PROCEDE DE COMMANDE ASSOCIE

La présente invention concerne un moteur électrique à courant continu sans balai destiné notamment à des équipements de véhicule automobile.

De nombreux moteurs électriques à courant continu sans balais sont utilisés dans les équipements de véhicules automobiles notamment dans les motoréducteurs des dispositifs d'essuyage.

Les moteurs électriques à courant continu sans balai peuvent présenter de nombreux avantages comme une grande durée de vie, un encombrement et une consommation réduits.

Cependant, la commande des moteurs électriques est plus complexe par rapport aux moteurs électriques à balais car pour permettre un bon fonctionnement il est nécessaire de connaître précisément la position angulaire du rotor du moteur électrique à courant continu sans balai. En effet, de tels moteurs électriques comprennent des bobines d'excitation électromagnétique disposées au niveau du stator et alimentées alternativement via un onduleur pour permettre l'entraînement d'aimants permanents disposés sur le rotor.

Or, afin de pouvoir commuter les interrupteurs de l'onduleur et donc l'alimentation des bobines électromagnétiques à des instants optimaux pour obtenir l'entraînement désiré du rotor, il convient de connaître la position du rotor au moins par secteurs avec quelques points précis lors de la commutation d'état (en général pour une excitation trapézoïdale, six commutations à chaque tour du rotor).

Pour cela il est connu d'utiliser des capteurs à effet Hall, par exemple trois disposés à 120° pour détecter les six points précis correspondant aux commutations.

Pour un moteur six pôles, il existe aussi un montage avec deux capteurs à effet Hall rapprochés, les deux capteurs à effet Hall devant être positionnés avec un angle de 10° par rapport au centre d'un aimant de commande pour permettre une détection rapide du sens de rotation. Toutefois, un tel montage n'est souvent pas possible du fait de la taille des capteurs disponibles dans le commerce dont l'encombrement empêche d'obtenir l'angle désiré, notamment lorsque l'aimant de commande est de taille réduite. Il convient donc de trouver une solution permettant de réaliser un moteur électrique à courant continu sans balai présentant un encombrement réduit pour un coût limité.

A cet effet, la présente invention concerne un moteur électrique à courant continu sans balais comportant :

- un rotor comprenant des éléments magnétiques répartis autour du rotor formant des pôles du moteur électrique et un aimant de commande comprenant un nombre de paires de pôles égal à trois fois le nombre de paires de pôles du moteur électrique,

- un stator présentant des bobines d'excitation électromagnétique,

- au moins un premier et un deuxième capteur à effet Hall, de préférence seulement un premier et un deuxième capteur à effet Hall, lesdits capteurs à effet Hall étant configurés pour détecter des positions angulaires prédéterminées du rotor,

- une unité de commande configurée pour appliquer une séquence prédéterminée de signaux d'excitation aux bobines en fonction de la position du rotor pour entraîner le rotor en rotation,

dans lequel le premier capteur à effet Hall et le deuxième capteur à effet hall sont disposés sur un circuit imprimé et sont espacés de sorte que l'angle entre les droites passant par le centre de l'aimant de commande et respectivement le premier capteur à effet Hall et le deuxième capteur à effet Hall est supérieur ou égal à 10° et dans lequel le premier capteur à effet Hall est utilisé pour déterminer les instants de commutation des signaux d'excitation et le deuxième capteur à effet Hall est utilisé, en combinaison du premier capteur à effet Hall, pour déterminer le sens de rotation du rotor au moment du démarrage ou inversement entre le premier capteur à effet Hall et le deuxième capteur à effet Hall.

Le moteur électrique selon la présente invention peut également comprendre les aspects suivants :

- l'aimant de commande et les premier et deuxième capteurs à effet Hall sont configurés de manière à ce que les changements d'état de l'un et de l'autre desdits premier et deuxième capteurs à effet Hall se produisent respectivement avant et après l'instant de commutation des signaux d'excitation et de manière à ce que la durée entre le changement d'état de l'un des capteurs à effet Hall et l'instant de commutation des signaux d'excitation soit égale à la durée entre l'instant de commutation des signaux d'excitation et le changement d'état de l'autre des capteurs à effet Hall lorsque le rotor tourne à une vitesse constante, le capteur à effet Hall en avance par rapport à l'instant de commutation est utilisé par l'unité de commande pour déterminer les instants de commutation, le capteur à effet Hall en retard par rapport à l'instant de commutation étant utilisé, en combinaison du capteur à effet Hall en avance par rapport à l'instant de commutation, pour déterminer le sens de rotation du rotor au moment du démarrage.

- l'angle entre les droites passant par le centre de l'aimant de commande et respectivement le premier capteur à effet Hall et le deuxième capteur à effet Hall est inférieur à 19°.

- l'angle entre les droites passant par le centre de l'aimant de commande et respectivement le premier capteur à effet Hall et le deuxième capteur à effet Hall est sensiblement égal à 16°.

La présente invention concerne également un motoréducteur, notamment pour dispositif d'essuyage, comprenant :

- un moteur électrique tel que décrit précédemment.

La présente invention concerne également un procédé de commande d'un moteur électrique à courant continu sans balai, ledit moteur électrique comprenant :

- un rotor comprenant des éléments magnétiques répartis autour du rotor formant des pôles du moteur électrique et un aimant de commande comprenant un nombre de paire de pôles égal à trois fois le nombre de paire de pôles du moteur électrique,

- un stator présentant des bobines d'excitation électromagnétique,

- au moins un premier et un deuxième capteur à effet Hall, de préférence seulement un premier et un deuxième capteur à effet Hall, lesdits capteurs à effet Hall étant configurés pour détecter des positions angulaires prédéterminées du rotor,

- un circuit imprimé sur lequel sont disposés le premier et le deuxième capteur à effet hall, les deux capteurs à effet Hall étant espacés de sorte que l'angle entre les droites passant par le centre de l'aimant de commande et respectivement le premier capteur à effet Hall et le deuxième capteur à effet Hall est supérieur ou égal à 10°, le procédé comprenant :

- une étape préliminaire de détermination d'une séquence prédéterminée de signaux d'excitation à appliquer aux bobines en fonction de la position du rotor pour entraîner le rotor en rotation,

- une étape de détermination des instants de commutation des signaux d'excitation à partir du signal fourni par l'un des capteurs à effet Hall,

-une étape de détermination du sens de rotation du rotor à partir des signaux fournis par les capteurs à effet Hall,

- une étape d'application d'une séquence prédéterminée de signaux d'excitation en fonction des instants de commutation déterminés.

Selon un autre aspect de la présente invention, l'aimant de commande et les premier et deuxième capteurs à effet Hall sont configurés de manière à ce que les changements d'état desdits premier et deuxième capteurs à effet Hall se produisent respectivement avant et après l'instant de commutation des signaux d'excitation et à ce que la durée entre le changement d'état de l'un des capteurs à effet Hall et l'instant de commutation des signaux d'excitation soit égale à la durée entre l'instant de commutation des signaux d'excitation et le changement d'état de l'autre des capteurs à effet Hall lorsque le rotor tourne à une vitesse constante, les instants de commutation étant déterminés à partir du signal fourni par le capteur à effet Hall en avance par rapport à l'instant de commutation, le capteur à effet Hall en retard par rapport à l'instant de commutation étant utilisé, en combinaison du capteur à effet Hall en avance sur l'instant de commutation, pour déterminer le sens de rotation du rotor au moment du démarrage.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description suivante, donnée à titre d'exemple et sans caractère limitatif, en regard des dessins annexés sur lesquels : la figure 1 représente un schéma d'une partie d'un moteur électrique à aimant intégrés (ou encore encastrés ou enterrés) selon la présente invention,

La figure 2 représente un schéma d'un circuit d'alimentation d'un moteur électrique, la figure 3 représente un schéma des capteurs à effet Hall et de l'aimant de commande associé,

la figure 4 représente un schéma des signaux issus des capteurs à effet Hall selon une première configuration,

la figure 5 représente un schéma des signaux issus des capteurs à effet Hall selon une deuxième configuration,

la figure 6 représente un organigramme des étapes d'un procédé de commande d'un moteur électrique selon la présente invention.

Sur toutes les figures, les éléments identiques portent les mêmes numéros de référence.

Les réalisations suivantes sont des exemples. Bien que la description se réfère à un ou plusieurs modes de réalisation, ceci ne signifie pas nécessairement que chaque référence concerne le même mode de réalisation ou que les caractéristiques s'appliquent seulement à un seul mode de réalisation. De simples caractéristiques de différents modes de réalisation peuvent également être combinées ou interchangées pour fournir d'autres réalisations.

La présente invention concerne un moteur électrique à courant continu sans balais, par exemple un moteur électrique utilisé dans des équipements de véhicules automobiles comme les motoréducteurs des dispositifs d'essuyage. La présente invention concerne également un tel motoréducteur.

La figure 1 représente une vue schématique partielle d'un moteur électrique comprenant un rotor 3 monté de manière rotative autour d'un axe de rotation X et comprenant une pluralité de pôles. Ces pôles sont par exemple réalisés par des aimants permanents 5 répartis autour de l'axe de rotation X du rotor 3 et configurés pour former une alternance de pôles nord et sud.

Le moteur électrique comprend également un stator 7 comprenant une pluralité de bobines d'excitation électromagnétique 9 formant les phases du moteur électrique et dont l'alimentation permet d'entraîner le rotor 3 en rotation via l'interaction entre les bobines d'excitation électromagnétique 9 et les pôles du rotor 3.

La figure 2 représente un schéma d'un exemple de circuit d'alimentation des phases d'un moteur électrique 1. Dans le cas présent, le moteur électrique 1 comprend trois phases notées A, B et C disposées en triangle et reliées à un point milieu. Le circuit d'alimentation comprend un onduleur 10. L'onduleur 10 comprend trois branches B l, B2 et B3 disposées en parallèle et reliées aux bornes d'une source de tension 13. Chaque branche B l, B2, B3 comprend deux interrupteurs 15 disposés en série. L'ouverture et la fermeture des interrupteurs 15 sont pilotées par une unité de commande 14 correspondant par exemple à un microcontrôleur ou un microprocesseur. Les points milieux des branches B 1 , B2 et B3 sont reliées respectivement aux phases A, B et C du moteur électrique 1.

Cependant, pour permettre à l'unité de commande 14 de commuter l'ouverture et la fermeture des interrupteurs 15 de manière optimale pour permettre la mise en rotation du rotor 3 dans le sens de rotation désiré et à la vitesse désirée, il convient de connaître de manière précise la position du rotor 3 tous les 60° électriques.

Pour cela, comme représenté sur la figure 3, un premier capteur à effet Hall 17 est couplé à un aimant de commande 19 comprenant un nombre de pôles égal à trois fois le nombre de pôles du moteur électrique 1, par exemple dix -huit pôles pour un moteur électrique 1 comprenant six pôles, de sorte que les changements d'état du capteur à effet Hall 17 (passage d'un niveau haut à un niveau bas ou inversement) surviennent tous les 60° électriques (soit 20° pour un moteur électrique a six pôles).

Pour déterminer le sens de rotation du rotor 3 au moment du démarrage, un deuxième capteur à effet Hall 17' est également utilisé. Ce deuxième capteur à effet Hall 17' est par exemple couplé au même aimant de commande 19 que le premier capteur à effet Hall 17.

De plus, afin de réduire le coût et l'encombrement du moteur électrique 1, il convient d'intégrer le premier capteur à effet Hall 17 et le deuxième capteur à effet Hall 17' sur un circuit imprimé 21 ce qui limite les possibilités de positionnement des capteurs à effet Hall 17, 17' par rapport à l'aimant de commande 19.

Dans le cas d'un moteur électrique 1 comprenant six pôles, c'est-à-dire trois paires de pôles, les commutations de l'onduleur 10 doivent se produire tous les 20°. Ainsi, afin de détecter le sens de rotation du rotor 3 au démarrage, le deuxième capteur à effet Hall 17' doit être positionné de sorte que les droites D et D' perpendiculaires à l'axe de rotation X et passant respectivement par le centre du premier capteur à effet Hall 17 et le centre du deuxième capteur à effet Hall 17' forment un angle de 10°. Cela implique que la distance Da séparant les centres des deux capteurs à effet Hall 17 et 17' est donnée par l'équation suivante :

Da= 2*Dr*tan(lO/2)

avec Dr la distance entre l'axe de rotation X de l'aimant de commande 19 et le circuit imprimé 21. De plus, il faut aussi tenir compte de la taille du boîtier de protection des capteurs 17 et 17'. Les boîtiers sont par exemple de forme parallélépipédique et le capteur à effet Hall est situé au centre du parallélépipède. La largeur du boîtier est par exemple comprise entre 2 et 3 mm et la hauteur du boîtier est par exemple comprise entre 1,5 et 2,5mm. Ainsi, il est possible de déterminer la distance par laquelle doivent être séparés les deux capteurs à effet Hall 17 et 17' pour respecter un angle de 10°. Or, si cette distance est inférieure à la largeur du boîtier, ce qui est le cas lorsque l'on utilise un aimant de commande 19 de faible diamètre, l'angle de 10° ne peut être respecté. Afin de ne pas avoir à augmenter le diamètre de l'aimant de commande 19 et donc augmenter l'encombrement global du moteur électrique 1, les deux capteurs 17 et 17' sont disposés sur le circuit imprimé 21 le plus proche l'un de l'autre et le traitement des signaux est adapté en fonction de l'angle obtenu entre les deux droites D et D' passant par le centre l'aimant de commande 19 et respectivement les centres du premier capteur à effet Hall 17 et du deuxième capteur à effet Hall 17'. Cet angle est donc dans cet exemple supérieur à 10°, par exemple 14°. Dans ce cas, les capteurs à effet Hall 17, 17' et l'aimant de commande 19 sont configurés de manière à obtenir un signal en avance de phase comme décrit ci-après à partir de la figure 5.

La figure 4 représente les signaux obtenus par le premier capteur à effet Hall 17 et le deuxième capteur à effet Hall 17' dans le cas où les capteurs 17 et 17' sont positionnés de sorte que l'angle entre les deux droites D et D' passant par le centre l'aimant de commande 19 et respectivement le premier capteur à effet Hall 17 et le deuxième capteur à effet Hall 17' soit égal à 10°. Les changements d'état du premier capteur à effet Hall 17 correspondent aux instants de commutation et les changements d'état du deuxième capteur à effet Hall 17' s'opèrent à intervalles de durée égaux des changements d'état du premier capteur à effet Hall 17 lorsque le rotor 3 tourne à vitesse constante. Le deuxième capteur à effet Hall 17' est utilisé en combinaison du premier capteur à effet Hall 17 pour déterminer le sens de rotation du rotor 3. Avantageusement, on peut aussi réaliser des commutations intermédiaires pour générer des pas plus faibles et réduire davantage le bruit généré par le moteur.

Dans le cas où l'angle entre les deux droites D et D' passant par le centre l'aimant de commande 19 et respectivement le premier capteur à effet Hall 17 et le deuxième capteur à effet Hall 17' est supérieur ou égal à 10°, par exemple 14°, les capteurs à effet Hall 17 et 17' et l'aimant de commande 19 sont configurés de manière à ce que les changements d'état des capteurs à effet Hall 17 et 17' surviennent avec une avance par rapport à l'instant de commutation qui soit égale pour les deux capteurs à effet Hall 17 et 17', l'un étant en avance dans un premier sens de rotation et l'autre en avance dans le deuxième sens de rotation du rotor 3 comme représenté schématiquement sur la figure 5. Ainsi, dans cette configuration, le signal utilisé pour déterminer les instants de commutation est soit le signal issu du premier capteur à effet Hall 17 soit le signal issu du deuxième capteur à effet Hall 17' suivant le sens de rotation du rotor 3. L'autre capteur à effet Hall 17, 17', qui est en retard par rapport à l'instant de commutation, étant utilisé en combinaison du capteur à effet Hall 17, 17' utilisé pour déterminer les instants de commutation pour déterminer le sens de rotation du rotor 3.

Ainsi, une telle configuration permet d'utiliser un aimant de commande 19 de faible diamètre tout en positionnant les deux capteurs à effet Hall 17, 17' sur un circuit imprimé de manière à obtenir un moteur électrique 1 de faible encombrement. De plus, l'utilisation d'un capteur à effet Hall 17, 17' fournissant un signal en avance de phase permet d'obtenir un couple de rotation plus élevé sans nécessiter de traitement électronique des signaux transmis par les capteurs à effet Hall 17, 17'.

On observe que les deux capteurs peuvent avoir le même état ou un état différent. Des états différents indiquent que la commutation n'est pas proche, et des mêmes états indiquent que la zone de commutation est proche. Dans l'hypothèse où l'on a décalé les deux capteurs pour décaler les deux commutations, il est possible de privilégier une commutation par rapport à une autre pour déterminer le sens de rotation du moteur.

La présente invention concerne également un procédé de commande d'un moteur électrique tel que décrit précédemment. Les différentes étapes du procédé vont maintenant être décrites à partir de l'organigramme de la figure 6.

La première étape 101 concerne une étape préliminaire de détermination d'une séquence prédéterminée de signaux d'excitation à appliquer aux bobines 9 en fonction de la position du rotor 3 pour entraîner le rotor 3 en rotation. Cette détermination correspond à la détermination de la position (ouverture ou fermeture) des interrupteurs 15 de l'onduleur 10 permettant l’alimentation des bobines 9 en fonction de la position angulaire du rotor 3.

La deuxième étape 102 correspond à la détermination des instants de commutation des signaux d'excitation à partir du signal fourni par l'un des capteurs à effet Hall 17 ou 17'. Le choix du capteur à effet Hall 17, 17' pour déterminer les instants de commutation des signaux d'excitation dépend par exemple du sens de rotation du rotor 3. Dans un tel cas, il est possible d'utiliser un capteur à effet Hall pour déterminer la position du moteur et l'autre capteur à effet Hall pour déterminer le sens de rotation du rotor.

L'étape 103 correspond à la détermination du sens de rotation du rotor 3 à partir des signaux fournis par les deux capteurs à effet Hall 17 et 17'.

L'étape 104 concerne l'application de la séquence de signaux d'excitation déterminée lors de l'étape 101 en fonction des instants de commutation déterminés de l'étape 102.

En utilisant une position des capteurs à effet Hall dans laquelle l'angle entre les deux droites D et D' passant par le centre l'aimant de commande 19 et respectivement le premier capteur à effet Hall 17 et le deuxième capteur à effet Hall 17' est supérieur ou égal à 10° telle que décrite précédemment, on obtient un signal en avance de phase conduisant à un couple de rotation plus élevé. Cette avance de phase est obtenue sans nécessiter de traitement électronique des signaux transmis par les capteurs à effet Hall 17, 17'.