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Title:
METHOD FOR CONTROLLING A POLYPHASE ENGINE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2019/197775
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention concerns a method for controlling a polyphase actuator consisting of supplying each phase with a periodically varying voltage having a periodic sequence of interval Pi, having constant duration and amplitude An,i, where n corresponds to the rank of the phase and i to the rank of the interval determining a target position PCi of the actuator rotor, in order to define a sinusoidal voltage envelope, said actuator further comprising a movable member, a stator equipped with electrical coils and a sensor detecting the mechanical position of said movable member with respect to said stator, as well as a microcontroller. • The microcontroller determines, at times Tcapteur, the mechanical position of said mechanical member, • The microcontroller calculates, at each of said times Tcapteur, the difference between the mechanical position and the target position PCi corresponding to the interval Pi and the microcontroller calculates a coefficient k as a function of said difference, • the microcontroller weights the amplitude of the supply applied to said phases by the coefficient k in order to supply said phases with the weighted amplitude voltages An,i*k.

Inventors:
PETREMENT, Geoffroy (30A Chemin des Tilleroyes, Besancon, 25000, FR)
CALLERANT, Guillaume (24 C rue d'Alsace, Chavannes-sur-l'Etang, 68210, FR)
Application Number:
FR2019/050832
Publication Date:
October 17, 2019
Filing Date:
April 09, 2019
Export Citation:
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Assignee:
MOVING MAGNET TECHNOLOGIES (1 rue Christiaan Huygens, ZAC Lafayette, Besançon, 25000, FR)
International Classes:
H02P8/16; H02P8/00
Foreign References:
EP0559464A11993-09-08
JP2004064932A2004-02-26
US20130043822A12013-02-21
US20080100249A12008-05-01
US5029264A1991-07-02
JP2007259568A2007-10-04
US20130043822A12013-02-21
US20080100249A12008-05-01
US5029264A1991-07-02
JP2007259568A2007-10-04
US8810187B22014-08-19
Other References:
LE KIEN MINH ET AL: "An Advanced Closed-Loop Control to Improve the Performance of Hybrid Stepper Motors", IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS, INSTITUTE OF ELECTRICAL AND ELECTRONICS ENGINEERS, USA, vol. 32, no. 9, 1 September 2017 (2017-09-01), pages 7244 - 7255, XP011647377, ISSN: 0885-8993, [retrieved on 20170424], DOI: 10.1109/TPEL.2016.2623341
Attorney, Agent or Firm:
BREESE, Pierre (IP TRUST, 2 rue de Clichy, Paris, 75009, FR)
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Claims:
Revendications

1 - Procédé de commande d'un actionneur polyphasé consistant à alimenter chaque phase par tension variant périodiquement avec une séquence périodique de pas P± de durée constante et d'amplitude An,± où n correspond au rang de la phase et i au rang du pas déterminant une position cible PC± du rotor de 1 ' actionneur, pour définir une enveloppe sinusoïdale de tension, ledit actionneur comportant en outre un organe mobile, un stator équipé de bobines électriques et un capteur détectant la position mécanique dudit organe mobile par rapport audit stator, ainsi qu'un microcontrôleur caractérisé en ce que :

• Ledit microcontrôleur détermine à des instants Tcapteur la position mécanique dudit organe mécanique,

• Ledit microcontrôleur calcule, à chacun desdits moments Tcapteur f la différence entre ladite position mécanique et la position cible PC± correspondant au pas P± et ledit microcontrôleur calcule un coefficient k en fonction de ladite différence,

• Ledit microcontrôleur pondère l'amplitude d'alimentation appliquée auxdites phases par ledit coefficient k pour alimenter lesdites phases avec des tensions d'amplitudes pondérés An,± * k.

2 — Procédé de commande d'un actionneur polyphasé selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comporte au moins un instant d'acquisition Tcapteur de la position mécanique dudit organe mécanique pour un pas P±.

3 — Procédé de commande d'un actionneur polyphasé selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comporte au moins 4 instants d'acquisition TcapteUr de la position mécanique dudit organe mécanique pour un pas P±. 4 — Procédé de commande d'un actionneur polyphasé selon la revendication 1 caractérisé en ce que ledit coefficient k est proportionnel à la différence entre ladite position mécanique et la position cible PC± correspondant au pas P±.

5 — Procédé de commande d'un actionneur polyphasé selon la revendication 1 caractérisé en ce que ledit organe mobile est le rotor.

6 - Procédé de commande d'un actionneur polyphasé selon la revendication 1 caractérisé en ce que ledit organe mobile est déplacé par le rotor via un organe de transformation de mouvement.

7 — Procédé de commande d'un actionneur polyphasé selon la revendication 5 caractérisé en ce que ledit rotor est mobile sur une pluralité de tours.

8 — Procédé de commande d'un actionneur polyphasé selon la revendication précédente caractérisé en ce que ledit rotor est mobile sur une pluralité de tours selon un mouvement hélicoïdal et en ce que le rang du tour, par rapport à une position initiale, est déterminé par la norme du signal délivré par le capteur magnétique bidimensionnel.

9 — Procédé de commande d'un actionneur polyphasé selon la revendication 1 caractérisé en ce que le blocage de l'organe mobile ou du rotor est déterminé par l'atteinte dudit coefficient k à une valeur seuil kseUii·

10 — Procédé de commande d'un actionneur polyphasé selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comporte une étape de calibration consistant à commander le déplacement de l'organe mobile jusqu'à une butée mécanique, et à détecter le blocage par l'atteinte dudit coefficient k à une valeur seuil keuii et à enregistrer dans une mémoire le pas P± correspondant à l'atteinte de cette valeur seuil comme référence P0 dudit organe mobile.

11 — Procédé de commande d'un actionneur polyphasé selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comporte une étape de maintien de l'organe mobile dans une position d'arrêt, consistant à mesurer périodiquement le coefficient k, et à commander l'amplitude de la tension d'alimentation desdites phases si ledit coefficient k dépasse une valeur seuil .

12 — Procédé de commande d'un actionneur polyphasé selon la revendication 1 caractérisé en ce que la commande électrique des phases est modifiée pour approcher la position mesurée du rotor avec la position mécanique désirée.

13 - Procédé de commande d'un actionneur polyphasé selon la revendication 8 caractérisé en ce que le rang du tour est comparé à une valeur préalablement enregistrée.

14 - Vanne de régulation de fluide utilisant un pilotage suivant les revendications 1 à 13.

Description:
PROCEDE DE COMMANDE D'UN MOTEUR POLYPHASE

Domaine de 1 ' invention

La présente invention concerne le domaine des actionneurs polyphasés sans balais, commandés en mode pas-à- pas par un microcontrôleur. Elle concerne aussi bien des actionneurs rotatifs que des actionneurs linéaires.

De manière non limitative, la présente invention concerne le domaine des actionneurs de régulation de fluide frigorigène ou non.

De tels actionneurs comportent généralement un rotor muni d'aimants permanents, déplacé par le champ magnétique créé par un ensemble de bobines commandées par une électronique de puissance. L'alimentation ou non de chaque bobine définit une position relative du rotor par rapport au stator.

Les moteurs pas à pas commandés en pas entier présentent un nombre limité de positions discrètes (généralement autant de positions que de pôles magnétiques au stator), mais les moteurs pas à pas à commande proportionnelle permettent d'augmenter la précision. On parle alors de « micro pas » puisque le moteur présente plusieurs positions d'équilibre entre deux pas. Dans le présent brevet, le terme « pas » désignera indifféremment un pas entier ou un « micropas » .

Etat de la technique

On connaît dans l'état de la technique le brevet américain US2013043822 qui décrit une solution de commande d'un moteur pas à pas utilisant un dispositif de rétroaction de position avec une capacité de résolution de 200 pas par tour d'arbre de moteur, pour la détection de décalages de pas et la récupération de pas du moteur. L'écart de position est calculé périodiquement et cycliquement, en soustrayant la position de retour de la position commandée correspondante, pour déterminer implicitement l'angle de charge et l'état de fonctionnement du moteur, l'angle de charge étant défini comme l'angle entre le maximum de la force magnétomotrice et l'axe direct (communément appelé « axe d ») du rotor, c'est-à-dire la différence angulaire existant entre le vecteur de champ magnétique crée par le stator bobiné du moteur et le vecteur de champ magnétique du rotor.

Si l'angle de charge se situe dans une plage de valeurs admissibles établies, le fonctionnement normal du moteur pas à pas le long de la trajectoire programmée est maintenu, sans réglage. Un angle de charge qui dépasse les limites de cette plage indique cependant qu'un faux pas s'est produit, et le contrôleur du système initie une action pour récupérer les pas du moteur perdus, pour rétablir le synchronisme .

La demande de brevet US2008100249 décrit un autre exemple de commande de la rotation d'un moteur pas à pas, comprenant les étapes consistant à :

- déterminer la position de rotation d'un champ statorique par rapport à un rotor à 1 ' intérieur d ' un moteur pas à pas en continu lors de la rotation dudit moteur; et

retarder la rotation dudit champ statorique lorsqu'une première quantité prédéterminée est dépassée et que ledit rotor est en retard sur ledit champ statorique pour des performances optimales dudit moteur.

Le brevet US5029264 décrit une application d'un moteur pas à pas pour déplacer un chariot;

des moyens de détection pour détecter une position angulaire du rotor dudit moteur pas à pas, les moyens de détection générant un signal impulsionnel pour chaque angle de rotation prédéterminé dudit rotor;

- des moyens de commande pour compter les signaux d'impulsion provenant desdits moyens de détection, détecter une position dudit chariot en fonction des signaux impulsionnels comptés par lesdits moyens de commande, délivrer des signaux de commande pour démarrer et arrêter ledit chariot, et délivrer un signal d'initialisation;

- des moyens de commutation de courant pour compter les signaux d'impulsion provenant desdits moyens de détection et changer un courant d'excitation fourni à la bobine dudit moteur pas à pas en fonction des signaux impulsionnels comptés par lesdits moyens de changement de courant pour effectuer une commande en boucle fermée, des moyens de commutation de courant effectuant également un entraînement par moteur pas à pas dudit moteur pas à pas en réponse au signal d'initialisation desdits moyens de commande, lesdits moyens de changement de courant amenant ledit rotor dans une position stable et ramenant la valeur comptée à une valeur de référence, le démarrage du contrôle de changement du courant d'excitation en réponse au signal de commande de démarrage provenant desdits moyens de commande et 1 ' arrêt de la commande de changement du courant d'excitation en réponse à la commande d'arrêt provenant desdits moyens de commande.

Le brevet JP2007259568 décrit un dispositif d'entraînement pour moteur pas à pas ayant une fonction micropas dans laquelle un courant sinusoïdal traverse un enroulement moteur chaque fois qu'une impulsion de commande externe est appliquée et qu'un angle de pas de base est segmenté. Le dispositif d'entraînement comprend: un détecteur d'angle pour détecter l'angle de rotation d'un rotor; un contrôleur d'avance qui calcule un angle d'excitation à partir d'une impulsion de commande externe et d'un angle de rotation du rotor; un inverseur pour entraîner un moteur pas à pas; un contrôleur de courant pour commander le courant du moteur pas à pas; un détecteur de courant pour détecter un courant de moteur; et un générateur de commande de courant pour générer des commandes d'amplitude de courant. Le dispositif d'entraînement est constitué de telle sorte qu'une commande d'angle est corrigée en utilisant des informations sur un changement de la sortie du détecteur d'angle obtenu lorsque deux commandes de courant différentes sont générées par le générateur de commande actuel lorsque le moteur est à l'arrêt.

Inconvénients de l'art antérieur

Les solutions de l'art antérieur se traduisent par des consommations de courant relativement élevées dans certaines situations, notamment lorsque l' actionneur est en butée, et conduit à dépasser le niveau d'énergie électrique nécessaire pour assurer le pilotage de la position.

Les solutions de l'art antérieur n'adaptent pas de façon dynamique et continue le courant alimentant la partie statorique pour minimiser celui-ci en fonction de la charge instantanée appliquée au rotor. Cette non adaptation suivant la charge implique une consommation d'énergie supérieure et un auto échauffement par effet Joule des bobines statoriques pénalisant les performances dudit moteur.

Le brevet US8810187B2 propose de contrôler périodiquement l'avancée du rotor pour vérifier que les pas de pilotage sont respectés mais ne fait aucun contrôle continu de l'angle de charge. Par ailleurs, il ne modifie pas dynamiquement l'amplitude du courant injecté dans chaque pas.

Le brevet US2008100249 réalise une correction de la vitesse de déplacement et non du courant.

Le brevet US5029264 est un pilotage BLDC du stepper requérant un régulateur PID nécessitant de nombreux calculs et pouvant générer des dépassements de consigne.

Le brevet JP2007259568 propose de mesurer la position du rotor afin de modifier la phase de la commande des pas mais sans modifier l'amplitude du courant.

Solution apportée par l'invention

L'invention concerne un procédé de commande d'un actionneur polyphasé consistant à alimenter chaque phase par tension variant périodiquement avec une séquence périodique de pas P ± de durée constante et d'amplitude A n,± où n correspond au rang de la phase (par exemple, un moteur triphasé possède 3 rangs de phase) et i au rang du pas (par exemple, une commande à 48 pas par période électrique présente 48 rangs) déterminant une position cible PC ± du rotor de 1 ' actionneur, pour définir une enveloppe sinusoïdale de tension, ledit actionneur comportant en outre un organe mobile, un stator équipé de bobines électriques et un capteur détectant la position mécanique dudit organe mobile par rapport audit stator, ainsi qu'un microcontrôleur caractérisé en ce que :

• Ledit microcontrôleur détermine à des instants T capteur la position mécanique dudit organe mécanique,

• Ledit microcontrôleur calcule, à chacun desdits moments T capteur , la différence entre ladite position mécanique et la position cible PC ± correspondant au pas P ± et ledit microcontrôleur calcule un coefficient k en fonction de ladite différence,

• Ledit microcontrôleur pondère l'amplitude d'alimentation appliquée auxdites phases par ledit coefficient k pour alimenter lesdites phases avec des tensions d'amplitudes pondérés A n,± * k (A n,± multiplié par k) .

Dans la présente invention, on considère que chaque phase du moteur est alimentée en tension suivant une modulation de longueur d'impulsion (PWM en anglais). Le coefficient k dont il est question, est un coefficient qui vient modifier le rapport cyclique et donc le niveau moyen de tension appliqué à chaque phase.

Les avantages de la solution ici présentée par rapport à l'état de l'art sont d'une part la grande dynamique de la commande, s'adaptant à chaque instant Tcapteur à la position réelle de l'organe mobile, et d'autre part sa capacité à fonctionner même à vitesse nulle ou réduite, le principe étant indépendant de cette vitesse. Selon un mode préférentiel le procédé comporte au moins un instant d'acquisition T capteur de la position mécanique dudit organe mécanique pour un pas P ± , plus préférentiellement au moins 4 instants d'acquisition T capteUr ·

Ledit coefficient k peut être proportionnel à la différence entre ladite position mécanique et la position cible PC ± correspondant au pas P ± , mais toute autre fonction mathématique peut être utilisée.

L'invention sera préférentiellement utilisée pour organe mobile qui est le rotor de l'actionneur pour éviter d'être gêné par les erreurs induites par les jeux mécaniques, mais ledit organe mobile peut aussi être déplacé par le rotor via un organe de transformation de mouvement.

Dans un mode de réalisation, ledit rotor est mobile sur une pluralité de tours. Le mouvement est hélicoïdal et le rang du tour, par rapport à une position initiale, est déterminé par la norme du signal délivré par le capteur magnétique bidimensionnel. Dans ce cas, le rang du tour est comparé à une valeur préalablement enregistrée.

Dans un autre mode de réalisation le procédé comporte une étape de calibration consistant à commander le déplacement de l'organe mobile jusqu'à une butée mécanique, et à détecter le blocage par l'atteinte dudit coefficient k à une valeur seuil k Seuii et à enregistrer dans une mémoire le pas P ± correspondant à l'atteinte de cette valeur seuil comme référence P 0 dudit organe mobile.

Dans un autre mode de réalisation le procédé comporte une étape de maintien de l'organe mobile dans une position d'arrêt, consistant à mesurer périodiquement le coefficient k, et à commander l'amplitude de la tension d'alimentation desdites phases si ledit coefficient k dépasse une valeur seuil .

Avantageusement, la commande électrique des phases est modifiée pour approcher la position mesurée du rotor avec la position mécanique désirée.

L'invention décrite sera particulièrement intéressante pour commander une vanne de régulation de fluide.

Description détaillée d'un exemple non limitatif de

1 ' invention

La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée d'un exemple non limitatif de l'invention qui suit, se référant aux dessins annexés où :

- la figure 1 représente une vue isométrique d'une vanne de régulation, donnée à titre d'exemple, et pouvant utiliser le présent procédé de pilotage,

la figure 2 représente une vue en coupe transversale de la vanne de régulation montrée en figure 1, la figure 3 représente une vue en coupe longitudinale de la vanne de régulation montrée en figure 1 avec une vue isolée agrandie,

- les figures 4a, 4b et 4c présentent des exemples de variantes d'aimantation d'aimant capteur utilisé sur des rotors de moteur électrique piloté par le présent procédé de pilotage,

la figure 5 représente une vue en coupe longitudinale partielle d'une vanne de régulation, selon un autre exemple, et pouvant utiliser le présent procédé de pilotage,

- la figure 6 représente une vue isolée d'un stator appartenant à un moteur pouvant utiliser le présent procédé de pilotage, - la figure 7 représente une vue schématique de l'angle de charge d'un moteur piloté pouvant utiliser le présent procédé de pilotage,

la figure 8 représente un algorithme de fonctionnement typique du présent procédé de pilotage,

- la figure 9 représente un graphique d'induction magnétique détectée par une sonde magnétosensible associé à un des aimants de capteurs des figures 4a à 4c,

- la figure 10 représente le procédé mis en œuvre sur plusieurs tours de rotor d'un actionneur selon 1 ' invention,

la figure 11 représente le fonctionnement du procédé de la présente invention illustré au travers d'un graphique,

- la figure 12 représente un agrandissement de la figure 11,

- la figure 13 représente le procédé de détection de butée illustré au travers d'un graphique,

- la figure 14 représente les différentes valeurs de tension appliquées à chaque phase d'un moteur,

- la figure 15 représente la modification dynamique de la valeur k en fonction de la charge appliquée au rotor.

La figure 1 représente une vue isométrique d'un premier mode de réalisation d'une vanne selon l'invention, associant un ensemble d'actionnement électrique et un ensemble mécanique créant un chemin de circulation pour un fluide caloporteur .

La vanne est ainsi plus particulièrement composée d'un actionneur électrique (1) qui met en translation, suivant l'axe (3) de déplacement, un pointeau (non visible ici) à l'aide d'un moteur électrique. L' actionneur (1) est fixé sur le corps de vanne (2) qui comprend les canaux de passage (20) d'un fluide caloporteur dont le débit est géré par ledit pointeau. L' actionneur électrique (1) comprend un couvercle (19) sur la partie supérieure, et est fixé au corps de vanne (2) par des moyens de fixation axiale (4), tels des vis ou des boulons .

La figure 2 est une vue du dessus du premier mode de réalisation sans couvercle et permettant d'apprécier l'actionneur électrique à flux magnétique radial qui peut être utilisé dans la présente invention. Tout autre actionneur électrique générant un couple au niveau de la transformation de mouvement peut être utilisé, par exemple à flux magnétique selon l'axe de déplacement. Cet actionneur (1) présente un stator (6) formé d'un paquet de tôles formant des dents sur lesquelles sont placées, pour certaines d'entre elles, des bobines électriques (25), ici 3 bobines à 120° les unes des autres. Ce stator (6) est logé dans un boîtier (9) qui peut comporter un connecteur (5). Dans cette vue sans couvercle

(19), on apprécie aussi la présence d'une cloche d'étanchéité

(16) à l'intérieur de laquelle est placé le rotor de l'actionneur (1) ainsi que le pointeau à déplacer, ces éléments étant immergés dans le fluide caloporteur. A l'extérieur de cette cloche se trouvent, isolés du fluide caloporteur, le stator (6).

La figure 3 représente une coupe longitudinale d'une vanne selon ce premier mode de réalisation. L'actionneur

(I) est vissé sur le corps de vanne (2) à l'aide des éléments de fixation (4). Le corps de vanne (2) présente des canaux

(20) de circulation d'entrée et de sortie de fluide caloporteur. Le passage de fluide est géré par le positionnement de l'extrémité du pointeau (11) géré par l'actionneur électrique (1), selon l'axe (3), afin de rapprocher ou d'éloigner cet extrémité de pointeau (11) du siège de pointeau (17). Le rotor (12) est composé d'une partie d'écrou (14) et qui forme ici aussi, dans ce cas particulier de réalisation, la culasse et le support des aimants permanents (13), le rotor mettant en mouvement le pointeau

(II) par une liaison ici solidaire mais qui peut être indirecte via un ressort à l'interface (non montré). Le mouvement du rotor (12) et donc du pointeau (11) est suivant une trajectoire hélicoïdale combinant ainsi une rotation, celle de la machine électrique formée par le rotor (12) et le stator (6), et une translation, imposée par le vissage de la partie d'écrou (14) sur la vis (15) ici fixe et solidaire du corps de vanne (2). Le mouvement est hélicoïdal mais seule la composante de translation est mécaniquement importante pour le réglage de la vanne, le pointeau ayant une géométrie de révolution .

La configuration présentée ici est particulièrement compacte axialement avec un guidage entièrement prévu dans la hauteur active du paquet de tôles (10), ce guidage étant ici réalisé par la vis (15) en coopération avec l'écrou (14) et par le corps du pointeau (11) avec la surface intérieure de la vis fixe.

Dans cette configuration de la figure 3, un capteur de position du pointeau (11) est montré. Ce capteur de principe magnétique est situé sur la partie supérieure de la vanne, au-dessus du rotor (12). Un élément magnétique (7) aimanté, est solidaire de la partie d'écrou (14), donc du rotor (12) et donc du pointeau (11)· Cet aimant (7) qui présente une aimantation soit diamétrale perpendiculairement à l'axe de rotation du rotor, soit bipolaire suivant l'axe du rotor (3), soit une aimantation tournante autour d'un axe perpendiculaire à l'axe (3), est lui aussi immergé à l'intérieur de la cloche (16). Cet élément magnétique génère un champ magnétique dans le plan de la sonde (19) perpendiculaire à l'axe (3). Lors de la rotation du rotor (12) ce champ magnétique tournera de manière synchrone avec le rotor (12). Lors d'un déplacement hélicoïdal du rotor (12), cet élément magnétique (7) s'éloigne donc ou se rapproche du fond de la cloche (16). En regard de la cloche (16) et à l'extérieur de ladite cloche (16) est positionnée sur l'axe (3) une sonde magnétosensible (8) détectant l'angle du champ magnétique, et selon les utilisations l'amplitude de la composante du champ magnétique perpendiculaire à l'axe (3) ou la norme des composantes perpendiculaires à l'axe (3) émis par l'élément magnétique (7). L'éloignement ou le rapprochement de cet élément magnétique (7) relativement à la sonde magnétosensible (8) permet ainsi de moduler l'amplitude de champ détecté par la sonde ( 8 ) et de donner 1 ' image de la position du pointeau (11).

La sonde (8) est portée par un circuit imprimé (18) située au-dessus de la cloche (16), sous le couvercle (19). Ce circuit imprimé (18) peut porter également les points de connexion aux bobines de l'actionneur (1) ainsi que des composants électroniques nécessaires au pilotage du moteur électrique polyphasé.

L'élément magnétique (7) générant le champ magnétique axial est réalisé en aimant, à base de Néodyme Fer Bore, de Ferrite ou de Samarium cobalt. Cette dernière matière présente l'avantage d'une variation faible de ses propriétés magnétiques en fonction de la température, minimisant ainsi les dérives du signal du capteur et minimisant l'influence des gradients de température entre le fluide et la sonde de mesure de champ magnétique.

Cette moindre variation magnétique en fonction de la température est utile dans le cas de la mesure de l'amplitude du champ pour déterminer une position axiale. La mesure de la position angulaire, réalisée par comparaison des amplitudes de deux composantes magnétiques non colinéaires perpendiculaires à l'axe (3) n'étant elle pas dépendante de l'amplitude de ces composantes.

La sonde ( 8 ) est une sonde mesurant au moins deux composantes orthogonales au champ magnétique, et éventuellement une sonde tridimensionnelle.

La figure 4a représente un élément magnétique aimanté (3) générant le champ nécessaire à la sonde de mesure, aimanté de façon diamétrale, donc avec un vecteur localisé dans le plan perpendiculaire à l'axe de rotation du rotor (3).

La figure 4b représente un élément magnétique aimanté (7) générant le champ nécessaire à la sonde de mesure, aimanté de façon bipolaire, où deux parties dudit élément magnétique sont aimantées selon deux vecteurs de directions opposés et parallèles à l'axe de rotation du rotor (3).

La figure 4c représente un élément magnétique aimanté (7) générant le champ nécessaire à la sonde de mesure, aimanté suivant une aimantation tournante, l'orientation de l'aimantation à l'intérieur dudit élément magnétique tournant autour d'un axe (22) perpendiculaire à l'axe de rotation du rotor ( 3 )

La figure 5 représente une alternative à la construction des figures 1, 2 et 3 où le moteur électrique à flux radial est remplacé par un moteur à griffes

( 23 ) comportant un ensemble de tôles découpées et pliées (24) associées aux bobines (25) pour constituer les phases dudit moteur électrique. La sonde (8) soudée sur le PCB (18) reste positionnée proche de l'axe (3).

La figure 6 représente une solution de protection de la sonde de mesure magnétique vis-à-vis des champs perturbateurs générés lorsque qu'un courant électrique parcourt les bobinages statoriques (25). Un empilement supplémentaire de tôles (26) vient entourer lesdites bobines pour offrir aux flux générés par ces bobines un chemin magnétique privilégié.

Les figures 7a, 7b, 7c et 7d représentent une vue schématique du vecteur statorique (40) et du vecteur rotorique (41). Sur cette figure, les vecteurs u, v, w sont les orientations des couples crées par chacune des phases du moteur prises séparément. Il s'agit d'une représentation dite « diagramme de Fresnel » . Le vecteur statorique (40) est la composition des signaux électriques de commande micropas aux bornes des bobines statoriques dans le plan perpendiculaire à l'axe (3).

Le vecteur rotorique (41) est déterminé par l'analyse des signaux transmis par la sonde (8) et traduite dans le diagramme de Fresnel à partir du signal de position du capteur de position, de la connaissance du nombre de paires de pôles et d'une position de référence.

L'angle de charge correspond à l'angle entre les vecteurs statorique (40) et rotorique (41) de champ magnétique. Le couple résultant au niveau du rotor généré par l'alimentation électrique au niveau du stator varie d'un couple (50) nul lorsque cet angle est égal à 0°, à un maximum lorsque les vecteurs sont à 90°. Le couple est directement proportionnel au sinus de l'angle de charge et au courant d ' alimentation .

Dans l'hypothèse d'un déplacement sans aucune charge au niveau du rotor, l'angle de charge est égal à 0° et les vecteurs statorique et rotorique sont colinéaires. La position angulaire réelle du rotor est identique à la position de commande .

Lors de l'application d'un effort sur le rotor, par exemple par un couple de freinage, ou une charge ou un couple d'entraînement, l'angle de charge (42) augmente et n'est alors plus égal à 0°. Ceci est illustré dans les 4 figures 7a, 7b, 7c et 7d où le couple généré à courant d'alimentation égal est croissant. Lorsque cet angle de charge dépasse 90°, le couple exercé diminue et peut entraîner une perte de synchronisme entre le rotor et le champ statorique, appelé décrochage du rotor .

Le processus utilisant cet angle de charge afin de piloter le moteur est illustré dans la figure 8. Ce décalage est déterminé périodiquement, au moins une ou plusieurs fois par micropas. Si l'angle de charge (42) est constant, le calculateur garde la valeur de coefficient k constante. Si l'angle de charge (42) augmente ou diminue, le calculateur modifie la valeur du coefficient k respectivement supérieur ou inférieur afin de modifier la tension de commande (via un rapport cyclique différent) et donc l'amplitude du courant injecté dans les phases. Préférentiellement, le coefficient k est nul lorsque l'angle de charge est nul et il est maximal lorsque l'angle de charge est de 90°.

Le coefficient k peut être un coefficient proportionnel à l'angle de charge mais toutes autres fonctions mathématiques (quadratique ou autre) peuvent être envisagées.

La figure 9 représente les différentes composantes de champ magnétique mesurées par le capteur magnétique, ici les composantes X (45) et Y (46) suivant deux vecteurs orthogonaux situés dans un plan perpendiculaire à l'axe de rotation (3) entre une position (47) éloignées de la sonde et une position (48) proche de la sonde, positions séparées d ' approximativement 4 tours dans cet exemple non limitatif.

La figure 10 illustre les calculs réalisés à partir des composantes de la figure 9. Le rapport de ces deux composantes (45) et (46) permet de calculer l'angle du champ magnétique rotorique (41) par calcul d ' arctangente de ce rapport. Le signal (41) présente 4 périodes qui correspondent aux 4 tours de rotation effectués par le rotor. Le calcul de la norme du champ mesuré (49) permet d'estimer l'éloignement dudit aimant ( 7 ) par rapport à la sonde de mesure ( 8 ) . Cette distance est soit mesurée directement à l'aide de ce module de champ magnétique, soit interpolée. Dans ce dernier cas, grâce au capteur angulaire la position dans un tour est connue avec précision, et les variations d'amplitude du champ sont suffisantes pour déterminer dans quel tour le rotor (12) est situé. La position axiale du rotor le long de la vis peut donc être connue avec grande précision par l'analyse de ces deux mesures d'angle (41) et d'amplitude (49). La figure 11 représente un exemple de signaux électriques calculés par comparaison du signal de commande (40) et des valeurs angulaires (41) mesurées par le capteur. Ce graphique montre l'évolution en fonction du temps des signaux exprimés en micropas (échelle à gauche) et en couple (échelle à droite).

A partir d'une position de repos (temps initial), il est tracé dans l'exemple présenté, lors d'un déplacement dans une direction donnée contre une charge constante, l'évolution en micropas de la position statorique (40) correspondant au déplacement désiré, l'évolution en micropas de la position mesurée du rotor (41) et l'angle de charge (42) résultant de la différences des positions (40) et (41), lui aussi exprimé en micropas. Tant que l'angle de charge (42) est insuffisant pour générer un couple supérieur à la charge, aucun déplacement n'est observé au niveau du rotor. Dès que l'angle de charge atteint un seuil dépendant de la friction et de la charge (53), la vitesse du rotor se synchronise avec le champ statorique (40) avec un angle de charge approximativement constant lorsque la charge est constante. A la fin du déplacement (54), l'alimentation des bobines est coupée ou de telle sorte que le vecteur de champ statorique ne change pas, le rotor reste en position par l'irréversibilité de la transformation mécanique. L'angle de charge (42) reste à sa dernière valeur avant arrêt de l'alimentation. Un décalage résiduel (51) entre la position désirée (40) et la position réelle du rotor (41) existe, égal à l'angle de charge (42) mais celui-ci est connu et peut être compensé par modification de la commande (40) d'une valeur égale à la valeur de ce décalage résiduel (51) pour que le rotor atteigne la position désirée ( 55 ) .

La figure 12 illustre le phénomène de discrétisation induit par la mesure du capteur aux instants Tcapteur, avec au moins 4 périodes dans un micropas ( 56 ) . Ce graphique présente en degré, l'évolution des signaux (40, 41, 42) en fonction du temps.

La figure 13 illustre l'utilisation de l'angle de charge (42) pour détecter une butée mécanique lors du déplacement de 1 'actionneur . Ce graphique présente en degré, l'évolution des signaux et grandeur (40, 42, 52) en fonction du temps. Il est alors considéré que le rotor a atteint mécaniquement cette butée lorsque l'angle de charge (42) dépasse une valeur seuil (52), par exemple 100°, étant donné que le courant maximal permis est atteint. La connaissance précise de la butée mécanique est donc possible.

La figure 14 illustre les différentes valeurs de tension appliquées à chaque phase d'un moteur suivant le procédé de la présente invention. En abscisse est présenté le nombre de pas. En ordonnée est mentionnée la valeur de tension, qui est représentée en valeur de registre programmée dans le microcontrôleur et qui est utilisée pour garder constant les écarts entre la position mécanique et la position cible. Tous les pas Pi présentent une durée de pas et une amplitude An,i*k déterminée pour chaque pas. La valeur de l'amplitude de chaque pas est différente afin de constituer une fonction périodique de forme sinusoïdale de la tension de commande, dont une période est montrée ici. En fonction du contenu harmonique voulu, la forme de la sinusoïde peut changer.

Lorsque l'écart entre la position mécanique et la position cible reste constant, la valeur de tension suit l'une des courbes de la fonction périodique An,i*k, (par exemple k=0.75). Lorsque l'écart entre la position mécanique et la position cible évolue, c'est-à-dire augmente ou diminue, le microcontrôleur calcule et applique le coefficient k d'une valeur plus ou moins élevée du registre afin d'adapter le niveau de tension appliquée aux phases du moteur. Il en résulte un courant de phase plus ou moins élevé et donc un couple plus ou moins élevé du moteur pour s'adapter au décalage mesuré. La valeur de coefficient k peut sauter d'un pas à l'autre selon le calcul du microcontrôleur, par exemple, du k=0.75 au pas P5 au k=0.25 au pas P6.

Il est important de noter que la durée des pas est déterminée par la durée d'une période de la tension divisée par le nombre total des pas d'une période. Lorsque la vitesse de rotation du moteur est fixée, la largeur de durée de chaque pas est constante et identique. Lorsque la vitesse de rotation du moteur change, la largeur de durée des pas calculée et imposée par le microcontrôleur varie en fonction de la vitesse de déplacement voulue du moteur.

Il est également important de noter que chaque valeur de tension d'amplitude An,i*k est obtenue à partir d'une source de tension constante par une technique de modulation — modulation à largeur d'impulsion (MLI) - en réglant le rapport cyclique. Les enseignements dans le domaine de la MLI sont bien connus dans l'art antérieur et ne sont pas discuté dans ce texte.

La figure 15 présente la modification dynamique de contrôle permise grâce à la présente invention. Il est tracé dans l'exemple présenté, à l'ordonnée de gauche, l'évolution de la position statorique (40) et l'évolution de la position mesurée du rotor (41) en angle; à l'ordonnée de droite, la valeur de charge (53) au rotor et la valeur de k (57) en échelle normée de 0 à 1. En abscisse est présenté le nombre de pas. Les créneaux périodiques observés sont dus à la différence de définition entre les pas moteur et l'acquisition de position du rotor.

A l'instant initial, le rotor est à l'arrêt, la position statorique (40) est en zéro tout comme la valeur de k (57). A partir de cette position de repos (instant initial), une charge constante (53) de 0.3 environ (valeur normée) est appliquée. De fait de l'inertie et du jeu mécanique, le rotor reste sur la position zéro. Comme la commande est donnée au moteur d'avancer, la position statorique (40) augmente. Tant que l'angle de charge résultant de la différence des positons statorique (40) et rotor (41) est insuffisant pour générer un couple supérieur à la charge, aucun déplacement n'est observé au niveau du rotor. Il en résulte une augmentation de l'angle de charge et donc de la valeur de k (57) du pas PO jusqu'à pas P7.

Dès que l'angle de charge atteint un seuil dépendant de la friction et de la charge, la vitesse du rotor se synchronise avec le champ statorique (40) avec un angle de charge approximativement constant lorsque la charge est constante. La valeur de k reste autour d'une valeur de 0.5 (valeur normée) du pas P7 jusqu'à pas P16.

Après le pas P16, la charge a augmenté de 0.3 à 0.55 environ (valeur normée). Ainsi, l'angle de charge augmente jusqu'à atteindre une nouvelle valeur, qui correspond à une valeur moyenne de 0.7 de k. Cette valeur reste presque constante jusqu'à pas P27.

Du pas P27 jusqu'à pas P40, la charge a diminué de 0.55 à 0.17 environ. En conséquence, l'angle de charge diminue, ce qui conduit à une diminution de k jusqu'à une valeur moyenne de 0.4.

La figure 15 montre comment la commande modifie dynamiquement la valeur de k (et donc la valeur de courant moyen circulant dans le moteur) en fonction de la charge qui s'applique au rotor par la relation intrinsèque entre l'angle de charge et la valeur de k.

L'exemple de fonction de la figure 15 n'est nullement limitatif mais uniquement donné à titre d'exemple de fonctionnement en dynamique.

Durant toute cette séquence, la vitesse de la commande définie par la durée de pas de tension est toujours constante, seule la valeur de k et donc l'amplitude de pas de tension et donc l'amplitude de courant aux bobines du moteur évoluant en fonction de la charge au rotor. Minimisation de consommation électrique

L'invention concerne par ailleurs un procédé de commande d'un actionneur polyphasé selon la revendication principale permettant de diminuer la consommation de courant selon les différentes étapes suivantes :

la correction dynamique de l'angle de charge selon les enseignements généraux décrits dans la demande jusqu'à ce que l'angle de charge soit inférieur à un premier seuil fixé, typiquement 5°,

- la mise en veille du microcontrôleur et l'arrêt de l'alimentation électrique des phases du moteur, le microcontrôleur ne consommant qu'une énergie minimale en attente d'un ordre de réveil tout en continuant à mesure l'angle de charge,

-le réveil du microcontrôleur dès que l'angle de charge dépasse un deuxième seuil fixé, typiquement 80°, puis alimentation des phases du moteur afin de diminuer l'angle de charge jusqu'à atteindre le premier seuil fixé.

Estimation dynamique du jeu mécanique

L'invention concerne aussi un procédé de commande d'un actionneur polyphasé selon la revendication principale permettant d'apprendre en continu ou à volonté le jeu mécanique présent dans l' actionneur (par l'existence éventuelle d'un réducteur mécanique intercalé entre le rotor de l' actionneur et l'organe mobile de sortie) et présentant les étapes suivantes : -l'entrainement de l'organe mobile dans un premier sens de déplacement suivant plusieurs pas Pi,

-l'arrêt du déplacement et l'entrainement de l'organe mobile dans un second sens de déplacement,

-la mesure de l'angle de charge et détermination d'une valeur maximale,

-la détermination d'un jeu mécanique tel que le jeu mécanique est égal à la valeur maximale de l'angle de charge précédemment mesurée,

-la correction de l'angle de charge selon les enseignements décrits dans la demande, ladite correction prenant en compte le jeu mécanique précédemment déterminé.

Maintenance prédictive

L'invention concerne aussi un procédé de commande d'un actionneur polyphasé selon la revendication principale permettant de prédire un besoin de maintenance et présentant les étapes suivantes :

-la définition software d'une valeur seuil de jeu mécanique au-dessus duquel l' actionneur est considéré endommagé ou usé,

-l'apprentissage régulier au cours de la vie du véhicule du jeu mécanique tel que décrit ci-dessus,

-lorsque le jeu mécanique mesuré a atteint ou est supérieur à la valeur seuil définie de jeu mécanique, envoi d'une information vers l'unité de commande extérieur de 1 ' actionneur .

Adaptation dynamique de la vitesse d'accostage

L'invention concerne aussi un procédé de commande d'un actionneur polyphasé selon la revendication principale permettant de réaliser une courbe de vitesse adaptée à atteindre une extrémité de course mécanique (ou butée) à une vitesse réduite et présentant les étapes suivantes :

- la définition d'une courbe de vitesse en fonction de la position de l'organe mobile à l'intérieur de sa course,

-apprentissage régulier au cours de la vie du véhicule du jeu mécanique tel que décrit ci-dessus,

-la prise en compte dudit jeu mécanique dans la courbe de vitesse de la position en fonction de l'organe mobile afin d'assurer une vitesse d'accostage constante sur une extrémité de course de 1 'actionneur .