FR3155661A1 - Système de commande, machine, aéronef et procédé associés - Google Patents
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Abstract
Un procédé de commande d’une machine électrique (3) est proposé. La machine électrique comporte un rotor (4) et un stator (5), le stator comprenant au moins un premier ensemble de puissance (7) comportant une inductance (7b), un module de commande (13) et un capteur magnétique (14) relié au module de commande (13), le premier ensemble de puissance (7) étant inséré dans le stator (5), le module de commande (13) étant relié à l’inductance (7b) du premier ensemble de puissance pour alimenter en courant électrique ladite inductance (7b).
Le procédé est mis en œuvre dans le module de commande de chaque ensemble de puissance et comprend :
- une détermination d’une position du rotor (4),
- une élaboration d’une consigne d’alimentation de l’inductance (7b) dudit ensemble de puissance, et
- une alimentation en courant électrique de l’inductance (7b) dudit ensemble de puissance à partir de la consigne.
Figure pour l’abrégé : Fig 3
Description
L’invention concerne la commande de machines électriques, et plus particulièrement un procédé de commande d’une machine électrique, la machine électrique comportant un rotor et un stator. La machine électrique est notamment utilisable dans un système d’actionnement électromécanique, par exemple dans un aéronef.
L’invention concerne en outre un système de commande pour machine électrique, une machine électrique comportant un tel système de commande, et un aéronef comportant une telle machine.
Le changement climatique est une préoccupation majeure pour de nombreux organes législatifs et de régulation à travers le monde. En effet, diverses restrictions sur les émissions de carbone ont été, sont ou seront adoptées par divers états. En particulier, une norme ambitieuse s’applique à la fois aux nouveaux types d’avions mais aussi ceux en circulation nécessitant de devoir mettre en œuvre des solutions technologiques afin de les rendre conformes aux réglementations en vigueur. L’aviation civile se mobilise depuis maintenant plusieurs années pour apporter une contribution à la lutte contre le changement climatique.
Les efforts de recherche technologique ont déjà permis d’améliorer de manière très significative les performances environnementales des avions. La Déposante prend en considération les facteurs impactant dans toutes les phases de conception et de développement pour obtenir des composants et des produits aéronautiques moins énergivores, plus respectueux de l’environnement et dont l’intégration et l’utilisation dans l’aviation civile ont des conséquences environnementales modérées dans un but d’amélioration de l'efficacité énergétique des avions.
Par voie de conséquence, la Déposante travaille en permanence à la réduction de son incidence climatique négative par l’emploi de méthodes et l’exploitation de procédés de développement et de fabrication vertueux et minimisant les émissions de gaz à effet de serre au minimum possible pour réduire de l'empreinte environnementale de son activité.
Ces travaux de recherche et de développement soutenus portent à la fois sur les nouvelles générations de moteurs d’avions, l’allègement des appareils, notamment par les matériaux employés et les équipements embarqués allégés, le développement de l’emploi des technologies électriques pour assurer la propulsion, et, indispensables compléments aux progrès technologiques, les biocarburants aéronautiques.
Un aéronef peut comprendre des machines électriques pour soit apporter de la puissance mécanique à des systèmes (machine électrique fonctionnant en mode moteur), soit fournir de la puissance électrique (machine électrique fonctionnant en mode générateur).
Lorsqu’une machine électrique est implémentée dans un système critique dont la défaillance peut compromettre la sécurité en vol de l’aéronef, la machine électrique est conçue pour continuer à fonctionner lors de l’apparition d’au moins une défaillance.
Pour assurer le fonctionnement de la machine électrique malgré la survenance d’une défaillance, il est connu de redonder le stator de la machine de sorte qu’elle comporte un premier stator et un deuxième stator identiques.
Il est en outre connu de redonder les bobines statoriques.
Cependant, la redondance des stators ou des bobines statoriques augmentent la masse et l’encombrement de la machine électrique.
Généralement, la machine électrique est alimentée par un convertisseur de puissance situé à plusieurs mètres de distance de la machine électrique.
La machine électrique est reliée au convertisseur de puissance par un harnais de câbles nécessitant d’être redondé pour garantir la disponibilité en vol de la machine électrique.
En outre, afin de garantir un fonctionnement satisfaisant de la machine électrique reliée par plusieurs mètres de câbles au convertisseur de puissance, des moyens de filtrage sont nécessaires pour filtrer les courants délivrés par le convertisseur de puissance.
Les faisceaux de câbles redondés ayant généralement des sections importantes nécessitent de l’espace et augmentent la masse de l’aéronef. Les moyens de filtrage situés à proximité de la machine électrique nécessitent de prévoir un espace et augmentent la masse de l’aéronef.
Le document WO 2020/025884 divulgue une machine électrique polyphasée alimentée par un onduleur.
La machine électrique polyphasée comporte des modules électroniques de puissance intégrés dans une extension du carter de ladite machine.
Chaque module électronique de puissance pilote une phase de la machine électrique.
Les modules électroniques de puissance intègrent des éléments de commutation et des blocs de filtrage.
L’intégration des modules électroniques de puissance dans le carter permet de réduire la longueur des câbles reliant l’onduleur à la machine électrique. Cela permet de limiter l'effet corona et le vieillissement des roulements et des isolants de la machine électrique.
Cependant, les modules électroniques de puissance nécessitent d’être pilotés par un contrôleur pour alimenter les phases de la machine électrique. Le contrôleur, généralement situé à plusieurs mètres de la machine électrique, est relié par un harnais de câbles de commande. Afin de garantir la disponibilité en vol de la machine électrique, il est nécessaire de redonder le faisceau de câbles de commande nécessitant de l’espace et augmentant la masse de l’aéronef.
Le but de l’invention est de pallier tout ou partie de ces inconvénients, notamment en assurant la disponibilité en vol de la machine électrique tout en réduisant le nombre de câbles reliant la machine électrique aux éléments de commande et de conversion de puissance associés à la machine électrique.
A cet effet, l'invention est le résultat des recherches technologiques visant à améliorer de manière très significative les performances des avions et, en ce sens, contribue à la réduction de l’impact environnemental des avions.
Pour cela, l’invention concerne un procédé de commande d’une machine électrique, la machine électrique comportant un rotor et un stator, le stator comprenant au moins un premier ensemble de puissance comportant une inductance, un module de commande et un capteur magnétique relié au module de commande, le premier ensemble de puissance étant inséré dans le stator, le module de commande du premier ensemble de puissance étant relié à l’inductance du premier ensemble de puissance pour alimenter en courant électrique ladite inductance.
Le procédé est mis en œuvre dans le module de commande de chaque ensemble de puissance et comprend :
- une détermination d’une position du rotor à partir d’un signal de détection délivré par le capteur magnétique relié au module de commande dudit ensemble de puissance,
- une élaboration d’une consigne d’alimentation de l’inductance dudit ensemble de puissance à partir de la position du rotor, et
- une alimentation en courant électrique de l’inductance dudit ensemble de puissance à partir de la consigne d’alimentation de l’inductance dudit ensemble de puissance.
Chaque ensemble de puissance pilote une inductance de la machine de façon autonome, indépendamment d’une information de contrôle issue d’un autre dispositif, notamment indépendamment des autres ensembles de puissance. Ainsi, les ensembles de puissance forment un système de commande de la machine décentralisé et autonome, ce qui permet une meilleure homogénéisation des courants dans la machine.
Comme les courants sont mieux répartis dans la machine, diminuant ainsi les pertes, la valeur effective des courants alimentant les inductances peut être réduite par rapport à une machine connue de l’état de la technique pour obtenir un couple mécanique équivalent lorsque la machine fonctionne en mode moteur.
Si un ensemble de puissance est défaillant, les autres ensembles de puissance fonctionnels permettent de continuer à faire fonctionner la machine, assurant la disponibilité en vol de la machine tout en supprimant la nécessité d’une redondance des bobines statoriques ou l’implémentation d’un deuxième stator tel que connu de l’état de la technique. La masse et l’encombrement de la machine sont réduits par rapport à une machine électrique connue de l’état de la technique présentant un même taux de disponibilité en vol.
Chaque ensemble de puissance permet en outre un pilotage précis de la machine électrique.
De préférence, le procédé comporte en outre la réception par le module de commande de chaque ensemble de puissance d’un ensemble de valeurs de pilotage de la machine électrique, la consigne d’alimentation de l’inductance de chaque ensemble de puissance étant en outre élaborée à partir des valeurs de pilotage, le procédé comportant en outre l’émission vers des moyens de supervision de la position du rotor déterminée par le module de commande de chaque ensemble de puissance.
Avantageusement, le rotor comporte une pluralité de paires de pôles, et le module de commande de chaque ensemble de puissance comporte des moyens d’alimentation reliés à l’inductance dudit module de commande et comprenant des cellules de commutation, dans lequel :
- la détermination de la position du rotor comprend la comparaison du signal de détection délivré par le capteur magnétique dudit ensemble de puissance à un seuil de détection pour déterminer le passage d’un pôle à un autre pôle devant le capteur magnétique dudit ensemble de puissance,
- l’élaboration de la consigne d’alimentation comprend la détermination pour chaque cellule de commutation des moyens d’alimentation du module de commande dudit ensemble de puissance d’une consigne de commutation à partir de la position du rotor déterminée à partir de l’instant de passage d’un pôle à un autre, et
- l’alimentation de l’inductance dudit ensemble de puissance comprend la commutation des cellules de commutation à partir des consignes de commutation.
De préférence, le module de commande de chaque ensemble de puissance comporte des moyens d’alimentation en courant électrique reliés à l’inductance dudit module de commande et comprenant des cellules de commutation, dans lequel :
- la détermination de la position du rotor comprend la comparaison de la forme d’onde du signal de détection délivré par le capteur magnétique dudit ensemble de puissance à des formes d’onde de référence préenregistrées,
- l’élaboration de la consigne d’alimentation comprend la détermination pour chaque cellule de commutation des moyens d’alimentation du module de commande dudit ensemble de puissance d’une consigne de commutation à partir de la position du rotor déterminée à partir de la forme d’onde du signal de détection délivré par le capteur magnétique dudit ensemble de puissance, et
- l’alimentation en courant électrique de l’inductance dudit ensemble de puissance comprend la commutation des cellules de commutation à partir des consignes de commutation.
Avantageusement, le procédé comporte en outre la détection d’une défaillance de chaque ensemble de puissance à partir de la comparaison de la forme d’onde du signal de détection délivré par le capteur magnétique dudit ensemble de puissance à des formes d’onde de référence de défaillance.
De préférence, si un ensemble de puissance est défaillant, le procédé comprend l’émission d’un signal de défaillance par le module de commande de l’ensemble de puissance défaillant à des moyens de supervision reliés au module de commande de chaque ensemble de puissance.
Avantageusement, la machine comporte N phases, N étant un nombre entier égal ou supérieur à trois, le stator comporte un deuxième ensemble de puissance et un troisième ensemble de puissance, chaque ensemble de puissance formant une phase de la machine électrique, un tour du rotor étant divisé en 2N pas, la consigne de commutation de chaque cellule de commutation des moyens d’alimentation du module de commande dudit ensemble de puissance comporte une séquence de commande comprenant quatre étapes, le procédé comporte l’élaboration de la séquence de commande de chaque cellule de commutation dudit ensemble de puissance de sorte que :
- durant une première étape de la séquence, un courant d’alimentation délivré par les moyens d’alimentation circule d’une première extrémité de l’inductance vers la deuxième extrémité de l’inductance durant N-1 pas,
- durant une deuxième étape de la séquence consécutive à la première étape, aucun courant d’alimentation n’est délivré par les moyens d’alimentation durant un pas,
- durant une troisième étape de la séquence consécutive à la deuxième étape, le courant d’alimentation circule de la deuxième extrémité de l’inductance vers la première extrémité de l’inductance, et
- durant une quatrième étape de la séquence consécutive à la troisième étape, aucun courant d’alimentation n’est délivré par les moyens d’alimentation durant un pas,
l’étape de la séquence mise en œuvre étant déterminée à partir de la position du rotor.
Il est également proposé un système de commande pour machine électrique, la machine électrique comportant un rotor et un stator, le système de commande comprenant au moins un premier ensemble de puissance comportant une inductance, un module de commande et un capteur magnétique relié au module de commande configurés pour être insérés dans le stator, le module de commande du premier ensemble de puissance étant relié à l’inductance du premier ensemble de puissance, et le capteur magnétique du premier ensemble de puissance étant relié au module de commande du premier ensemble de puissance.
Le module de commande de chaque ensemble de puissance comporte :
- des moyens de détermination configurés pour déterminer la position du rotor à partir d’un signal de détection délivré par le capteur magnétique,
- des moyens de commande configurés pour élaborer une consigne d’alimentation de l’inductance dudit ensemble de puissance à partir de la position du rotor, et
- des moyens d’alimentation en courant électrique configurés pour alimenter en courant électrique l’inductance dudit ensemble de puissance,
les moyens de commande étant en outre configurés pour commander les moyens d’alimentation à partir de la consigne d’alimentation de l’inductance dudit ensemble de puissance,
le système étant configuré pour mettre en œuvre un procédé de commande tel que défini précédemment.
De préférence, les moyens d’alimentation de chaque ensemble de puissance comprennent un pont en H comprenant deux branches identiques comportant chacune deux cellules de commutation reliées en série et s’étendant entre deux bornes d’alimentation, un point milieu entre deux cellules de chaque branche étant relié à une extrémité de l’inductance dudit ensemble de puissance.
Il est également proposé une machine électrique, la machine électrique comportant un rotor, un stator et un système de commande tel que défini précédemment, l’inductance, le module de commande et le capteur magnétique du premier ensemble de puissance étant insérés dans le stator.
Il est également proposé un aéronef comprenant une machine électrique telle que définie précédemment.
D’autres buts, caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée uniquement à titre d’exemple non limitatif et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels :
- la figureFIG. 1 illustre schématiquement un exemple d’un aéronef selon l’invention,
- la figureFIG. 2 illustre schématiquement un exemple de réalisation d’une machine électrique selon l’invention,
- la figureFIG. 3 illustre schématiquement un exemple de réalisation d’un stator selon l’invention,
- la figureFIG. 4 illustre schématiquement un exemple de réalisation d’un ensemble de puissance selon l’invention,
- la figureFIG. 5 illustre schématiquement un exemple de réalisation d’un module de commande de l’ensemble de puissance selon l’invention,
- la figureFIG. 6 illustre schématiquement un exemple de réalisation de moyens d’alimentation selon l’invention,
- la figureFIG. 7 illustre schématiquement un exemple de réalisation d’un système de commande selon l’invention,
- la figureFIG. 8 illustre schématiquement un premier exemple d’un procédé de commande selon l’invention, et
- la figureFIG. 9 illustre schématiquement un deuxième exemple d’un procédé de commande selon l’invention.
On se réfère à laFIG. 1 qui illustre schématiquement un exemple d’un aéronef 1 comprenant un bus 2 d’alimentation en courant continu et au moins une machine électrique 3 reliée au bus 2.
L’aéronef 1 tel que représenté est un avion.
En variante, l’aéronef est un hélicoptère.
La machine électrique 3 est typiquement intégrée à un système d’actionnement électromécanique pour déplacer un élément de l’aéronef (surface aérodynamique, frein, pompe, système d’inversion de poussée, porte, etc.).
LaFIG. 2 illustre schématiquement un exemple de réalisation de la machine électrique 3.
La machine électrique 3 comprend un rotor 4 comportant par exemple des aimants permanents formant une pluralité de paires de pôles. La machine 3 comprend en outre un stator 5 et un système de commande 6.
Le rotor 4 est inséré dans un logement central circulaire du stator 5 et séparé du stator 5 par un entrefer.
Le système de commande 6 est par exemple inséré dans une culasse 5a du stator 5.
LaFIG. 3 illustre schématiquement un exemple de réalisation du stator 5 de la machine électrique 3.
La culasse 5a du stator 5 comprend une pluralité de dents 5b réparties uniformément sur la circonférence du stator 5, ici à l’intérieur du stator 5, et s’étendant selon une direction radiale du stator 5.
Dans la suite, la culasse 5a comprend six dents.
Bien entendu, la culasse 5a peut comprendre plus de six dents ou moins de six dents.
Le système de commande 6 comprend une pluralité d’ensembles de puissance 7, 8, 9, 10, 11, 12 identiques, chaque ensemble de puissance 7, 8, 9, 10, 11, 12 étant par exemple inséré autour d’une dent 5b.
Ainsi, les ensembles de puissance 7, 8, 9, 10, 11, 12, formant l’électronique de puissance de la machine, sont intégrés au plus près de la machine électrique 3.
En l’espèce, comme la culasse 5a comprend six dents, le système de commande 6 comprend un premier ensemble de puissance 7, un deuxième ensemble de puissance 8, un troisième ensemble de puissance 9, un quatrième ensemble de puissance 10, un cinquième ensemble de puissance 11 et un sixième ensemble de puissance 12.
Chaque ensemble de puissance 7, 8, 9, 10, 11, 12 comprend un support 7a, 8a, 9a, 10a, 11a, 12a inséré autour d’une dent 5b parmi la pluralité de dents du stator 5 et une inductance 7b, 8b, 9b, 10b, 11b, 12b comprenant une bobine enroulée autour du support 7a, 8a, 9a, 10a, 11a, 12a. Ainsi, les modules électroniques de puissance sont répartis régulièrement sur la circonférence du stator 5.
Chaque ensemble de puissance 7, 8, 9, 10, 11, 12 comprend en outre un module de commande et un capteur magnétique relié au module de commande (non représentés sur laFIG. 3 ).
Le capteur magnétique comprend par exemple un capteur à effet Hall et/ou un capteur TMR (capteur magnéto-résistif à effet tunnel).
Chaque ensemble de puissance peut comprendre plus d’un capteur magnétique.
La machine 3 comporte N phases, N étant un entier supérieur ou égal à trois.
Chaque ensemble de puissance 7, 8, 9, 10, 11, 12 forme une phase de la machine électrique 3.
En l’espèce, la machine comporte six phases et comporte ainsi six ensembles de puissance, donc six modules de commande.
Comme les ensembles de puissance 7, 8, 9, 10, 11, 12 sont identiques, seul le premier ensemble de puissance 7 est détaillé par la suite.
LaFIG. 4 illustre schématiquement un exemple de réalisation du premier ensemble de puissance 7 associé à l’une des phases du moteur, et illustre notamment le support 7a et l’inductance 7b du premier ensemble de puissance 7.
Le premier ensemble de puissance 7 comprend en outre le module de commande 13 disposé sur le support 7a, et le capteur magnétique 14 disposé dans le stator 5 de manière à détecter un passage d’un pôle à un autre pôle du rotor 4. Le capteur est relié à une entrée 13a du module de commande 13. Ainsi, chaque ensemble de puissance est capable d’obtenir des informations de position du rotor de manière autonome et indépendante des autres ensembles de puissance.
Le stator 5 comprend en outre un ensemble 15 de bus barres 16, 17 reliés de préférence au bus 2 d’alimentation en courant continu. Dans le cas d’espèce, le stator comprend deux bus barres.
Le module de commande 13 comprend des bornes d’alimentation 13b, 13c reliées à des bornes de connexion 16a, 17a des bus barres 16, 17, de sorte que le bus 2 alimente le module de commande 13 en courant continu.
Les bus barres 16, 17 sont par exemple circulaires et chaque bus barre alimente au moins un ensemble de puissance du système de commande 6 ou alimente certains ou tous les ensembles parmi la pluralité d’ensembles de puissance du système de commande 6.
Lorsque chaque bus barre d’une pluralité de bus barres alimente une fraction d’ensembles de puissance de la pluralité d’ensembles de puissance, en cas de défaillance d’un bus barre de la pluralité de bus barres, les ensembles de puissance reliés aux autres bus barres de la pluralité de bus barres demeurent fonctionnels, permettant ainsi une ségrégation des alimentations en cas de défaillance d’un bus barre.
LaFIG. 5 illustre schématiquement un exemple de réalisation du module de commande 13 du premier ensemble de puissance 7.
Le module de commande 13 comprend des moyens de détermination 18 reliés à l’entrée 13a du module de commande 13 et aptes à déterminer de manière autonome la position du rotor 4 à partir d’un signal de détection délivré par le capteur magnétique 14.
Le module de commande 13 comprend en outre des moyens d’alimentation 19 en courant électrique aptes à alimenter en courant électrique l’inductance 7b à partir d’une consigne d’alimentation. Les moyens d’alimentation 19 sont reliés aux bornes d’alimentation 13b, 13c et sont reliés en outre à des sorties 13d, 13e du module de commande 13.
Chaque sortie 13d, 13e est reliée à une extrémité de l’inductance 7b.
Le module de commande 13 comprend en outre des moyens de commande 20 aptes à élaborer une consigne d’alimentation de l’inductance 7b à partir de la position du rotor 4 délivrée par les moyens de détermination 18, et aptes à commander les moyens d’alimentation 19 à partir de la consigne d’alimentation pour alimenter l’inductance 7b.
LaFIG. 6 illustre schématiquement un exemple de réalisation des moyens d’alimentation 19.
Les moyens d’alimentation 19 comprennent de préférence un pont en H comprenant deux branches identiques 21, 22.
Chaque branche 21, 22 comprend deux cellules 23, 24 de commutation reliées en série et s’étendant entre les deux bornes d’alimentation 13b, 13c.
Une première cellule 23 de chaque branche 21, 22 comprend une première connexion 23a reliée à une première borne d’alimentation 13b, une deuxième connexion 23b à l’opposé, et une entrée de commande 23c reliée aux moyens de commande 20.
La deuxième cellule 24 de chaque branche 21, 22 comprend une première connexion 24a reliée à la deuxième connexion 23b de la première cellule 23 de ladite branche, une deuxième connexion 24b reliée à la deuxième borne d’alimentation 13c, et une entrée de commande 24c reliée aux moyens de commande 20 pour recevoir la consigne d’alimentation comportant des commandes de commutation des cellules 23, 24.
Un point milieu 25 entre la deuxième connexion 23b de la première cellule 23 de la première branche 21 et la première connexion 24a de la deuxième cellule 24 de la première branche 21 est reliée à une première sortie 13d du module de commande 13.
Un point milieu 26 entre la deuxième connexion 23b de la première cellule 23 de la deuxième branche 22 et la première connexion 24a de la deuxième cellule 24 de la deuxième branche 22 est reliée à la deuxième sortie 13e du module de commande 13. On rappelle que chaque sortie 13d, 13e est reliée à une extrémité de l’inductance 7b.
Chaque cellule 23, 24 de commutation comprend par exemple un transistor 27 et une diode 28.
Le transistor 27 est par exemple un transistor à effet de champ du type à grille isolée MOSFET (« metal-oxide-semiconductor field-effect transistor » an anglais), du type bipolaire à grille isolée IGBT (« insulated-gate bipolar transistor » en anglais), de type nitrure de gallium GaN ou de type carbure de silicium SiC.
La source du transistor 27 et la cathode de la diode 28 sont reliées à la première connexion 23a, 24a de la cellule 23, 24, le drain du transistor 27 et l’anode de la diode 28 sont reliés à la deuxième connexion 23b, 24b de la cellule 23, 24 et la grille du transistor 27 est reliée à l’entrée de commande 23c, 24c de la cellule 23, 24.
Les moyens d’alimentation 19 permettent de piloter la rotation du rotor 4 dans le sens horaire ou anti-horaire selon la commutation des cellules 23, 24.
De préférence, chaque module de commande 13 associé à un ensemble de puissance donné commande la commutation des cellules 23, 24 des moyens d’alimentation 19 dudit ensemble de puissance de manière indépendante des commandes de commutation au sein des autres ensembles de puissance.
Ainsi, chaque inductance de la machine commute sans lien avec les autres inductances.
LaFIG. 7 illustre schématiquement un mode de réalisation du système de commande 6.
Le système de commande 6 comprend ici en outre des moyens de supervision 30 reliés aux moyens de commande 13 des ensembles de puissance 7, 8, 9, 10, 11, 12.
Les moyens de supervision 30 comprennent par exemple un contrôleur.
A présent, des exemples d’un procédé de commande de la machine électrique 3 mettant en œuvre le système de commande 6 sont présentés.
Un tour de rotation du rotor 4 est divisé en 2N parties de tour (ou « pas » dans la suite), N étant le nombre de phases de la machine 3.
Une commande de commutation est délivrée sur l’entrée de commande 23c, 24c de chaque cellule 23, 24 des moyens d’alimentation 19 de chaque ensemble de puissance 7, 8, 9, 10, 11, 12.
La commande de commutation de chaque cellule de commutation des moyens d’alimentation de chaque ensemble de puissance comporte une séquence de commande comprenant ici quatre étapes.
Durant une première étape, un courant d’alimentation délivré par les moyens d’alimentation circule d’une première extrémité de l’inductance vers la deuxième extrémité de l’inductance durant N-1 pas.
Durant une deuxième étape consécutive à la première étape, aucun courant d’alimentation n’est délivré par les moyens d’alimentation durant un pas.
Durant une troisième étape consécutive à la deuxième étape, le courant d’alimentation circule de la deuxième extrémité de l’inductance vers la première extrémité de l’inductance, et durant une quatrième étape consécutive à la troisième étape, aucun courant d’alimentation n’est délivré par les moyens d’alimentation durant un pas.
Les moyens de commande de chaque ensemble de puissance sont aptes à identifier l’étape de la séquence de commande de la commande de commutation à mettre en œuvre pour déterminer les commandes de commutation des cellules 23, 24 selon la position du rotor déterminée par les moyens de détermination 18 aussi longtemps que la machine 3 est commandée en mode moteur pour fournir un couple.
LaFIG. 8 illustre schématiquement un premier exemple du procédé de commande.
Durant une étape 40, les moyens de détermination 18 du module de commande 13 de chaque ensemble de puissance 7, 8, 9, 10, 11, 12 déterminent la position du rotor 4 à partir d’un signal de détection délivré par le capteur magnétique 14 relié au module de commande dudit ensemble de puissance 7, 8, 9, 10, 11, 12. On rappelle que chaque ensemble de puissance est autonome dans sa capacité à obtenir des informations de position du rotor 4.
Le signal de détection est comparé à un seuil de détection pour déterminer le passage d’un pôle à un autre pôle devant le capteur magnétique 14 dudit ensemble de puissance.
Les moyens de détermination 18 comprennent par exemple un contrôleur.
Durant une étape 41, les moyens de commande 20 élaborent une consigne d’alimentation de l’inductance 7b, 8b, 9b, 10b, 11b, 12b dudit ensemble de puissance à partir de la position du rotor déterminée en interne dans chaque ensemble de puissance par les moyens de détermination 18.
Les moyens de commande 20 déterminent la commande de commutation pour chaque cellule de commutation 23, 24 des moyens d’alimentation 19 du module de commande 13 dudit ensemble de puissance 7, 8, 9, 10, 11, 12, à partir de la position du rotor déterminée à partir de l’instant de passage d’un pôle à un autre.
La position du rotor déterminée par chaque ensemble de puissance 7, 8, 9, 10, 11, 12 permet aux moyens de commande de chaque ensemble de puissance 7, 8, 9, 10, 11, 12 d’identifier l’étape de la séquence de commande à mettre en œuvre pour déterminer les commandes de commutation des cellules 23, 24 et d’enchaîner les étapes de la séquence de commande selon l’ordre décrit ci-dessus, de sorte que les ensembles de puissance 7, 8, 9, 10, 11, 12 fonctionnent de concert pour entraîner le rotor 3.
La séquence de commutation est par exemple stockée dans une table de commutation reliant la commande de commutation de chaque cellule de commutation 23, 24 à chaque étape de la séquence de sorte que :
- lors de la première étape de la séquence, les cellules de commutation 23, 24 de l’ensemble de puissance sont commutées pour que le courant d’alimentation circule de la première extrémité de l’inductance vers la deuxième extrémité de l’inductance durant N-1 pas durant la première étape,
- aucun courant d’alimentation n’est délivré par les moyens d’alimentation durant un pas durant la deuxième étape succédant à la première étape,
- le courant d’alimentation circule de la deuxième extrémité de l’inductance vers la première extrémité de l’inductance durant N-1 pas durant la troisième étape succédant à la deuxième étape,
- et aucun courant d’alimentation n’est délivré par les moyens d’alimentation durant un pas durant la quatrième étape succédant à la troisième étape.
La table de commutation est stockée dans une mémoire du module de commande 13 de chaque ensemble de puissance.
Durant une étape 42, les moyens de commande 20 pilotent les cellules de commutation des moyens d’alimentation 19 de chaque ensemble de puissance selon l’étape de la séquence identifiée à l’étape 41 et l’enchaînement des étapes de la séquence de commande selon l’ordre décrit ci-dessus à partir de l’étape de la séquence identifiée à l’étape 41 pour alimenter l’inductance dudit ensemble de puissance.
Si les modules de commande 13 des ensembles de puissance 7, 8, 9, 10, 11, 12 sont reliés aux moyens de supervision 30, les moyens de supervision 30 peuvent délivrer un ensemble de valeurs de pilotage de la machine électrique 30. L’ensemble de valeurs de pilotage est réceptionné par les modules de commande 13 des ensembles de puissance 7, 8, 9, 10, 11, 12 pour élaborer la consigne d’alimentation de l’inductance de chaque ensemble de puissance, par exemple en faisant varier l’amplitude de la tension délivrée par les moyens d’alimentation.
L’ensemble de valeurs de pilotage comprend par exemple une valeur de couple générée par la machine 3 et une valeur de vitesse de rotation du rotor 4.
LaFIG. 9 illustre schématiquement un deuxième exemple du procédé de commande.
Durant une étape 50, les moyens de détermination 18 du module de commande 13 de chaque ensemble de puissance 7, 8, 9, 10, 11, 12 déterminent la position du rotor 4 à partir d’un signal de détection délivré par le capteur magnétique 14 relié au module de commande dudit ensemble de puissance 7, 8, 9, 10, 11, 12.
Les moyens de détermination 18 comparent la forme d’onde du signal de détection délivré par le capteur magnétique dudit ensemble de puissance à des formes d’onde de référence.
Les moyens de détermination 18 comprennent par exemple une unité de traitement mettant en œuvre un algorithme d’apprentissage automatique.
L’algorithme d’apprentissage automatique comprend par exemple un réseau de neurones préalablement entraîné pour déterminer une position du rotor à partir de la forme d’onde du signal de détection.
Durant une étape 51, les moyens de commande 20 élaborent une consigne d’alimentation de l’inductance 7b, 8b, 9b, 10b, 11b, 12b dudit ensemble de puissance à partir de la position du rotor.
Les moyens de commande 20 déterminent pour chaque cellule de commutation 23, 24 des moyens d’alimentation 19 du module de commande 13 dudit ensemble de puissance 7, 8, 9, 10, 11, 12 la consigne de commutation à partir de la position du rotor déterminée à partir de l’instant de passage d’un pôle à un autre.
La position du rotor déterminée par chaque ensemble de puissance 7, 8, 9, 10, 11, 12 permet aux moyens de commande de chaque ensemble de puissance 7, 8, 9, 10, 11, 12 d’identifier l’étape de la séquence de commande à mettre en œuvre pour déterminer les commandes de commutation des cellules 23, 24 et d’enchaîner les étapes de la séquence de commande selon l’ordre décrit ci-dessus de sorte que les ensembles de puissance 7, 8, 9, 10, 11, 12 fonctionnent de concert pour contrôler la rotation du rotor 3.
En variante, les moyens de commande 20 de chaque ensemble de puissance comprennent une unité de traitement mettant en œuvre un algorithme d’apprentissage automatique, par exemple un réseau de neurones entraîné pour mettre en œuvre la séquence de commutation des cellules de commutation dudit ensemble.
Durant une étape 52, les moyens de commande 20 pilotent les cellules de commutation des moyens d’alimentation 19 de chaque ensemble de puissance selon la consigne d’alimentation déterminée à l’étape 51 pour alimenter l’inductance dudit ensemble de puissance.
En outre, les moyens de détermination 18 de chaque ensemble de puissance peuvent être entrainés pour détecter une défaillance dudit ensemble de puissance à partir de la comparaison de la forme d’onde du signal de détection délivré par le capteur magnétique dudit ensemble de puissance à des formes d’onde de référence de défaillance.
Chaque forme d’onde de référence de défaillance est représentative d’une défaillance de la machine 3.
L’algorithme d’apprentissage automatique des moyens de détermination 18 est entraîné durant une phase de calibration.
Durant la phase de calibration, l’algorithme d’apprentissage automatique détecte des formes d’ondes consécutives à différentes consignes de couples, de vitesses, en température pour des comportements attendus de la machine, de comportements de la machine résultant d’erreurs de pilotage de la machine, de comportements de la machine résultant de pannes de la machine, et de comportements de la machine résultant du vieillissement de la machine.
En outre, lors de la phase de calibration, des coefficients de pilotage sont déterminés pour mettre en œuvre des lois de commande de la machine stockées dans les moyens de supervision 30.
Les coefficients de pilotage sont mis en œuvre par les moyens de commande 20.
Les moyens de supervision 30 comparent en outre en temps réel les lois de commande aux signaux de détection délivrés par les capteurs magnétiques.
Si les modules de commande 13 des ensembles de puissance 7, 8, 9, 10, 11, 12 sont reliés aux moyens de supervision 30, les moyens de supervision 30 peuvent émettre un ensemble de valeurs de pilotage de la machine électrique 30. L’ensemble de valeurs de pilotage est réceptionné par les modules de commande 13 des ensembles de puissance 7, 8, 9, 10, 11, 12 pour élaborer la consigne d’alimentation de l’inductance de chaque ensemble de puissance, par exemple en faisant varier l’amplitude de la tension délivrée par les moyens d’alimentation.
L’ensemble de valeurs de pilotage comprend par exemple une valeur de couple générée par la machine 3 et une valeur de vitesse de rotation du rotor 4.
De plus, si un ensemble de puissance est défaillant, le module de commande 13 de l’ensemble de puissance défaillant émet un signal de défaillance. A la réception du signal de défaillance, les moyens de supervision 30 déterminent un ensemble de valeurs de pilotage pour désactiver l’ensemble de puissance défaillant et déterminent un ensemble de valeurs de pilotage pour chaque ensemble de puissance fonctionnel de sorte que la machine 3 délivre par exemple la valeur de couple demandée à la valeur de vitesse de rotation demandée.
Les moyens de supervision 30 peuvent par exemple mettre en œuvre un réseau de neurones entraîné pour piloter la machine comportant l’ensemble de puissance défaillant.
Les ensembles de puissance fonctionnels compensent le flux magnétique qui n’est plus délivré par l’ensemble de puissance défaillant.
Le système de commande 6 de la machine 3 est intégré dans le stator 5 de la machine 3 de sorte que les longueurs de câbles de commande sont réduites.
En outre, chaque ensemble de puissance du système de commande 6 pilote une phase de la machine 3 de façon autonome, indépendamment d’une information de contrôle issue d’un autre dispositif de l’aéronef, notamment indépendamment des autres ensembles de puissance, de sorte que le système de commande 6 est décentralisé et autonome.
En outre, si un ensemble de puissance est défaillant, les autres ensembles de puissance fonctionnels permettent de continuer à faire fonctionner la machine 3 assurant la disponibilité en vol de la machine 3 tout en supprimant la nécessité de redondance des bobines statoriques ou l’implémentation d’un deuxième stator tel que connu de l’état de la technique. La masse et l’encombrement de la machine 3 sont réduits par rapport à une machine électrique connue de l’état de la technique présentant un même taux de disponibilité en vol.
Le système de commande 6 de la machine 3 permet en outre un pilotage précis de la machine 3.
Claims (10)
- Procédé de commande d’une machine électrique (3), la machine électrique comportant un rotor (4) et un stator (5), le stator comprenant au moins un premier ensemble de puissance (7) comportant une inductance (7b), un module de commande (13) et un capteur magnétique (14) relié au module de commande (13), le premier ensemble de puissance (7) étant inséré dans le stator (5), le module de commande (13) du premier ensemble de puissance étant relié à l’inductance (7b) du premier ensemble de puissance pour alimenter en courant électrique ladite inductance (7b),
caractérisé en ce que le procédé est mis en œuvre dans le module de commande de chaque ensemble de puissance et comprend :
- une détermination d’une position du rotor (4) à partir d’un signal de détection délivré par le capteur magnétique (14) relié au module de commande (13) dudit ensemble de puissance,
- une élaboration d’une consigne d’alimentation de l’inductance (7b) dudit ensemble de puissance, à partir de la position du rotor (4), et
- une alimentation en courant électrique de l’inductance (7b) dudit ensemble de puissance à partir de la consigne d’alimentation de l’inductance dudit ensemble de puissance. - Procédé selon la revendication 1, comportant en outre la réception par le module de commande (13) de chaque ensemble de puissance d’un ensemble de valeurs de pilotage de la machine électrique (3), la consigne d’alimentation de l’inductance (7b) de chaque ensemble de puissance étant en outre élaborée à partir des valeurs de pilotage, le procédé comportant en outre l’émission vers des moyens de supervision (30) de la position du rotor déterminée par le module de commande de chaque ensemble de puissance.
- Procédé selon la revendication 1 ou 2, le rotor (4) comportant une pluralité de paires de pôles, et le module de commande (13) de chaque ensemble de puissance comportant des moyens d’alimentation (19) reliés à l’inductance dudit module de commande (13) et comprenant des cellules de commutation (23, 24), dans lequel :
- la détermination de la position du rotor (4) comprend la comparaison du signal de détection délivré par le capteur magnétique (14) dudit ensemble de puissance à un seuil de détection pour déterminer le passage d’un pôle à un autre pôle devant le capteur magnétique (14) dudit ensemble de puissance,
- l’élaboration de la consigne d’alimentation comprend la détermination, pour chaque cellule de commutation (23, 24) des moyens d’alimentation (19) du module de commande (13) dudit ensemble de puissance, d’une consigne de commutation à partir de la position du rotor (4) déterminée à partir de l’instant de passage d’un pôle à un autre, et
- l’alimentation de l’inductance (7b) dudit ensemble de puissance comprend la commutation des cellules de commutation à partir des consignes de commutation. - Procédé selon la revendication 1 ou 2, le module de commande (13) de chaque ensemble de puissance comportant des moyens d’alimentation (19) en courant électrique reliés à l’inductance (7b) dudit module de commande (13) et comprenant des cellules de commutation (23, 24), dans lequel :
- la détermination de la position du rotor (4) comprend la comparaison de la forme d’onde du signal de détection délivré par le capteur magnétique (14) dudit ensemble de puissance à des formes d’onde de référence préenregistrées,
- l’élaboration de la consigne d’alimentation comprend la détermination, pour chaque cellule de commutation (23, 24) des moyens d’alimentation (19) du module de commande (13) dudit ensemble de puissance, d’une consigne de commutation à partir de la position du rotor (4) déterminée à partir de la forme d’onde du signal de détection délivré par le capteur magnétique dudit ensemble de puissance, et
- l’alimentation en courant électrique de l’inductance (7b) dudit ensemble de puissance comprend la commutation des cellules de commutation (23, 24) à partir des consignes de commutation. - Procédé selon la revendication 4, comportant en outre la détection d’une défaillance de chaque ensemble de puissance à partir de la comparaison de la forme d’onde du signal de détection délivré par le capteur magnétique (14) dudit ensemble de puissance à des formes d’onde de référence de défaillance.
- Procédé selon l’une des revendications 3 à 5, la machine comportant N phases, N étant un nombre entier égal ou supérieur à trois, le stator (5) comportant un deuxième ensemble de puissance (8) et un troisième ensemble de puissance (9), chaque ensemble de puissance formant une phase de la machine électrique (3), un tour du rotor étant divisé en 2N pas, la consigne de commutation de chaque cellule de commutation (23, 24) des moyens d’alimentation (19) du module de commande (13) dudit ensemble de puissance comportant une séquence de commande comprenant quatre étapes, le procédé comportant l’élaboration de la séquence de commande de chaque cellule de commutation (23, 24) dudit ensemble de puissance de sorte que :
- durant une première étape de la séquence, un courant d’alimentation délivré par les moyens d’alimentation (19) circule d’une première extrémité de l’inductance vers la deuxième extrémité de l’inductance durant N-1 pas,
- durant une deuxième étape de la séquence consécutive à la première étape, le courant d’alimentation n’est délivré par les moyens d’alimentation (19) durant un pas,
- durant une troisième étape de la séquence consécutive à la deuxième étape, le courant d’alimentation circule de la deuxième extrémité de l’inductance (7b) vers la première extrémité de l’inductance, et
- durant une quatrième étape de la séquence consécutive à la troisième étape, le courant d’alimentation n’est délivré par les moyens d’alimentation durant un pas,
l’étape de la séquence mise en œuvre étant déterminée à partir de la position du rotor. - Système de commande (6) pour machine électrique (3), la machine électrique comportant un rotor (4) et un stator (5), le système de commande (6) comprenant au moins un premier ensemble de puissance (7) comportant une inductance (7b), un module de commande (13) et un capteur magnétique (14) relié au module de commande (13) configurés pour être insérés dans le stator (5), le module de commande (13) du premier ensemble de puissance étant relié à l’inductance (7b) du premier ensemble de puissance, et le capteur magnétique (14) du premier ensemble de puissance étant relié au module de commande (13) du premier ensemble de puissance, caractérisé en ce que le module de commande (13) de chaque ensemble de puissance comporte :
- des moyens de détermination (18) configurés pour déterminer la position du rotor (4) à partir d’un signal de détection délivré par le capteur magnétique (14),
- des moyens de commande (20) configurés pour élaborer une consigne d’alimentation de l’inductance (7b) dudit ensemble de puissance (7) à partir de la position du rotor, et
- des moyens d’alimentation (19) en courant électrique configurés pour alimenter en courant électrique l’inductance dudit ensemble de puissance,
les moyens de commande (20) étant en outre configurés pour commander les moyens d’alimentation (19) à partir de la consigne d’alimentation de l’inductance (7b) dudit ensemble de puissance (7),
le système étant configuré pour mettre en œuvre un procédé de commande selon l’une quelconque des revendications 1 à 6. - Système de commande selon la revendication 7, dans lequel les moyens d’alimentation (19) de chaque ensemble de puissance (7, 8, 9, 10, 11, 12) comprennent un pont en H comprenant deux branches identiques (21, 22) comportant chacune :
- deux cellules de commutation (23, 24) reliées en série et s’étendant entre deux bornes d’alimentation (13b, 13c),
- et un point milieu (25, 26) entre deux cellules de chaque branche étant relié à une extrémité de l’inductance (7b) dudit ensemble de puissance. - Machine électrique (3), la machine électrique comportant un rotor (4), un stator (5) et un système de commande (6) selon l’une des revendications 7 ou 8, l’inductance (7b), le module de commande (13) et le capteur magnétique (14) du premier ensemble de puissance (7) étant insérés dans le stator (5).
- Aéronef (1) comprenant une machine électrique (3) selon la revendication 9.
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