DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION.

La présente invention concerne un procédé et un dispositif de diagnostic de défauts de capteurs de courants de phases d'un système de pilotage d'une machine électrique tournante synchrone de véhicule automobile,

L'invention concerne également une machine électrique tournante synchrone comprenant un tel dispositif, notamment une machine telle qu'un moteur électrique synchrone à aimants permanents pour des applications dans des véhicules automobiles électriques et hybrides, des directions assistées électriques, des compresseurs de climatisation et des ventilateurs.

ARRIERE PLAN TECHNOLOGIQUE DE L'INVENTION.

Le nombre d'équipements électroniques et de fonctions électriques dans des systèmes embarqués dans des véhicules est en augmentation constante. Cela est dû à leur grande souplesse d'utilisation, leur compacité et leur faible contrainte de maintenance.

Cependant leur disponibilité et leur fiabilité représentent un enjeu, car ils peuvent être sujets à des pannes.

De ce fait, des mécanismes sont prévus très en amont, dès la phase de leur conception, de manière à faciliter la détection des défauts, le diagnostic et la reconfiguration appropriée des commandes.

De nombreux travaux ont été effectués dans le domaine de la détection des défauts des systèmes de pilotage électriques et de leurs caractérisations.

Les cas des capteurs de courants, du capteur de position angulaire, et du capteur de tension continue d'une commande d'un moteur synchrone à aimants permanents sont connus de l'état de la technique, et de bons résultats expérimentaux ont été obtenus, mais peu de détails sont donnés sur la question de l'isolation du défaut dans le cas des capteurs de courant. Pour rhomme de métier, le procédé le plus utilisé pour la détection et la caractérisation du défaut (FDI en terminologie anglaise, acronyme de "Fault Détection and Isolation") est basé sur l'observation du comportement du système réel par rapport à un modèle théorique.

Les différences qui apparaissent permettent de décider si le système comporte un défaut ou non.

Toutefois ce procédé présente de nombreux inconvénients.

Il nécessite notamment de construire un modèle prenant en compte toutes les variables d'état du système, et il est difficile de modéliser les perturbations, dues au couple résistant ou à la variation de vitesse par exemple, qui ne sont pas des défauts.

Pour pallier ces inconvénients, il a été proposé dans l'article "Current Sensor Fault Diagnosis in Stationary Frame for PMSM Drive in Automotive Systems", S. Diao et al ., 2014 Ninth International Conférence on Ecological Véhicules and Renewable Energies (EVER), IEEE, une alternative basée sur une estimation à partir d'un système d'équations différentielles d'une dynamique d'une différence entre les courants de phases mesurés et des courants de phases nominaux.

Toutefois, les estimateurs utilisés font intervenir des paramètres électriques qui ne sont pas indépendants de la machine et sont calculés dans un repère stationnaire qui ne permet pas d'opérer toutes les simplifications possibles dans le cas d'un système de pilotage.

DESCRIPTION GENERALE DE L'INVENTION.

Le but de la présente invention est donc de prendre en compte les propriétés d'un système de pilotage pour simplifier les calculs de ces différences.

Selon un premier aspect, l'invention concerne un procédé de diagnostic de défauts de capteurs de courants de phases d'un système de pilotage d'une machine électrique tournante synchrone de véhicule automobile.

Conformément à l'invention, le procédé prend en compte des différences T _d , ï _q entre des mesures fournies par les capteurs et des valeurs nominales des courants de phases afin de diagnostiquer des défauts si les différences sont sensiblement non nulles, ces différences étant calculées dans un repère de Park en rotation et étant indépendantes d'un modèle électromécanique de la machine, un capteur défaillant parmi les capteurs étant identifié en comparant à un angle électrique mesuré Θ du système de pilotage un angle électrique résiduel 0 _res défini par la relation:

0, _es = arctan(- T _q / T _d )

où T _d et T _q sont lesdites différences.

Selon une caractéristique particulière du procédé selon l'invention, l'on détecte un défaut d'offset d'au moins un des capteurs si une pulsation résiduelle des différences est sensiblement égale à une vitesse mesurée du système de pilotage.

Selon une autre caractéristique particulière, l'on détecte un défaut de gain d'au moins un des capteurs si une pulsation résiduelle des différences est sensiblement égale au double d'une vitesse mesurée du système de pilotage.

Selon un autre aspect, l'invention concerne aussi un dispositif de diagnostic de défauts de capteurs de courants de phases d'un système de pilotage d'une machine électrique tournante synchrone de véhicule automobile apte à la mise en œuvre du procédé décrit brièvement ci-dessus, du type de ceux comprenant:

- des moyens d'acquisition de mesures fournies par les capteurs et d'un angle électrique du système de pilotage;

- des moyens de traitement numériques des mesures; et

- des moyens de génération de drapeaux signalant les défauts de capteurs.

Conformément à l'invention, les moyens de traitement exécutent une transformation de Park et comprennent des moyens d'analyse de formes d'onde des courants de phases dans le repère de Park, les moyens d'analyse de formes d'onde incluant des moyens de calcul d'une moyenne glissante dans le temps.

Selon une caractéristique particulière du dispositif de diagnostic selon l'invention, les moyens d'acquisition acquièrent en outre une vitesse du système de pilotage et les moyens de traitement comprennent en outre des moyens de détection d'un défaut d'offset et/ ou d'un défaut de gain d'au moins un des capteurs en fonction de ladite vitesse.

Selon une autre caractéristique particulière, les moyens de traitement comprennent en outre des moyens d'identification d'un capteur défaillant parmi les capteurs en fonction de l'angle électrique.

Selon d'autres aspects, l'invention concerne également un machine électrique tournante synchrone comprenant un dispositif de diagnostic tel que décrit brièvement ci-dessus, et une mémoire informatique à semi-conducteurs destinée à être intégrée dans le dispositif de diagnostic et contenant un code informatique représentatif du procédé de l'invention.

Ces quelques spécifications essentielles auront rendu évidents pour l'homme de métier les avantages apportés par le procédé et le dispositif de diagnostic de défauts de capteurs de courants de phases d'un système de pilotage d'une machine électrique tournante synchrone de véhicule automobile selon l'invention, ainsi que par la machine électrique tournante synchrone et la mémoire informatique associée, par rapport à l'état de la technique antérieur.

Les spécifications détaillées de l'invention sont données dans la description qui suit en liaison avec les dessins ci-annexés. Il est à noter que ces dessins n'ont d'autre but que d'illustrer le texte de la description et ne constituent en aucune sorte une limitation de la portée de l'invention.

BREVE DESCRIPTION DES DESSINS.

La Figure 1 est un schéma de principe général d'un système de pilotage d'une machine électrique tournante synchrone.

La Figure 2 est schéma de principe d'une unité de contrôle du système de pilotage d'une machine électrique tournante synchrone montré sur la Figure 1 incorporant un dispositif de diagnostic de défauts de capteurs de courants de phases selon l'invention.

La Figure 3 est un organigramme illustrant le procédé selon l'invention de diagnostic de défauts de capteurs de courants de phases d'un système de pilotage d'une machine électrique tournante synchrone. DESCRIPTION DU MODE DE REALISATION PREFERE DE L'INVENTION.

Un système de pilotage 1 d'une machine électrique tournante synchrone 2, tel que celui montré sur la Figure 1 , comprend généralement une unité de contrôle 3 commandant un onduleur 4 alimentant la machine électrique synchrone 2 en courant à partir d'une source de tension continu 5.

Des mesures de la tension V _bat de la source de tension continu 5, des courants de phases 4, i _b , i _c correspondant aux trois phases A, B, C, de l'angle électrique Θ et de la vitesse ω associées aux consignes de couple Γ ^θί et de vitesse u) ^ref , sont les entrées habituelles de l'unité de contrôle 3. Cette unité de contrôle 3 génère les signaux de commande U, V, W de l'onduleur 4 de façon que la machine électrique synchrone 2 fournisse le couple requis Γ ^θί à la vitesse spécifiée ω ^Γθί , paramètres le plus souvent transmis sur un bus de terrain 6.

La Figure 2 montre les principaux éléments de l'unité de contrôle 3.

L'angle électrique Θ du système de pilotage 1 est fourni à l'unité de contrôle 3 par un capteur de position 7 d'un rotor 8 de la machine électrique tournante synchrone 2.

La vitesse ω est fournie par un capteur de vitesse 9, ou par un calcul à partir de l'angle électrique Θ.

Les mesures des courants de phases 4, i _b , i _c , sont fournies par des capteurs de courants de phases 10.

Ce sont précisément ces capteurs de courants de phases 10 qui peuvent présenter des défauts, soit un défaut d'offset, soit un défaut de gain.

Ces défauts sont évidemment préjudiciables au bon fonctionnement du système de pilotage 1 de la machine électrique tournante synchrone 2, et il convient de les détecter et de caractériser le capteur défaillant.

Le but de l'unité de contrôle 3 est de permettre un fonctionnement efficace du système de pilotage 1 dans une large gamme de couples et de vitesses.

Pour ce faire, une boucle de contrôle fermée est nécessaire 1 1 . La boucle de contrôle fermée 1 1 est un correcteur qui assure un bon asservissement des courants de phases mesurés à partir d'un courant de référence f ^ef .

Un bloc de calcul de courant de référence 12 donne ce courant de référence f ^ef à partir des références de couple Γ ^θί ou de vitesse ω ^Γθί , et des paramètres électriques de la machine électrique tournante 2.

Ce bloc de calcul de courant de référence 12 transforme une référence mécanique en une référence électrique.

Après que les tensions de référence V ^ref ont été calculées par la boucle de contrôle fermée 1 1 , le bloc de contrôle de modulation en largeur d'impulsion 13 génère les signaux de commande U, V, W modulés en largeur d'impulsion (ou PWM, acronyme de "Puise Width Modulation" en terminologie anglaise) de l'onduleur 4.

En ce qui concerne la boucle de contrôle fermée 1 1 , puisqu'il s'agit d'un système de pilotage 1 , le contrôle peut être réalisé dans différents repères. Le transformation de Clarke bien connue est une projection de grandeurs de phases sur deux axes fixes (α,β).

Ensuite la transformation de Clarke peut être suivie par une rotation qui convertit les composantes alternatives du repère (α,β).βη composantes continues sur des axes direct et en quadrature (le repère (d, q)).

La combinaison d'une transformation de Clarke et d'une rotation du repère (α,β) au repère (d, q) est appelée usuellement une transformation de Park.

Le principal avantage de ces transformations est une réduction de l'ordre du système (de 3 à 2) et un découplage des variables de contrôle,

Un pilotage efficace d'un système de pilotage électrique 1 nécessite que les courants instantanés 4 _, 4, 4 soient bien connus. Pour un fonctionnement fiable du système de pilotage électrique 1 , la stratégie de contrôle doit être tolérante à un défaut de capteur 10. Alors, la continuité du fonctionnement est assurée et les contraintes de sécurité sont satisfaites.

Actuellement, dans les applications les plus exigeantes, une redondance du matériel est utilisée pour surmonter une panne de capteur 10. Cette solution rend la conception du système de pilotage électrique 1 plus complexe et en augmente le coût.

En revanche, une redondance logicielle est beaucoup plus intéressante du fait de sa capacité d'évolution en plus de son bas coût. A cette fin, un procédé de diagnostic basé sur une analyse des formes d'onde des courants dans un repère en rotation (repère (d,q)) est élaboré.

Ce procédé, illustré par la Figure 3, a seulement besoin des courants de phases 4 _, 4, 4 fournis en entrée 14, de l'angle électrique Θ et de la vitesse ω pour détecter 15 et identifier 16 le capteur défaillant parmi l'ensemble des capteurs de courants de phases 10.

On fait l'hypothèse d'une défaillance d'un seul capteur 10, mais cette hypothèse est réaliste car la probabilité de la défaillance simultanée de deux capteurs est très faible.

L'analyse de la forme d'onde des courants dans le repère en rotation est détaillée ci-dessous.

Les équations des courants sont d'abord données dans le repère naturel (a, b, c) et dans le repère de Park (d,q) en mode de fonctionnement habituel, ou nominal, en l'absence de défaut de capteur 10 (l'indice h indique des variables dans ce mode).

Dans le repère naturel (a, b, c), on a les valeurs nominales suivantes:

i _a , h = l∞s(0) ib, h = l∞s(0 -y) i _c , h = lcos(0 + )

Dans le repère de Park (d,q), on calcule 17:

La conséquence d'un capteur défaillant est ensuite modélisée dans un premier cas d'un défaut d'offset et dans un second cas d'un défaut de gain.

Dans le premier cas, les mesures fournies 14 par les capteurs de courants de phases 10 s'écrivent pour chacune des trois phases A, B, C:

lam ⁼ la,h ⁺ Δ/ ₉

'bm ⁼ lb,h ⁺ Δ¾

où:

Ai _a , Ai _b et Ai _c sont les offsets sur les phases A, B et C respectivement.

4 m, ibm et i _cm sont les mesures fournies par les capteurs de courants de phases 10 des phases A, B et C respectivement.

Des différences T _d , ï _q entre les mesures et les valeurs nominales sont obtenues 18 dans le repère de Park au moyen des égalités:

d,h ' dm q ^~ lq,h 'dm

Lorsque les valeurs nominales i _{d h} et i _{q h} ne sont pas connues, elles peuvent être approchées en appliquant une moyenne glissante dans le temps aux valeurs des courants.

On a pour chacune des phases A, B et C : PhaseA PhaseB PhaseC

Dans le repère en rotation, les courants i _dh , _h sont continus en mode nominal. Quand un défaut d'offset se produit sur l'un des trois capteurs de courants de phases 10, une composante sinusoïdale ï _dq est ajoutée aux courants continus id.h, iq.h à la fréquence électrique.

Si les différences 7 _d , ï _q sont sensiblement nulles 19 (au bruit près), dans le procédé selon l'invention on génère des drapeaux Flag_A, B, C 20 représentatifs de l'absence de défaut des capteurs 10 (Flag_A, B, C = 0).

En revanche, si les différences 7 _d , ï _q sont sensiblement non nulles 19, dans le procédé selon l'invention on effectue une analyse de la forme d'onde 21 des courants de phases dans le repère de Park en définissant un angle électrique résiduel 0 _res par la relation 0 _res = arctan(- T _q / T _d ), et en calculant une pulsation résiduelle u) _res par l'expression u) _res = d0 _res /dt.

Dans le premier cas d'un défaut d'offset, cette pulsation résiduelle u) _res est égale (aux erreurs de calcul et de mesure près) à la vitesse ω, et, dans le second cas d'un défaut de gain, cette pulsation résiduelle u) _res est égale au double de la vitesse ω, comme il le sera montré ci-dessous.

Cette analyse de la forme d'onde 21 des courants de phases dans le repère de Park permet dans le procédé selon l'invention de décider 22 d'une absence de défaut de capteurs (Flag_A, B, C = 0) 23 si aucune composante alternative aux fréquences ω/2π ou ω/π n'est détectée.

Si une composante alternative est détectée, dans le procédé selon l'invention on confirme 22 le défaut et une comparaison 16 d'angle électrique résiduel 0 _res à l'angle électrique Θ permet de déterminer la phase A, B, C correspondant au capteur défaillant parmi les trois capteurs de courants de phases 10:

PhaseA PhaseB PhaseC

Selon le procédé de l'invention, on génère alors les drapeaux Flag_A, B, C 24 représentatifs de la présence d'un défaut sur un des capteurs de courants de phases 10 (Flag_A, B, C = ^* \).

Dans le second cas de défaut de capteur (défaut de gain), les mesures i _am , ibm, icm fournies 14 par les capteurs de courants de phases 10 s'écrivent pour cha

i _am

où G _a , G _b , G _c sont les gains des capteurs de courants 10 des phases A, B, C respectivement (en mode nominal, G _a = G _b = G _c = 1 ), et / est le courant circulant dans les enroulements statoriques de la machine électrique tournante synchrone 2.

Des différences ï _d , ï _q entre les mesures et les valeurs nominales sont obtenues 18 dans le repère de Park au moyen des égalités:

'd = id,h - 'dm

'Q ⁼ 'q,h ^~ 'dm

Lorsque les valeurs nominales i _{d h} et i _{q h} ne sont pas connues, elles peuvent être approchées en appliquant une moyenne glissante dans le temps aux valeurs des courants.

On a pour chacune des phases A, B et C :

PhaseA

'd (1 -G _a )/(1 + cos26) (1 -G _a )/sin26

PhaseB

PhaseC

Ces relations montrent bien que, lorsque un défaut de gain apparaît sur l'un des trois capteurs de courants de phases 10, une composante sinusoïdale î _d , _q est ajoutée aux courants continus i _djh , _h au double de la fréquence électrique.

Le dispositif de diagnostic de défauts de capteurs de courants de phases 10 d'un système de pilotage 1 d'une machine électrique tournante synchrone 2 de véhicule automobile, également visé par l'invention, est un module spécifique 25 mettant en œuvre le procédé décrit ci-dessus et intégré dans l'unité de contrôle 3 montrée sur la Figure 2.

Ce module spécifique 25, selon une architecture connue en soit, comprend:

- des moyens d'acquisition des mesures des courants de phases 4, i _b , i _c fournies par les capteurs 10 et d'un angle électrique Θ du système de pilotage 1 ;

- des moyens de traitement numériques de ces mesures;

- des moyens de génération de drapeaux Flag_A, B, C 20, 23, 24 signalant l'absence ou la présence d'un défaut sur l'un des capteurs 10.

Dans la mesure où l'unité de contrôle 3 comprend déjà un microprocesseur, un microcontrôleur ou un circuit numérique analogue, implémentant notamment la boucle de contrôle fermée 1 1 , ces moyens d'acquisition, ces moyens de traitement numériques et ces moyens de génération sont ceux de l'unité de contrôle 3.

Un code informatique, représentatif du procédé selon l'invention, stocké dans une mémoire 26, permet d'utiliser cette architecture commune pour:

- exécuter la transformation de Park requise;

- analyser des formes d'onde des courants de phases dans le repère de Park;

- détecter les défauts d'offset et/ ou de gain des capteurs 10;

- identifier le capteur défaillant.

Les drapeaux Flag_A, B, C 20, 23, 24 sont pris en compte par la boucle de contrôle fermée 1 1 pour en reconfigurer les algorithmes de traitement de manière à assurer une continuité de fonctionnement du système de pilotage 1 , même en cas de panne de l'un des capteurs de courants de phases 10.

Le procédé et le dispositif selon l'invention sont robustes grâce à l'utilisation d'une approche non paramétrique indépendante d'un modèle électromécanique de la machine 2.

Comme il va de soi, l'invention ne se limite pas au seul mode de réalisation préférentiel décrit ci-dessus. D'autres modes de réalisation ne sortiraient pas du cadre de la présente invention dans la mesure où ils résultent des revendications ci-après.