TITRE : BOITIER PAPILLON A COMMANDE COMPENSEE

[Domaine technique]

[0001] La présente invention concerne le domaine technique des machines à moteur thermique et plus particulièrement un calculateur et un procédé de commande d’un moteur électrique de contrôle de l’ouverture d’un papillon d’admission d’air dans un moteur thermique. L’invention vise notamment à améliorer la précision du contrôle du papillon d’admission d’air.

[Etat de la technique antérieure]

[0002] Certaines machines ou certains véhicules à moteur thermique comportent un boîtier dit « papillon » qui permet de contrôler l’admission d’air dans le ou les cylindres dudit moteur thermique. Par exemple, tel est le cas de certains tracteurs-tondeuses, de certains générateurs de courant électrique à moteur thermique ou de certaines motocyclettes.

[0003] De manière connue, un boîtier papillon comporte un papillon monté sur un axe de rotation, un moteur électrique permettant de commander l’ouverture ou la fermeture du papillon, un capteur permettant de déterminer la position du papillon et une unité de contrôle électronique permettant de recevoir les valeurs de position mesurées par le capteur et de commander le moteur électrique pour qu’il ouvre ou ferme le papillon en fonction de la position dudit papillon et d’une valeur de volume d’air à admettre dans le ou les cylindres du moteur thermique. La commande du moteur électrique est par exemple réalisée à l’aide de signaux de type modulation en largeur d’impulsion (Pulse-Width Modulation ou PWM).

[0004] Dans certains boîtiers papillon utilisés de nos jours, le moteur électrique à courant continu comporte un rotor de forme cylindrique et comportant des lamelles électromagnétiques hélicoïdales. Un tel moteur est efficace mais s’avère notablement onéreux à fabriquer.

[0005] Afin de remédier au moins en partie à cet inconvénient, il est connu d’utiliser un moteur électrique à courant continu comportant un rotor de forme cylindrique comportant des supports s’étendant sur la hauteur du cylindre. Une bobine électromagnétique est enroulée sur chaque support et les supports sont séparés deux à deux par une rainure, un tel agencement permettant de réduire les coûts de fabrication du moteur électrique. [0006] Cependant, dans ce type de moteur électrique, on a constaté que les rainures du cylindre génèrent un couple parasite, connu sous le nom de « cogging torque », qui perturbe les signaux de contrôle et peuvent entrainer une position erronée du papillon et donc l’admission d’un mauvais volume d’air dans le moteur thermique. Plus précisément, le couple parasité diminue ou augmente la valeur du signal de courant de commande du moteur électrique, ce qui conduit à actionner le papillon de manière insuffisante ou trop importante. Ce phénomène est par exemple décrit dans le document LIS2011147028A1 qui ne concerne toutefois pas un boîtier papillon mais uniquement la commande d’un moteur électrique à courant continu. Le document LIS2011147028A1 précise que le couple parasite varie de manière oscillatoire selon une période prédéfinie. Pour contrer ce phénomène de couple parasite, le document US2011147028A1 décrit un asservissement basé sur un correcteur de type PID (Proportionnel, Intégral, Dérivé) et l’utilisation de transformées de Fourier. Un tel asservissement nécessitant des calculs importants du fait notamment de l’utilisation de transformées de Fourier, il s’avère particulièrement lent et inadapté pour être mis en œuvre par une unité de contrôle électronique de boîtier papillon dont les capacités de traitement sont limitées pour des raisons de coût notamment.

[0007] Il existe donc le besoin d’une solution permettant de remédier au moins en partie à ces inconvénients.

[Exposé de l’invention]

[0008] A cette fin, l’invention concerne tout d’abord un boîtier papillon pour machine à moteur thermique, ledit boîtier papillon comprenant un canal de circulation d’air, un papillon monté sur un axe de rotation dans ledit canal de circulation d’air, un moteur électrique à courant continu apte à commander l’ouverture ou la fermeture du papillon via un train d’engrenages et comprenant un rotor caractérisé par un couple parasite variant de manière oscillatoire selon une période prédéfinie lorsqu’il est entrainé en rotation et par une valeur de correction d’angle de papillon prédéterminée correspondant à la valeur d’angle qu’il faut apporter à la position réelle du papillon pour compenser en moyenne le couple parasite, un capteur de position apte à mesurer la position dudit papillon, et une unité de contrôle électronique apte à :

- recevoir les valeurs de position du papillon mesurées par le capteur,

- calculer une valeur d’angle de compensation du papillon comprise entre zéro et la valeur de la période prédéfinie du couple parasite à partir de l’angle d’ouverture du papillon mesuré, de la valeur de période prédéfinie du couple parasite et de la valeur de correction d’angle de papillon prédéterminée, - déterminer une valeur d’un signal de commande du moteur électrique à partir d’une table de correspondance prédéterminée et de la valeur d’angle de compensation du papillon calculée,

- commander le moteur électrique à partir de la valeur de signal de commande déterminée.

[0009] Le boîtier papillon selon l’invention permet donc de calculer et d’appliquer instantanément une valeur de signal de commande compensée tenant compte du couple parasite selon la position du papillon. L’utilisation d’une table de correspondance réduit significativement le nombre de calculs par rapport à la solution d’asservissement de l’art antérieur citée ci-avant et permet d’avoir une compensation rapide et efficace du signal de commande en fonction de la position du papillon. Ainsi, le boîtier papillon constitue une solution simple, fiable, efficace et à faible coût qui peut être utilisée dans des machines ou véhicules à moteur thermique de type tracteur, tondeuse, générateur d’électricité ou motocyclette.

[0010] Selon un aspect de l’invention, l’unité de contrôle électronique comprend une zone mémoire et est apte à commander la rotation du rotor du moteur électrique pendant une pluralité de tours, à identifier et enregistrer dans sa zone mémoire la position du papillon qui correspond à la valeur maximum du signal de commande envoyé au moteur électrique et à calculer la moyenne des valeurs de position enregistrées qui correspond alors à la valeur de correction d’angle de papillon.

[0011] Avantageusement, l’unité de contrôle électronique est apte à supprimer les valeurs maximum et minimum de position avant de calculer la moyenne des valeurs de position enregistrées afin d’améliorer la précision de l’utilisation de la valeur de correction d’angle de papillon.

[0012] Avantageusement encore, l’unité de contrôle électronique est apte à commander le moteur électrique à partir d’un signal modulé en largeur d’impulsion qui est un type de signal efficace pour commander un moteur électrique à courant continu.

[0013] L’invention concerne également une machine à moteur thermique comprenant un boîtier papillon tel que décrit précédemment.

[0014] Selon un aspect de l’invention, la machine est un véhicule de type tracteur, une tondeuse, un générateur d’électricité à moteur thermique ou un véhicule de type motocyclette.

[0015] L’invention concerne également un procédé de commande d’un moteur électrique à courant continu de boîtier papillon tel que décrit précédemment, d’une machine à moteur thermique, ledit moteur électrique étant caractérisé par un couple parasite variant de manière oscillatoire selon une période prédéfinie et par une valeur de correction d’angle de papillon prédéterminée, le procédé comprenant les étapes de :

- mesure de l’angle d’ouverture du papillon par le capteur,

- calcul, par l’unité de contrôle électronique, d’une valeur d’angle de compensation du papillon comprise entre zéro et la valeur de la période prédéfinie du couple parasite à partir de l’angle d’ouverture du papillon mesuré, de la valeur de période prédéfinie du couple parasite et de la valeur de correction d’angle de papillon prédéterminée,

- détermination, par l’unité de contrôle électronique, d’une valeur d’un signal de commande du moteur électrique à partir d’une table de correspondance prédéterminée et de la valeur d’angle de compensation du papillon calculée,

- commande, par l’unité de contrôle électronique, du moteur électrique à partir de la valeur de signal de commande déterminée.

[0016] Selon un aspect de l’invention, le procédé comprend en outre une étape préliminaire de commande de la rotation du rotor du moteur électrique pendant une pluralité de tours, d’identification et d’enregistrement de la position du papillon qui correspond à la valeur maximum du signal de commande envoyé au moteur électrique et de calcul de la moyenne des valeurs de position enregistrées qui correspond alors à la valeur de correction d’angle de papillon.

[0017] De préférence, les valeurs maximum et minimum de position sont retirées avant le calcul de la moyenne afin d’améliorer la précision de l’utilisation de la valeur de correction d’angle de papillon.

[0018] De préférence encore, l’unité de contrôle électronique commande le moteur électrique à partir d’un signal modulé en largeur d’impulsion qui est un type de signal efficace pour commander un moteur électrique à courant continu.

[0019] L’invention concerne également un produit programme d’ordinateur comprenant un ensemble d’instructions de code de programme enregistrées sur un support lisible par une unité de contrôle électronique pour mettre en œuvre un procédé tel que présenté précédemment lorsque ledit programme fonctionne sur l’unité de contrôle électronique.

[Description des dessins]

[0020] D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront encore à la lecture de la description qui va suivre. Celle-ci est purement illustrative et doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels : [Fig. 1] La figure 1 illustre schématiquement une forme de réalisation du boîtier papillon selon l’invention.

[Fig. 2] La figure 2 est un exemple de circuit permettant la mise en œuvre de l’invention.

[Fig. 3] La figure 3 illustre un mode de réalisation du procédé selon l’invention.

[Fig. 4] La figure 4 est un exemple de signal de commande bruité par un couple parasite de moteur électrique de boîtier papillon.

[Description des modes de réalisation]

[0021] Le boîtier papillon selon l’invention est destiné à être monté dans une machine à moteur thermique, par exemple un véhicule de type tracteur, une tondeuse, un générateur de courant électrique à moteur thermique ou un véhicule de type motocyclette.

[0022] On a représenté à la figure 1 un exemple de boîtier papillon 1 selon l’invention.

[0023] Le boîtier papillon 1 comprend un canal de circulation d’air 5, un papillon 10, un moteur électrique 20 à courant continu, un capteur 30 de position, et une unité de contrôle électronique 40.

[0024] Le papillon 10 est monté sur un axe de rotation X dans le canal de circulation d’air 5 afin de pouvoir être déplacé entre une position fermée d’obturation dudit canal de circulation d’air et une pluralité de positions ouvertes caractérisée chacune par un angle d’ouverture. Par convention, un angle d’ouverture nul correspond à la position fermée.

[0025] Le moteur électrique 20 est apte à commander l’ouverture ou la fermeture du papillon 10 via un train d’engrenage (non représenté) de manière connue en soi. Le moteur électrique 20 comporte un rotor 21 qui est caractérisé par un couple parasite variant de manière oscillatoire selon une période prédéfinie lorsqu’il est entrainé en rotation et par une valeur de correction d’angle de papillon prédéterminée. La période prédéfinie dépend du design du moteur (nombre de pôles) et du rapport de transmission des trains d’engrenage. La période prédéfinie peut être mesurée par exemple en usine ou en laboratoire.

[0026] La valeur de correction d’angle de papillon correspond à la valeur d’angle qu’il faut apporter à la position réelle du papillon pour compenser en moyenne le couple parasite. Autrement dit, la valeur de correction d’angle de papillon permet de compenser l’erreur moyenne générée par le couple parasite sur la position du papillon mais ne permet pas de compenser l’erreur instantanée provoquée par le couple parasite sur la commande du moteur électrique 20. La valeur de correction d’angle de papillon est une valeur fixe qui peut être calculée lors d’une étape préliminaire afin de compenser la commande du moteur électrique 20, comme cela sera décrit ci-après.

[0027] Le capteur 30 est apte à mesurer la position du papillon 10, c’est-à-dire l’angle d’ouverture du papillon 10, et à fournir les valeurs de position mesurées à l’unité de contrôle électronique 40.

[0028] L’unité de contrôle électronique 40 est apte à recevoir les valeurs de position du papillon 10 mesurées par le capteur 30 et à commander le moteur électrique 20 pour qu’il ouvre ou ferme le papillon 10 en fonction de la position dudit papillon 10 et d’une valeur de volume d’air à admettre dans le ou les cylindres du moteur thermique de la machine. La commande du moteur électrique 20 est par exemple réalisée à l’aide de signaux de type modulation en largeur d’impulsion (Pulse-Width Modulation ou PWM). Lorsque l’unité de contrôle électronique 40 commande le moteur électrique 20 à valeur de position constante (merci de confirmer), le signal PWM de commande reçu et appliquée par le moteur électrique 20 sur le rotor 21, qui correspond à la commande nécessaire au maintien du papillon 10 dans une position fixe, présente en réalité des variations générées par le couple parasite entre un maximum et un minimum à chaque tour de rotation du rotor 21, comme illustré par exemple sur la figure 4 pour cinq période prédéfinie de couple parasite du rotor 21.

[0029] Selon l’invention, l’unité de contrôle électronique 40 est apte à calculer une valeur d’angle de compensation du papillon 10 comprise entre zéro et la valeur de la période prédéfinie du couple parasite à partir de l’angle d’ouverture du papillon 10 mesuré, de la valeur de période prédéfinie du couple parasite et de la valeur de correction d’angle de papillon 10 prédéterminée. L’unité de contrôle électronique 40 est apte à déterminer une valeur d’un signal de commande du moteur électrique 20 à partir d’une table de correspondance prédéterminée et de la valeur d’angle de compensation du papillon 10 calculée et à commander le moteur électrique 20 à partir de la valeur de signal de commande déterminée. La table de correspondance est déterminée préalablement, par exemple en usine ou en laboratoire et comprend une pluralité de valeurs d’angle de compensation du papillon 10 prédéterminées et une pluralité de valeurs de signal de commande prédéterminées, chaque valeur d’angle de compensation du papillon 10 prédéterminée correspondant à une valeur de signal de commande prédéterminée. La table de correspondance peut comprendre seulement quelques valeurs d’angle de compensation du papillon 10 prédéterminées et de signal de commande prédéterminées ou bien plusieurs dizaines voire centaines de valeurs d’angle de compensation du papillon 10 prédéterminées et de signal de commande prédéterminées. [0030] L’unité de contrôle électronique 40 comprend un processeur 41 et une zone mémoire 42. Le processeur 41 est apte à mettre en œuvre un ensemble d’instructions, stockées dans la zone mémoire 42, permettant de réaliser ces différentes fonctions.

[0031] On a représenté à la figure 2 un exemple de circuit permettant de mettre en œuvre l’invention. Ce circuit comporte une partie de type contrôleur PID 100 et un module de compensation 200. Le contrôleur PID 100 est connu en soi et ne sera pas davantage détaillé ici.

[0032] Dans cet exemple, le module de compensation 200 remplit plusieurs fonctions de l’unité de contrôle électronique 40 décrite ci-avant.

[0033] Le module de compensation 200 comprend une unité k configurée pour stocker et fournir la valeur de correction d’angle de papillon 10 prédéterminée.

[0034] Le module de compensation 200 comprend un soustracteur 210 permettant de soustraire la valeur de correction d’angle de papillon 10 prédéterminée à la valeur d’angle d’ouverture du papillon 10 mesuré, reçue du contrôleur PID 100.

[0035] Le module de compensation 200 comprend une unité MOD configurée pour calculer une valeur d’angle de compensation du papillon 10 comprise entre zéro et la valeur de la période prédéfinie du couple parasite à partir de la valeur de période prédéfinie du couple parasite et de la valeur fournie par le soustracteur 210.

[0036] Le module de compensation 200 comprend également une unité de détermination 220 configurée pour déterminer la valeur d’un signal de commande du moteur électrique 20 à partir d’une table de correspondance prédéterminée et de la valeur d’angle de compensation du papillon 10 calculée, fournie par l’unité MOD, et à fournir la valeur du signal déterminée au contrôleur PID 100 pour commander le moteur électrique 20.

[0037] L’invention va maintenant être décrite dans sa mise en œuvre en référence aux figures 3 et 4.

[0038] Dans une étape E0 préliminaire, l’unité de contrôle électronique 40 détermine la valeur de correction d’angle de papillon 10. Pour se faire, l’unité de contrôle électronique 40 commande tout d’abord la rotation lente du rotor du moteur électrique 20 pendant quelques tours, par exemple cinq tours dans l’exemple de la figure 4. A chaque rotation lente du rotor 21, le capteur 30 mesure la position du papillon 10 et l’unité de contrôle électronique 40 identifie et enregistre dans sa zone mémoire 42 la position du papillon 10 qui correspond à la valeur maximum du signal de commande envoyé au moteur électrique 20. Au bout de cinq tours, l’unité de contrôle électronique 40 interrompt la commande du moteur électrique 20, supprime la valeur maximale et la valeur minimale des cinq valeurs de position mesurées modulo la période prédéfinie et calcule la moyenne des trois valeurs de position restantes afin d’obtenir la valeur de correction d’angle de papillon 10. Une fois déterminée, par exemple en usine ou en laboratoire, la valeur de correction d’angle de papillon 10 est stockée dans la zone mémoire 42 de l’unité de contrôle électronique 40.

[0039] Ultérieurement, à chaque fonctionnement du moteur thermique de la machine, l’unité de contrôle électronique 40 met en œuvre les étapes suivantes.

[0040] Tout d’abord, dans une étape E1, le capteur 30 mesure l’angle d’ouverture du papillon 10.

[0041] Ensuite, dans une étape E2, l’unité de contrôle électronique 40 calcule une valeur d’angle de compensation du papillon 10 comprise entre zéro et la valeur de la période prédéfinie du couple parasite à partir de l’angle d’ouverture du papillon mesuré, de la valeur de période prédéfinie du couple parasite et de la valeur de correction d’angle de papillon prédéterminée.

[0042] Ensuite, dans une étape E3, l’unité de contrôle électronique 40 détermine une valeur d’un signal de commande du moteur électrique 20 à partir de la table de correspondance prédéterminée et de la valeur d’angle de compensation du papillon calculée.

[0043] Enfin, dans une étape E4, l’unité de contrôle électronique 40 commande le moteur électrique 20 à partir de la valeur de signal de commande déterminée afin de compenser en temps réel et de manière instantanée les effets du couple parasite.

[0044] Un exemple numérique va maintenant être donné afin d’expliciter davantage la mise en œuvre du procédé selon l’invention.

[0045] Dans cet exemple, la période prédéfinie du signal de commande parasité est de 3,2403°. Le processeur 41 de l’unité de contrôle électronique 40 traite les données sous forme de bits et les valeurs de position du papillon (en degrés) sont codées sur une plage de 512 bits pour une période du signal de commande parasité. La table de correspondance comporte neuf index : 0, 32, 64, 96, 128, 160, 192, 224 et 256, chaque index étant associé à une valeur de signal de commande prédéterminée.

[0046] En référence à la figure 4, la mesure des maximas pour les cinq rotations du rotor 21 conduisent aux valeurs suivantes :

[0047] [Table 1]

[0048] La valeur maximale de position du maximum modulo la période prédéfinie est de 0,42. La valeur minimale de position du maximum modulo la période prédéfinie est de 0,04. L’unité de contrôle électronique 40 calcule alors la moyenne des autres valeurs (0,15 ; 0,18 ; et 0,31°), soit 0,21° pour une période prédéfinie, qui constitue la valeur de correction d’angle de papillon 10 (étape E0) appelée ici TPS_cog_corr.

[0049] En fonctionnement du moteur thermique de la machine, l’unité de contrôle électronique 40 mesure l’angle d’ouverture du papillon 10 (étape E1).

[0050] Ensuite, l’unité de contrôle électronique 40 calcule une valeur d’angle de compensation VAC du papillon 10 comprise entre zéro et la valeur de la période prédéfinie du couple parasite à partir de l’angle d’ouverture du papillon TPS mesuré, de la valeur de période prédéfinie PP du couple parasite et de la valeur de correction d’angle de papillon TPS_cog_corr prédéterminée : VAC = (TPS + PP - TPS_cog_corr) x FC modulo la période prédéfinie, où FC représente un facteur permettant de transformer la valeur d’angle de compensation VAC en une valeur équivalente en bits exploitable par le processeur 41.

[0051] Par exemple pour un angle d’ouverture du papillon TPS de 10°, soit 10 x 512 = 5120 (avec une résolution du capteur de mesure de l’angle d’ouverture du papillon TPS de 1/512°), une valeur de FC de 20225 et une période prédéfinie PP de 3,2403° et on a : VAC = (5120 + 3,2403x512 - 0,21x512) x 20225 = X.

[0052] La multiplication par le facteur FC permet d’obtenir un résultat sur quatre octets.

[0053] Ensuite, dans une étape E3, l’unité de contrôle électronique 40 détermine une valeur d’un signal de commande du moteur électrique 20 à partir de la table de correspondance prédéterminée et de la valeur d’angle de compensation du papillon calculée. Pour se faire, l’unité de contrôle électronique 40 lit le deuxième des quatre octets en partant de la droite : les trois premiers bits représentent l’index de la table de correspondance et les cinq derniers bits représentent la fraction décimale de la valeur d’angle de compensation du papillon calculée. [0054] Par exemple, si les trois premiers bits indiquent l’index 160, l’unité de contrôle électronique 40 lit la valeur de signal de commande VSC correspondant à l’index 160 dans la table de correspondance et ajoute une fraction de valeur de signal de commande équivalent à la fraction décimale de la valeur d’angle de compensation du papillon calculée (cinq derniers bits) pour obtenir la valeur de signal de commande à appliquer au moteur électrique 20 à l’étape E4 afin de compenser efficacement et instantanément le couple parasite en fonction de la position du papillon 10.