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WO 2014/056803
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ORGANE ELECTRIQUE GENERIQUE CONFIGURABLE
L'invention concerne un organe électrique générique
configurable comportant des moyens de traitement pour
mettre en uvre différentes applications.
ARRIERE PLAN DE L'INVENTION
Le développement de l'avion plus électrique est
un des enjeux majeurs des politiques de recherche et
d'innovation mises en uvre par l'industrie aéronautique.
L'énergie électrique offre de nombreux avantages par rap-
port à l'énergie mécanique, hydraulique ou pneumatique,
parmi lesquels une intégration des équipements améliorée,
des coûts de maintenance réduits, une simplification
d'utilisation, une réduction de masse, etc.
Les grands programmes civils ou militaires représen-
tent des opportunités pour introduire des évolutions
technologiques permettant de remplacer des systèmes tra-
ditionnels par des systèmes électriques. On peut citer
parmi les évolutions les plus marquantes l'introduction,
sur des avions civils, de commandes de vol électriques,
de frein électrique, etc.
Le développement des systèmes électriques a entraîné
une multiplication des actionneurs électromécaniques qui,
pour fonctionner, nécessitent notamment des organes de
commande et des organes de conversion de puissance. Les
organes de commande sont utilisés pour piloter des ondu-
leurs associés aux moteurs électriques des actionneurs
électromécaniques, en fonction de consignes et de mesures
diverses (position du rotor, vitesse angulaire, etc.).
Les organes de conversion de puissance, quant à eux, sont
utilisés pour fournir des tensions d'alimentation conti-
nue (28 Volts par exemple) ou alternative (115/200 Volts
- 400 Hertz par exemple) aux équipements électriques. Ces
organes de commande et de conversion mettent généralement
en uvre des asservissements qui nécessitent d'acquérir
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des mesures réalisées par des capteurs de position li-
néaire ou angulaire, de vitesse, de courant, de tension,
etc.
Chaque application requiert des organes de commande
et des organes de conversion de puissance ayant un cer-
tain nombre de caractéristiques dépendant de
l'application (élaboration des lois de commande, surveil-
lance, etc.). Pour chaque nouvelle application, il est
donc nécessaire de réaliser de nouveaux équipements, ce
qui représente un coût important en termes de développe-
ment, de certification et de fabrication des équipements,
et introduit des incertitudes quant à la performance de
ces nouveaux équipements en termes de sécurité et de fia-
bilité.
OBJET DE L'INVENTION
L'invention a pour objet de réduire les coûts et les
durées de développement des systèmes électriques tout en
améliorant leur fiabilité.
RESUME DE L'INVENTION
En vue de la réalisation de ce but, on propose un
organe électrique générique configurable comportant des
moyens de traitement pour mettre en uvre au moins une
fonction configurée, les moyens de traitement comportant
une unité de traitement, des blocs mémoire et des blocs
fonctionnels prédéfinis étant implémentés dans l'unité de
traitement, l'unité de traitement comportant un module de
mémoire agencé pour stocker des données de configuration.
Selon l'invention, l'unité de traitement comporte des
moyens de routage agencés pour organiser des échanges de
données entre les blocs selon des données
d'interconnexion comprises dans les données de configura-
tion stockées dans le module de mémoire.
Ainsi, il est possible d'utiliser un organe électri-
que déjà développé, qualifié et certifié pour réaliser
une nouvelle fonction, uniquement en modifiant les don-
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nées de configuration transmises aux moyens de routage de
l'unité de traitement. Les moyens de routage interconnec-
tent, paramètrent et commandent alors les blocs fonction-
nels prédéfinis de manière à réaliser la fonction confi-
gurée requise. Ceci permet de : réduire les coûts de
conception, car les blocs fonctionnels, déjà réalisés,
sont réutilisés ; réduire les coûts associés aux activi-
tés de validation, vérification, certification, car cel-
les-ci, pour la nouvelle fonction, ne concernent que les
nouvelles données de configuration ; et réduire les in-
certitudes quant aux performances de l'équipement, car
les performances des unités de traitement et des blocs
fonctionnels ont déjà été éprouvées.
L'invention sera mieux comprise à la lumière de la
description qui suit d'un mode de mise en uvre
particulier non limitatif de l'invention.
BREVE DESCRIPTION DES DESSINS
Il sera fait référence aux dessins annexés, parmi
lesquels :
- la figure 1 représente schématiquement un organe
électrique générique configurable de l'invention ;
- la figure 2 représente schématiquement une archi-
tecture d'un FPGA et d'un microcontrôleur de
l'organe électrique de l'invention ;
- la figure 3 représente schématiquement la manière
dont est configuré l'organe électrique pour réali-
ser une fonction configurée.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION
En référence à la figure 1, un organe électrique gé-
nérique 1 configurable de l'invention comprend un boîtier
2 dans lequel est montée au moins une carte électrique 3.
Cette carte électrique 3 comporte des composants électri-
ques parmi lesquels un FPGA 4 (pour Field-Programmable
Gate Array , qui peut être traduit en français par ré-
seau prédiffusé programmable ) de type SRAM (pour Sta-
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tic Random Access Memory , qui peut être traduit en
français par mémoire vive statique ) implémentant
l'invention comprenant un espace de mémoire vive 5 relié
à une mémoire non volatile 6 située dans un composant ex-
terne au FPGA (il serait néanmoins possible de prévoir
une mémoire intégrée au FPGA). La carte électrique 3 com-
porte aussi un microcontrôleur 7 comprenant un processeur
80 et un espace de mémoire non volatile 81, un module
d'alimentation 8, des composants d'horloge 9, 10, des
composants d'interface de communication 11, et des compo-
sants d'interface d'acquisition analogique 12.
Le module d'alimentation 8 de la carte électrique 3
est connecté à une source d'alimentation externe 13 et
est agencé pour alimenter les composants de la carte
électrique 3 en fournissant une ou plusieurs tensions
d'alimentation appropriées. Les composants d'horloge 9,
10 comprennent deux oscillateurs à quartz 14, 15, qui
fournissent un signal d'horloge stabilisé respectivement
au FPGA 4 et au microcontrôleur 7. Les composants
d'interface de communication 11, qui comprennent notam-
ment un composant émetteur-récepteur 16 d'une liaison de
type liaison ARINC429, sont utilisés pour mettre en forme
des signaux numériques échangés entre le FPGA 4, le mi-
crocontrôleur 7 et un premier ensemble d'équipements ex-
ternes 17 à l'organe électrique 1. Les composants
d'interface d'acquisition analogique 12, qui comprennent
un convertisseur analogique-numérique 18, sont agencés
pour permettre au FPGA 4 et au microcontrôleur 7 de
contrôler un deuxième ensemble d'équipements externes 20,
et d'avoir accès à des mesures réalisées par un ensemble
de capteurs externes 19 connectés au deuxième ensemble
d'équipements externes 20.
L'organe électrique 1 de l'invention peut être
configure pour réaliser une fonction de commande d'un mo-
teur électrique d'un actionneur électromécanique, ou une
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fonction de conversion de puissance permettant de conver-
tir une tension continue ou alternative en une tension
continue ou alternative (on pourrait alors avoir une
conversion continue - continue, continue - alternative,
5 alternative - alternative ou alternative - continue).
Dans ce but, en référence à la figure 2, des blocs
fonctionnels 22 prédéfinis sont implémentés dans le FPGA
4. Par implémentés , on entend que les blocs fonction-
nels 22 du FPGA 4 sont codés par des codes programmés
rangés dans des zones de mémoire associés au FPGA 4, et
exécutés par le FPGA 4 pour réaliser des opérations. Pour
un FPGA, l'exécution consiste à assembler des cellules
logiques élémentaires qui le composent, et donc à implan-
ter physiquement une fonction logique.
Pour configurer l'organe électrique 1, un utilisa-
teur doit tout d'abord charger un programme de configura-
tion générale 43 dans l'espace de mémoire non volatile 81
du microcontrôleur 7. Ce programme de configuration géné-
rale 43 contient des instructions de configuration 25 du
FPGA 4. Ce programme de configuration générale 43 est mo-
difiable par l'utilisateur, et permet de définir la fonc-
tion qui sera réalisée par l'organe électrique 1.
Au démarrage de l'organe électrique 1, les instruc-
tions de configuration 25 du FPGA 4 sont chargées par le
microcontrôleur 7 dans l'espace de mémoire vive 5 du FPGA
4 via un contrôleur de mémoire 26 qui gère tous les
échanges de données avec l'espace de mémoire vive 5 du
FPGA 4. Parmi les instructions de configuration 25 du
FPGA 4, on trouve des données de commande 25a, des don-
nées d'interconnexion 25b, et des données de paramétrage
25c. Les données de commande 25a sont stockées dans une
première zone de mémoire 27 de l'espace de mémoire vive 5
du FPGA 4, les données d'interconnexion 25b et de paramé-
trage 25c sont stockées dans une seconde zone de mémoire
28 dédiée aux échanges entre le FPGA 4 et le microcontrô-
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leur 7. L'espace de mémoire vive 5 du FPGA 4 comporte en
outre une troisième zone de mémoire 29 pour stocker des
données échangées 47 lors de la mise en uvre de la fonc-
tion configurée. L'espace de mémoire vive 5 acquiert
alors les blocs fonctionnels 22 non paramétrés du FPGA 4.
Dans le FPGA 4, la mise en uvre de la fonction
configurée à partir des blocs fonctionnels 22 du FPGA 4
est réalisée par un routeur 30 relié à un séquenceur 31,
lui-même connecté au composant d'horloge 9 du FPGA 4. Le
routeur 30 interconnecte les blocs de contrôle 22a et
d'interface 22b selon les données d'interconnexion 25b.
Le routeur 30 est commandé par les données de commande
25a pour activer les blocs 22 de manière à ce que les
blocs 22 exécutent leur opération, et pour mettre en u-
vre les échanges de données entre les blocs 22 afin de
réaliser la fonction configurée. Le routeur 30 comporte
des moyens de gestion 32, dont le rôle est d'autoriser ou
de refuser l'activation des blocs 22 selon des paramètres
fournis par le microcontrôleur 7. Les blocs fonctionnels
22 prédéfinis sont paramétrés par le routeur 30 selon les
données de paramétrage 25c pour que l'opération qu'ils
réalisent corresponde à la fonction configurée. Le rou-
teur 30 est séquencé par le séquenceur 31 selon une ca-
dence variable et paramétrable définie dans les données
de paramétrage 25c.
Les blocs fonctionnels 22 comprennent des blocs de
contrôle 22a et des blocs d'interface 22b. Les blocs de
contrôle 22a sont des blocs qui agissent sur des signaux
pour les transformer. Parmi les blocs de contrôle 22a, on
trouve par exemple des blocs de transformation de repère,
des blocs de filtrage, etc.
Les blocs d'interface 22b, eux, sont destinés à ac-
quérir ou générer des signaux. Parmi les blocs
d'interface 22b, on trouve par exemple des blocs de
conversion analogique numérique ou numérique analogique,
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dont les fréquences d'échantillonnage ou les résolutions
sont paramétrables, etc.
Chaque bloc fonctionnel 22 est donc prévu pour ré-
aliser une opération. Ces blocs fonctionnels 22 sont in-
dépendants, c'est-à-dire qu'ils n'ont pas besoin d'être
associés à d'autres blocs pour réaliser l'opération pour
laquelle ils sont prévus. Ces blocs sont de plus paramé-
trables, c'est-à-dire qu'il est possible d'adapter
l'opération réalisée à la fonction prévue, par exemple en
modifiant des valeurs de seuils, de tension de sortie, de
fréquence, etc.
Ainsi, en utilisant des blocs fonctionnels prédéfi-
nis stockés dans des mémoires non volatiles d'un FPGA, on
peut générer différents algorithmes pour réaliser des
fonctions particulières en modifiant uniquement des don-
nées de configuration que l'on fournit au microcontrô-
leur, et donc sans modifier le code du FPGA.
La mise en uvre d'une fonction particulière est
schématisée à la figure 3. Il s'agit ici d'une fonction
de commande d'un moteur électrique 33 d'un actionneur
électromécanique 34. Le moteur électrique 33 est de type
synchrone, sans balais et à aimants permanents. Cet ac-
tionneur électromécanique 34 permet de déplacer linéaire-
ment une tige 35 de verrou électromécanique. Ce type de
verrou peut être utilisé pour verrouiller des inverseurs
de poussée en vol dans le but d'éviter qu'ils ne
s'ouvrent intempestivement.
L'organe électrique 1 est commandé pour piloter le
moteur électrique 33 et positionner la tige 35 de
l'actionneur 34 en fonction d'une consigne de position
transmise au microcontrôleur 7 via les composants
d'interface de communication 11. L'organe électrique 1
est de plus connecté, via les composants d'interface
d'acquisition analogique 12, à un onduleur 36 pilotant le
moteur électrique 33, ainsi qu'à un capteur de position
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angulaire 37 du rotor du moteur électrique 33, ici un
capteur de type résolveur, et à un capteur de position
linéaire 38 de la tige 35. L'onduleur 36 est alimenté par
une source de tension continue 39.
La fonction de commande est réalisée par une boucle
de régulation 41 mise en uvre par le FPGA 4 avec cer-
tains des blocs fonctionnels 22 du FPGA 4.
La boucle de régulation 41 du FPGA 4 est traduite
par l'utilisateur en un diagramme d'état 42 (flèche en
pointillés Fl) puis transformée en instructions de confi-
guration 25 (flèche en pointillés F2). Ces données, qui
comprennent des données de commande 25a, des données
d'interconnexion 25b et des données de paramétrage 25c,
sont alors stockées dans l'espace de mémoire non volatile
81 du microcontrôleur 7 (flèche en pointillés F3), puis
transmises à l'espace de mémoire vive 5 du FPGA 4 (flèche
en pointillés F4) puis au routeur 30 du FPGA 4 (flèche en
pointillés F5) qui, à une cadence imposée par le séquen-
ceur 31, met en uvre la boucle de régulation du FPGA.
L'invention n'est pas limitée aux modes de réalisa-
tion particuliers qui viennent d'être décrits, mais, bien
au contraire, couvre toute variante entrant dans le cadre
de l'invention telle que définie par les revendications.
Bien que l'on ait choisi d'illustrer l'invention en
utilisant un FPGA, il possible d'utiliser à la place du
FPGA un composant de type ASIC (pour Application-
Specific Integrated Circuit , qui peut être traduit en
français par Circuit intégré propre à une applica-
tion ) agencé pour être configurable.
Bien que l'on ait choisi d'utiliser un microcontrô-
leur intégré dans l'organe électrique pour charger les
instructions de configuration dans le FPGA, il aurait été
possible d'utiliser un composant différent. Il aurait
aussi été possible de prévoir de charger ces instructions
de configuration depuis un équipement extérieur à
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l'organe électrique.
Bien que l'on ait indiqué que les moyens de gestion
sont compris dans le routeur du FPGA, ceux-ci pourraient
être localisés autre part, et notamment dans le micro-
contrôleur ou tout autre composant utilisé pour charger
les instructions de configuration dans le FPGA.
La liste des blocs fonctionnels fournie n'est bien
sûr pas exhaustive, tout comme la liste des composants
présents sur la carte électrique de l'organe électrique.
Il est aussi possible de prévoir de monter ces composants
sur plusieurs cartes électriques.
