion à une fréquence de rotation enregistrée dans la mémoire.
Le signal de commande à modulation de largeur d'impulsion est obtenu via un signal de référence périodique, par exemple triangulaire, et de fréquence aléatoire : le signal à modulation de largeur d'impulsion a la même fréquence que le signal triangulaire de référence utilisé pour « moduler » le signal à modulation de largeur d'impulsion.
Selon un deuxième aspect de l'invention, il est proposé une unité de contrôle d'une machine électrique tournante comprenant des moyens agencés pour mettre en œuvre les étapes du procédé de contrôle conforme au premier aspect de l'invention ou à l'un quelconque de ses perfectionnements. Préférentiellement, l'unité de contrôle conforme au deuxième aspect de l'invention comprend :
— une mémoire interne pour enregistrer au moins un paramètre de fonctionnement de la machine électrique tournante ;
— un générateur de tension pour générer au moins un signal de commutation pour pouvoir configurer alternativement dans un mode bloqué ou passant un module électrique de puissance comprenant au moins un transistor de puissance ; et
— une unité de traitement configurée pour mettre en œuvre le procédé de contrôle conforme au premier aspect de l'invention ou selon l'un quelconque de ses perfectionnements.
Ainsi l'unité de contrôle configurée pour générer au moins un signal de commande permettant de commander une machine électrique tournante, le signal de commande étant du type d'un signal alternatif à modulation de largeur d'impulsion et à fréquence aléatoire afin de distribuer l'énergie spectrale contenue dans ledit signal de commande.
Selon un troisième aspect de l'invention, il est proposé un système électrique comprenant :
— une machine électrique tournante ;
— au moins une source de tension continue configurée pour générer au moins un signal électrique de polarisation ;
— un module de puissance connecté électriquement à la source de tension continue, le module de puissance étant agencé pour mettre en forme au moins un signal de commande d'une machine électrique tournante ;
— une unité de contrôle conforme au deuxième aspect de l'invention, l'unité de contrôle étant connectée électriquement au module de puissance et configurée pour mettre en forme un signal de commutation du module de puissance.
La machine électrique tournante est préférentiellement du type d'un compresseur électrique, tel que par exemple utilisé dans des véhicules automobiles électriques et/ou hybrides. Le module de puissance est agencé pour transformer une tension continue fournie par la source de tension continue en un signal de commande alternatif pour piloter la machine électrique tournante. Préférentiellement, le signal de commande est du type d'un signal à modulation de largeur d'impulsion. Le module de puissance est composé d'une pluralité de transistors de puissances tels que par exemple des transistors à grille isolée (1GBT pour « Insulated Gâte Bipolar Transisor ») et/ou des transistors à effet de champ à structure métal- oxyde-semiconducteur (MOSFET pour « Métal Oxyde Semiconductor Field Effect Transistor ». Les transistors de puissance sont agencés pour être alternativement configurés dans leurs modes de conduction puis dans leur mode bloqué via un signal de commutation. Les commutations successives des transistors de puissances permettent ainsi de générer un signal alternatif contrôlé et selon une fréquence prédéfinie et ajustable. L'unité de contrôle est configurée pour générer les signaux de commutation à au moins une fréquence prédéfinie. Comme expliqué précédemment, l'invention vise à générer un signal de commutation à fréquence variable, et préférentiellement de manière aléatoire.
De manière avantageuse, dans un système électrique conforme au troisième aspect de l'invention et dans lequel la machine électrique tournante comprend une pluralité de phases électriques, le module de puissance est du type d'un convertisseur DC-AC et comprend au moins un transistor de puissance par phase électrique de la machine électrique tournante, le module de puissance étant configuré pour mettre en forme un signal de commande par phase électrique de la machine électrique tournante, l'unité de contrôle étant configurée pour générer un signal de contrôle par phase électrique.
De manière préférentielle, dans un système électrique conforme au troisième aspect de l'invention, la machine électrique tournante est du type d'un moteur électrique synchrone ou d'un moteur à reluctance variable.
Des modes de réalisation variés de l'invention sont prévus, intégrant selon l'ensemble de leurs combinaisons possibles les différentes caractéristiques optionnelles exposées ici.
L'invention concerne également une machine électrique tournante mettant en œuvre un procédé selon l'un des modes de réalisation précités.
Selon un aspect particulier de l'invention, la machine électrique tournante est mise en œuvre au sein d'un compresseur électrique de climatisation pour véhicule automobile.
L'invention concerne encore une machine électrique tournante selon l'une des aspects précités, mise en oeuvre au sein d'un circuit de climatisation de véhicule automobile.
Description des figures
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront encore au travers de la description qui suit d'une part, et de plusieurs exemples de réalisation donnés à titre indicatif et non limitatif en référence aux dessins schématiques annexés d'autre part, sur lesquels :
— la FIGURE 1 illustre de manière schématique un système électrique conforme au troisième aspect de l'invention ;
— la FIGURE 2 illustre un diagramme fonctionnel du procédé de contrôle conforme au premier aspect de l'invention ; — les FIGURE 3a et 3b d'une part et 4a et 4b d'autre part illustrent respectivement une densité spectrale de puissance d'un compresseur électrique piloté à l'aide d'un signal de commande usuel, c'est-à-dire à fréquence fixe, et à l'aide d'un signal de commande généré par le procédé conforme au premier aspect de l'invention, c'est-à-dire à fréquence aléatoire. Bien entendu, les caractéristiques, les variantes et les différentes formes de réalisation de l'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. On pourra notamment imaginer des variantes de l'invention ne comprenant qu'une sélection de caractéristiques décrites par la suite de manière isolées des autres caractéristiques décrites, si cette sélection de caractéristiques est suffisante pour conférer un avantage technique ou pour différencier l'invention par rapport à l'état de la technique antérieur.
En particulier toutes les variantes et tous les modes de réalisation décrits sont combinables entre eux si rien ne s'oppose à cette combinaison sur le plan technique.
Sur les figures, les éléments communs à plusieurs figures conservent la même référence.
Description détaillée de l'invention La FIGURE 1 illustre de manière schématique un système électrique 100 conforme au troisième aspect de l'invention comprenant :
— une machine électrique tournante 130 du type d'une machine électrique synchrone à aimants permanents ou à reluctance variable, telle que par exemple un compresseur électrique ;
— au moins une source de tension continue 110 configurée pour générer au moins un signal électrique de polarisation 115. Chaque signal de polarisation 115 est transporté par un conducteur électrique.
Dans l'exemple schématisé sur la FIGURE 1, la source de tension continue 110 est connectée électriquement à un module de puissance 120 par l'intermédiaire d'un premier conducteur électrique reliant la borne positive de la source de tension continue 110 au module de puissance 120 et d'un deuxième conducteur électrique reliant la borne négative de la source de tension continue 110 au module de puissance 120 ;
— le module de puissance 120 connecté électriquement à la source de tension continue 110 par l'intermédiaire du premier et deuxième conducteur électrique, le module de puissance 120 étant agencé pour mettre en forme au moins un signal de commande 125 d'une machine électrique tournante 130. Le module de puissance 120 est connecté électriquement à la machine électrique tournante 130 par l'intermédiaire d'au moins un connecteur électrique. De manière préférentielle, le module de puissance 120 comprend une pluralité de transistors de puissance non représentés sur la FIGURE 1. Les transistors de puissance sont configurés pour commuter entre un mode bloquant et un mode de conduction de manière à générer au moins un signal de commande 125 du type à modulation de largeur d'impulsion. Avantageusement, les transistors de puissance sont regroupés en étages de puissance, le module de puissance 120 comprenant autant d'étage de puissance que le nombre de phases électriques de la machine électrique tournante 130. À titre d'exemple non limitatif, dans le cas d'une machine électrique tournante triphasée, le module de puissance 120 comprend trois étages de puissances ;
— une unité de contrôle 140 connectée électriquement au module de puissance 120 via au moins un connecteur électrique et configurée pour mettre en forme au moins un signal de commutation 155 du module de puissance 120. Selon un premier mode de réalisation, l'unité de contrôlé 140 est configurée pour générer un seul signal de commutation 155 permettant de déclencher au moins un étage de puissance du module de puissance 120. Eventuellement, un déphasage est introduit entre chaque étage de puissance, c'est-à-dire entre chaque phase électrique de la machine électrique tournante 130. Selon un deuxième mode de réalisation, l'unité de contrôle 140 est configurée pour générer une pluralité de signaux de commutation 155, préférentiellement en nombre égal au nombre de phases électriques de la machine électrique tournante 130. D'une manière générale, et selon n'importe quel mode de réalisation, l'unité de contrôle 140 est configurée pour générer au moins un signal de commutation 155 du ou des étages de puissance du module de puissance 120, le signal de commutation 155 ayant une fréquence variable en fonction de l'état de la machine électrique tournante 130.
Un tel système électrique 100 permet ainsi de piloter une machine électrique tournante 130 à l'aide d'un module de puissance 120 configuré pour générer au moins un signal de commande 125 de fréquence variable afin de distribuer l'énergie spectrale liée aux signaux de commande 125 et de limiter l'excitation d'un ou plusieurs modes résonnants de la machine électrique tournante 130. La FIGURE 2 illustre un diagramme fonctionnel du procédé de contrôle conforme au premier aspect de l'invention, dans lequel trois signaux de commutation 155 à fréquence aléatoire sont générés par une unité de contrôle afin de faire commuter un module de puissance 120 permettant de piloter une machine électrique tournante 130 triphasée du type d'un compresseur électrique. La FIGURE 2 illustre un contrôle vectoriel des signaux de commande 125 à modulation de largeur d'impulsion. Pour ce faire, un observateur 214 de la force électromotrice induite de la machine électrique tournante 130 est utilisé pour reconstruire les grandeurs θβ et ΩΓ représentant respectivement la vitesse et la position, à partir des tensions de commande Va et Vb et des courants la et lb pris dans un repère dit de Concordia. Les tensions de commande Va et Vb sont mesurées directement sur le système électrique et/ou au niveau de la machine électrique tournante 130. Les grandeurs θβ et ΩΓ sont ensuite comparées à une grandeur de référence ΩΓε^ représentant la vitesse de consigne. Le résultat de la comparaison permet de mettre en œuvre un régulateur de vitesse 211 permettant de calculer le couple de consigne.
Complémentairement, des signaux 235 représentatifs de l'état de la machine tournante 130 sont utilisées soit dans une mémoire tampon 230, soit dans un amplificateur à gain proportionnel 213 permettant de déterminer les grandeurs lq et ld qui représentent respectivement le courant en quadrature et direct. Le signal sortant du régulateur de vitesse 211 ainsi que les grandeurs 1 et ld sont ensuite utilisés dans un régulateur de courant 212 pour générer des tensions de commande.
Ainsi, le régulateur de courant permet de déterminer les variables d et q représentant les tensions de commande. Un premier 215 puis un deuxième 216 changement de base successif permet d'adresser une machine à vecteurs de support pour déterminer les tensions triphasée en fonction d'un signal triangulaire à fréquence aléatoire 115 de référence.
Comme décrit précédemment, la fréquence du signal triangulaire peut avantageusement être prédéterminée à l'aide d'une fonction aléatoire, par exemple du type d'un bruit blanc ou d'une gaussienne borné à l'intérieur d'un intervalle de fréquence compris préférentiellement entre 8 kHz et 12 kHz. La fonction aléatoire est avantageusement centrée autour de 10 kHz, de sorte que la valeur moyenne du signal triangulaire 115, et/ou du signal de commande 125 in fine, soient supérieures ou égales— et préférentiellement égales— à 10 kHz.
D'une manière schématique, si la période du signal triangulaire 115 de référence est inférieure à la période du microcontrôleur exécutant la boucle 210, alors les signaux de commutation 155 contrôlant le module de puissance 120 sont inchangés ; en revanche, si la période du signal triangulaire 115 de référence est supérieure à la période du microcontrôleur exécutant la boucle 210, alors les signaux de commutation 155 sont modifiés de manière à ce que leur fréquence soit égale à celle qui a été dernièrement enregistrée dans la mémoire tampon 230.
A titre d'exemple, la fréquence du microcontrôleur exécutant la boucle 210 est égale à 10 kHz ou sensiblement égale à 10 kHz. Les signaux de commutation 155 sont éventuellement moyennés 240 avant d'attaquer le module de puissance 120.
Les FIGURES 3a et 3b d'une part et 4a et 4b d'autre part illustrent respectivement une densité spectrale de puissance d'un compresseur électrique piloté à l'aide d'un signal de commande usuel, c'est-à-dire à fréquence fixe, et à l'aide d'un signal de commande généré par le procédé conforme au premier aspect de l'invention, c'est-à-dire à fréquence aléatoire.
Plus particulièrement, les FIGURES 3 et 4 illustrent les niveaux vibratoires d'un compresseur électrique mesurés en différents points caractéristiques : le capot extérieur (histogramme en traits foncés) et le boitier du côté du moteur (histogrammes en traits clairs).
Les FIGURES 3a et 3b illustrent la densité de spectrale d'un compresseur électrique piloté par un signal de commande à modulation de largeur d'impulsion et à fréquence constante, tel que réalisé dans l'art antérieur. La FIGURE 3a illustre la densité spectrale de puissance pour des fréquences comprises entre 0 et 10 kHz, et la FIGURE 3b illustre la densité spectrale de puissance pour des fréquences comprises entre 10 kHz et 16 kHz.
De manière comparable, les FIGURES 4a et 4b illustrent la densité de spectrale d'un compresseur électrique piloté par un signal de commande à modulation de largeur d'impulsion et à fréquence variable, conformément à l'invention. La FIGURE 4a illustre la densité spectrale de puissance pour des fréquences comprises entre 0 et 10 kHz, et la FIGURE 4b illustre la densité spectrale de puissance pour des fréquences comprises entre 10 kHz et 16 kHz.
Le procédé conforme au premier aspect de l'invention permet ainsi de réduire le niveau vibratoire du compresseur électrique piloté par un signal de commande à modulation de largeur d'impulsion et à fréquence variable. Plus particulièrement, la réduction de l'amplitude des vibrations du compresseur électrique est particulièrement importante entre 7 kHz et 13 kHz. Cette atténuation du comportement dynamique vibratoire du compresseur électrique est uniquement dû à l'étalement fréquentiel des signaux de commande : l'énergie spectrale associée aux signaux de commande est distribué sur un plus grand nombre de modes résonants du compresseur électrique, réduisant ainsi les vibrations associées dudit compresseur électrique.
De manière astucieuse, la présente invention permet aussi de réduire le rayonnement électromagnétique d'un tel compresseur et facilite son intégration dans un système électrique plus complexe. Il est en effet possible de réduire voire supprimer certains blindages électromagnétiques, réduisant ainsi la masse embarquée sur le véhicule.
Bien sûr, l'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples sans sortir du cadre de l'invention. Notamment, les différentes caractéristiques, formes, variantes et modes de réalisation de l'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. En particulier toutes les variantes et modes de réalisation décrits précédemment sont combinables entre eux.

Claims

Revendications
1. Procédé de contrôle d'une machine électrique tournante pilotée par au moins un signal de commande du type à modulation de largeur d'impulsion, caractérisé en ce que le signal de commande est modulé en fréquence, la fréquence du signal de commande modulé étant comprise dans une plage de contrôle donnée.
2. Procédé de contrôle selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la plage de contrôle est comprise entre 8 kHz et 12 kHz.
3. Procédé de contrôle selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la fréquence du signal de commande modulé est déterminée à l'aide d'une fonction aléatoire.
4. Procédé de contrôle selon la revendication 3, caractérisé en ce que le signal de commande obtenu par la fonction aléatoire a une densité spectrale de puissance du type d'un bruit blanc dans la plage de contrôle.
5. Procédé de contrôle selon la revendication 3, caractérisé en ce que le signal de commande obtenu par la fonction aléatoire a une densité spectrale de puissance du type d'une gaussienne dans la plage de contrôle.
6. Procédé de contrôle selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la valeur moyenne des fréquences du signal de commande est supérieure ou égale à 10 kHz.
7· Procédé de contrôle d'une machine électrique tournante selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes :
— détermination d'une fréquence de rotation de la machine électrique tournante ;
— enregistrement de la fréquence de rotation dans une mémoire ;
— comparaison de la fréquence de rotation avec une valeur de référence :
O si la fréquence de rotation est supérieure ou égale à la valeur de référence, alors génération d'un signal de commande à modulation de largeur d'impulsion à la fréquence de rotation de la machine électrique tournante ;
O si la fréquence de rotation est inférieure à la valeur de référence, alors génération d'un signal de commande à modulation de largeur d'impulsion à une fréquence de rotation enregistrée dans la mémoire.
8. Unité de contrôle d'une machine électrique tournante, l'unité de contrôle comprenant :
— une mémoire interne pour enregistrer au moins un paramètre de fonctionnement de la machine électrique tournante ; — un générateur de tension pour générer au moins un signal de commutation pour pouvoir configurer alternativement dans un mode bloqué ou passant un module électrique de puissance comprenant au moins un transistor de puissance ; et
— une unité de traitement configurée pour mettre en œuvre le procédé de contrôle selon l'une quelconque des revendications 1 à 7·
9. Système électrique comprenant :
— une machine électrique tournante ;
— au moins une source de tension continue configurée pour générer au moins un signal électrique de polarisation ;
— un module de puissance connecté électriquement à la source de tension continue, le module de puissance étant agencé pour mettre en forme au moins un signal de commande d'une machine électrique tournante ;
— une unité de contrôle selon la revendication précédente, l'unité de contrôle étant connectée électriquement au module de puissance et configurée pour mettre en forme un signal de commutation du module de puissance.
10. Système électrique selon la revendication précédente et dans lequel la machine électrique tournante comprend une pluralité de phases électriques, le système électrique étant caractérisé en ce que le module de puissance est du type d'un convertisseur DC-AC et comprend au moins un transistor de puissance par phase électrique de la machine électrique tournante, le module de puissance étant configuré pour mettre en forme un signal de commande par phase électrique de la machine électrique tournante, l'unité de contrôle étant configurée pour générer un signal de contrôle par phase électrique.
11. Système électrique selon l'une quelconque des revendications 9 ou 10, caractérisé en ce que la machine électrique tournante est du type d'un moteur électrique synchrone ou d'un moteur à reluctance variable.
12. Machine électrique tournante mettant en œuvre un procédé selon l'une des revendications 1 à 7· 13· Machine électrique tournante selon la revendication précédente, la machine électrique tournante étant mise en œuvre au sein d'un compresseur électrique de climatisation pour véhicule automobile.
14· Utilisation d'une machine électrique tournante selon l'une des revendications 12 ou 13 au sein d'un circuit de climatisation de véhicule automobile.
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