Brevet FR2713386A1 — publié le 19950609

PROCEDE ET CIRCUIT DE COMMANDE PERMETTANT L'APPLICATION D'UN ELECTRO-AIMANT EN ACTIONNEUR A FORCE CONSTANTE ET EN CAPTEUR DE POSITION ET DE VITESSE. La présente invention concerne les électro-aimants, les circuits électriques associés et leur utilisation en éléments d'actionnement ou en capteur de position. L'homme de l'art connaît de multiples applications au principe de ltélectro-aimant: par exemple les électro-aimants de levage, d'actionnement, de relais, etc... La plupart de ces électro-aimants sont composés de deux, ou plus, éléments magnétiques mobiles les uns par rapport aux autres, ces éléments constituant le circuit magnétique et l'espace variable les séparant constituant l'entrefer. Un ou plusieurs bobinages d'excitation entourant en partie les éléments magnétiques créent un champ magnétique dans 11 entrefer lorsqu'ils sont parcourus par un courant électrique. n en résulte une force d'attraction tendant à rapprocher les uns des autres les éléments magnétiques, selon le principe dit de "la réluctance minimale". A courant constant dans les bobinages, cette force varie considérablement en fonction de la valeur de l'entrefer, ce qui peut être gênant dans de nombreuses applications. La demande de brevet FR 2 005 216 propose de réduire cet inconvénient grâce à une conformation spéciale de l'armature, mais la correction apportée n'est qu'approximative. n est par ailleurs souhaitable de disposer d'un moyen simple de connaître la position relative des circuits magnétiques, que ce soit pendant leur mouvement ou à l'arrêt, réalisant ainsi la fonction de capteur de position instantanée. Parmi les types existants de capteurs de position, certains capteurs inductifs ont une structure qualifiable d'électro-aimant. Toutefois l'information de position ne peut être obtenue simplement par conversion ou calcul. Certains capteurs inductifs de position demandent par exemple à être insérés dans un circuit oscillant, et c'est la fréquence de celui-ci qui est représentative de la position. Ou bien le circuit oscillant est amorti de façon proportionnelle à la position, et c'est alors l'amplitude de l'oscillation qui est représentative de la position. Ainsi la mesure de celle-ci n'est pas déduite directement des paramètres de fonctionnement de l'électro-aimant, mais nécessite un processus de conversion secondaire. De plus il n'existe pas à ce jour de procédé simple permettant à un électro-aimant de réaliser simultanément les fonctions d'actionneur et de capteur de position. C'est pourquoi l'invention a pour but un procédé de commande d'un électro-aimant tel que celui-ci produise une force constante indépendante dans une large mesure de la valeur de son entrefer et tel qu'une simple conversion de ses paramètres de fonctionnement permette de déduire la valeur instantanée de cet entrefer. Ce problème est résolu en faisant suivre à l'électro-aimant trois étapes consécutives comprenant une étape d'initialisation, une étape d'exploitation et une étape de désactivation, l'étape d'initialisation consistant à appliquer aux bornes du bobinage de I'électro-aimant une première tension de valeur (U1) connue précisément et de la maintenir soit jusqu'à ce que le courant dans le bobinage ou le champ magnétique dans l'entrefer ait atteint une valeur de consigne, soit pendant une durée (T1) calculée précisément, 1' étape d'exploitation consistant à maintenir constante la valeur du champ magnétique dans l'entrefer en appliquant aux bornes du bobinage une deuxième tension (U2) de valeur faible comparativement à la première tension (U1), l'étape de désactivation consistant à appliquer au bobinage une troisième tension (U3) de polarité inverse de celle de (U1) jusqu'à ce que le courant dans le bobinage ait atteint une valeur quasiment nulle ou jusqu'à ce qu'une nouvelle étape d'initialisation soit décidée. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront avec la description qui va suivre de certains de ses modes de réalisation donnés à titre d'exemples non limitatifs, en référence aux dessins ci-annexés sur lesquels: - La figure 1 représente un exemple simplifié d'électro-aimant. - La figure 2 est une vue en coupe de la figure 1 selon l'axe K-L. - La figure 3 propose un circuit permettant le contrôle du bobinage d'un électro-aimant selon le procédé de l'invention. - La figure 4 propose une amélioration du circuit précédent pour réduire la dérive du champ magnétique. Pour des raisons de simplicité, nous supposerons dans la suite de cet exposé que l'électro-aimant à commander ne comporte que trois parties: un élément magnétique fixe communément nommé la culasse (ou noyau), un élément mobile communément nommé l'armature, un intervalle variable séparant la culasse et l'armature, communément nommé l'entrefer. Le bobinage est d'ordinaire en une seule partie entourant le circuit magnétique de la culasse mais il peut aussi être fractionné en de multiples parties, dont certaines peuvent entourer le circuit magnétique de l'armature. De même, quand l'entrefer est fractionné, ses différentes parties ont d'ordinaire la même surface de section, mais quelques applica tions tirent profit de surfaces différentes. L'homme de l'art comprendra que le principe de l'invention s'applique aussi à des électro-aimants comportant de multiples parties mobiles et plusieurs entrefers de diverses sections. Pour faciliter la compréhension de l'invention, il convient de rappeler les termes techniques inhérents aux électro-aimants et les formules de calcul les plus courantes. Les figures 1 et 2 représentent un électroaimant comportant une culasse (1) et une armature (2) de sections constantes et égales à (S), un entrefer électrique (E) constitué de la somme de deux intervalles physiques (El) et (E2) et un bobinage (3) d'extrémités (A) et (B) parcouru par un courant (I) et entourant la culasse avec un total de (N) spires. Le circuit magnétique présente un périmètre moyen (P), qui n'inclut pas (E), et offre une perméabilité relative (MUF) à la valeur de travail (BT) du champ magnétique dans l'entrefer. L'entrefer présente une perméabilité absolue qu'on supposera ici égale à celle du vide, (MUV), et une section (S). Cette section devrait en fait être multipliée par un facteur de correction (KE) pour tenir compte de l'épanouissement visible sur la figure 1 du tube d'induction aux abords de l'entrefer, cet épanouissement étant toutefois négligeable pour un entrefer très faible. Dans une approximation simple, le champ magnétique (BT) est produit par le courant (I) selon la relation 1 suivante: (BT) = (MUV) * (N) * (I) I { ((P) I (MUF)J + (E) } Rappelons aussi la loi d'induction électromagnétique découverte par Michael FARADAY (relation 2): (U) = - (N) * (KE) * (S) * (dB/dt), (U) étant la valeur instantanée de la Force Electro-Motrice d'induction dans le bobinage et (dB/dt) représentant le gradient temporel du champ magnétique dans l'entrefer (on parlera désormais de FEM d'induction par opposition aux tensions statiques dans le circuit). Rappelons que (dB/dt) a deux composantes, l'une due aux variations temporelles du courant (I), l'autre due aux variations temporelles de l'entrefer. Enfin, la force d'attraction (F) entre les deux parties de circuit magnétique suit la relation 3 suivante: (F) = (BT)2 * (S) * (KE) * 107 / 811 ETAPE D'INITIALISATION. Le but de cette étape est de faire croître en partant d'une valeur initiale (BTO) le champ magnétique dans l'entrefer jusqu'à sa valeur de travail (BT). Pour ce faire une première tension (U1) est appliquée aux bornes du bobinage et elle crée un gradient positif du champ magnétique dans l'entrefer suivant la relation 2. Trois méthodes sont possibles pour décider de l'interruption de cette étape. Si l'on dispose d'un capteur mesurant le champ magnétique dans l'entrefer, il suffit d'interrompre l'application de (U1) dès que le champ magnétique a atteint la valeur désirée (BT). Si on ne dispose pas de capteur de champ magnétique et que la chute de tension ohmique due à la résistance du bobinage est faible devant U1 pendant la croissance du courant, il suffit de maintenir la tension U1 pendant une durée (T1) calculée précisément en intégrant la relation 2 et en supposant KE pratiquement constant: (T1) = (N) * (KE) * (S) * ((BT) - (BTO)J / (U1) On s'aperçoit que la valeur de (T1) est quasiment indépendante de la position initiale de l'armature, dans la mesure où le facteur de correction (KE) dépend peu de la valeur de l'entrefer. Notons toutefois que même cette dépendance peut être compensée si l'on connaît approximativement la valeur initiale de l'entrefer. De même les courants de FOU CAULT et les pertes par hystérésis n'ont quasiment aucune influence sur la précision de cette méthode. ll est toutefois préférable que (U1) soit connue précisément (éventuellement par une mesure précédant l'étape d'initialisation) et que la durée (T1) soit générée en conséquence. Une troisième méthode ne nécessite pas de connaître précisément (U1) ni de générer (T1), par contre elle n'est applicable que si les paramètres comme la position initiale, l'inertie et la charge mécanique de l'armature, les courants de FOUCAULT et les pertes par hystérésis sont connus précisément, ainsi que leurs variations en fonction de la température et du temps. Elle consiste à appliquer la tension (U1) aux bornes du bobinage jusqu'à ce que le courant dans celui-ci atteigne une valeur de consigne, celle-ci étant modifiée en fonction de l'évolution des différents paramètres affectant le comportement de l'armature. Une première approximation de la valeur de consigne (I) peut être déduite de la relation 1 puis doit être corrigée en fonction principalement des courants induits et de la mise en mouvement de l'armature. De précision relativement faible, cette méthode est avantagée par sa simplicité de réalisation. n est important de noter que, au tout début de cette étape, avant que l'armature n'ait pu se déplacer de façon notable, le bobinage se comporte comme une inductance pure. Ainsi, le gradient temporel du courant dans le bobinage est proportionnel à la tension d'alimentation et à la valeur de l'entrefer initial. On peut donc, connaissant la valeur de la tension d'alimentation, déduire la position initiale de l'armature de la mesure du gradient temporel du courant dans le bobinage. ETAPE D'EXPLOITATION. Le but de cette étape est de maintenir aussi constante que possible la valeur (BT) du champ magnétique dans l'entrefer, et, par extension, de maintenir quasiment constante la force d'attraction sur l'armature précisée par la relation 3, ceci quelle que soit la position acquise par l'armature. Une extrapolation de la relation 2 montre qu'il suffit annuler la FEM d'induction (U) appliquée au bobinage pour annuler tout gradient de champ magnétique. Tout échange d'énergie avec la source de tension extérieure étant alors interdit, il ne subsiste qu'un échange d'énergie entre l'énergie magnétique stockée dans l'entrefer et l'énergie mécanique fournie à l'armature. On montre que dans ces conditions la valeur du champ magnétique dans l'entrefer reste quasiment constante. n est en réalité difficile d'annuler exactement cette FEM d'induction (U), sachant que la différence de potentiel aux bornes du bobinage est la somme de cette FEM d'induction et de la chute de tension résistive à l'intérieur même du bobinage. Une annulation presque parfaite demanderait une compensation précise de cette chute de tension résistive dans toute la gamme de température de travail de l'électro-aimant, ce qui sera proposé dans la suite de cette description. Toutefois dans la plupart des cas une simple approximation de l'annulation de la FEM (U) est suffisante, en appliquant aux bornes du bobinage une deuxième tension (U2) de valeur nettement plus faible que (U1). On s'attend alors à ce que le champ magnétique (BT) subisse une certaine dérive dans le temps et l'étape d'exploitation devra être interrompue dès que cette dérive sera jugée excessive. n est très intéressant de constater que comme à cette étape le champ magnétique (BT) reste constant, le courant (I) ne dépend quasiment plus que de la valeur instantanée (E) de l'entrefer, suivant une extrapolation de la relation 1: (I) = (BT) * { ((P) / (MUF)J + (E) )/ t (MUV) * (N) 1 La position de l'armature peut donc facilement se déduire du courant (I), par une simple conversion, cette conversion pouvant même être affinée pour tenir compte des effets d'épanouissement du champ magnétique aux bords de l'entrefer. La vitesse de l'armature est déduite quantà-elle de la dérivée du courant (I). ETAPE DE DESACTIVATION. Le but de cette étape est de revenir à des conditions initiales connues précisément, la condition initiale la plus simple étant en l'occurrence un champ magnétique (BT) quasiment nul (sauf si une étape d'initialisation est décidée abruptement). n suffit d'appliquer aux bornes du bobinage une tension (U3) de polarité inverse de celle de (U1) jusqu'à ce que le courant dans le bobinage avoisine zéro (ou jusqu'à ce qu'une nouvelle étape d'initialisation soit décidée). La plupart des montages réalisent cette fonction avec un dispositif de récupération selfique automatique dans la tension d'alimentation. Un exemple d'un tel dispositif sera donné dans la suite de cette description. La figure 3 propose un circuit électronique permettant d'effectuer le procédé selon l'invention: l'extrémité (A) du bobinage (3) de l'électro- aimant est reliée d'une part à une première source de tension (V1) par l'intermédiaire d'un premier interrupteur (4) et d'autre part à la cathode d'une première diode (7) dont l'anode est connectée à une deuxième source de tension (V2) et l'extrémité (B) du bobinage est reliée d'une part à l'anode d'une deuxième diode (6) dont la cathode est connectée à une troisième source de tension (V3) et d'autre part à un point (C) par l'intermédiaire d'un deuxième interrupteur (5), le point (C) étant relié à la masse (ou référence de tension) directement ou par l'intermédiaire d'une résistance (8) de mesure du courant dans le bobinage. La source de tension (V2) est générée par un module optionnel (9) prélevant la différence de potentiel aux bornes (A) et (B) du bobinage et mesurant le courant de celui-ci. Dans la plupart des cas la source de tension (V2) est issue de la masse ou d'un potentiel continu et les sources de tension (V1) et (V3) sont confondues. Le rôle de la résistance (8) étant de mesurer le courant dans le bobinage, elle pourrait évidemment se situer ailleurs qu'au point (C). Elle deviendrait même inutile si l'interrupteur (5) offrait une sortie dite de "miroir de courant". Cette configuration des composants est adaptée à des sources de tension positives par rapport à la référence de potentiel mais l'homme de l'art saurait aisément la modifier pour l'adapter à des sources de tension négatives. Ce circuit permet d'effectuer le procédé selon l'invention de la façon suivante: Pendant la phase d'initialisation les interrupteurs (4) et (5) sont fermés et le courant s'établit et croît dans le circuit formé par le générateur (V1), l'interrupteur (4), le bobinage (3) de l'électro-aimant et l'interrupteur (5). La différence de potentiel aux bornes du bobinage est alors (U1). Puis pendant la phase d'exploitation l'interrupteur (4) est ouvert, alors que l'interrupteur (5) reste fermé. Le courant dans le bobinage (3) ne pouvant chuter brutalement, il se prolonge via le circuit formé par le générateur (V2), la diode (7), le bobinage (3) et l'interrupteur (5), la différence de potentiel aux bornes du bobinage étant alors (U2). La dérive du courant du bobinage en fonction du temps est faible si (U2) est maintenue relativement basse. Enfin, lors de la phase de désactivation, l'interrupteur (5) est ouvert et le courant dans le bobinage (3) est alors contraint de passer dans le circuit formé par la source (V2), la diode (7), le bobinage (3), la diode (6) et la source (V3), la différence de potentiel aux bornes du bobinage valant alors (U3). Pen- dant cette période appelée communément "récupération selfique" le courant du bobinage (3) diminue rapidement jusqu'à son annulation, l'énergie du bobinage étant récupérée dans la source (V3). Cette période est très courte si la source de tension (V3) est de valeur élevée. Dans la plupart des cas, la source de tension (V2) est tout simplement confondue avec la masse, ce qui fait que pendant la phase d'exploitation la FEM d'induction interne du bobinage (3) est égale à la somme des chutes de tension dans la diode (7), dans la résistance interne du bobinage (3), dans l'interrupteur (5) et éventuellement dans la résistance (8). Cette FEM non nulle crée une chute progressive du courant dans le bobinage (3) qui limite la durée utile de la phase d'exploitation. Pour augmenter cette durée utile, il convient de réduire autant que possible la FEM d'induction dans le bobinage (3). Le module (9) réalise cette fonction en générant une tension (V2) qui impose aux bornes (A) et (B) du bobinage (3) une différence de potentiel très proche de celle qui est strictement chutée dans la résistance interne de ce bobinage. La part laissée dans le bobinage à la FEM d'induction devenant alors très faible, la dérive du courant est pratiquement annulée. La figure 4 propose un circuit réalisant les fonctions précitées du module (9) tout en offrant une protection haute tension des entrées (A) et (B) par les couples diode haute tension/générateur de courant (13)/(15) et (14)/(16), protection nécessaire lorsque les tensions (V1) et (V3) sont très élevées. Ce circuit est avantagé par une indépendance complète vis à vis des chutes de tension parasites dans la diode (7) et l'interrupteur (5). Les résistances (25) et (24) sont de préférence dans un rapport égal à celui des résistances (23) et (22), de façon que la tension au point (A) se retrouve au point (E) avec une amplification égale à 1, mais retranchée d'une tension générée par l'amplificateur (10) approximativement égale à celle chutée résistivement dans le bobinage (3). L'amplificateur (12) ferme la boucle de contre-réaction en produisant une tension d'erreur en (V2) si la différence de potentiel aux bornes du bobinage s'écarte de ce que serait strictement sa chute de tension résistive. La résistance (8) est choisie en fonction de la résistance interne du bobinage (3). Pour améliorer la précision de la contre-réaction, il est conseillé de compenser les variations de la résistance interne du bobinage en fonction de la température par une variation adéquate du gain de la chaîne d'amplification du courant du bobinage. Ceci peut par exemple être réalisé en couplant thermiquement la résistance (8) et le bobinage (3), en supposant qu'ils subissent les mêmes variations relatives en fonction de la température. Enfin, la sortie (I) de l'amplificateur (10) permet une surveillance et une mesure du courant dans le bobinage par des moyens non représentés ici. Une des applications intéressantes du procédé selon l'invention consiste à fournir la force constante de poussée nécessaire sur le piston d'une pompe de compression de fluide. Dans certaines pompes à actionneur ment électromagnétique ultra-rapides (dites "à collision") l'armature subit, quand elle arrive en bout de course utile, une collision élastique qui la renvoie en arrière, de façon à être prête rapidement pour le cycle de compression suivant. Le courant de l'électroaimant est alors réduit pour ne pas ralentir la vitesse de rebond. L'armature est ensuite freinée puis stoppée dès qu'elle atteint la position permettant d'obtenir la cylindrée nécessaire. Cette phase de freinage peut avec profit être réalisée par le même électro-aimant qui fournit la force sur le piston pendant l'étape de compression. Connaissant la vitesse d'impact au moment de la collision et la position voulue d'arrêt de armature, on calcule précisément la position (ou l'instant) où l'armature doit commencer à être freinée. Le champ magnétique dans l'électro-aimant sera réactivé à cette position (ou à cet instant) même si l'étape de réinitialisation n'est pas finie, maintenu pendant la durée strictement nécessaire, puis désactivé, de façon que l'armature soit progressivement freinée et atteigne sa position d'arrêt avec une vitesse quasiment nulle. L'électr-aimant remplit alors la double fonction d'élément d'accélération et de freinage. n est de plus appréciable que la majeure partie de l'énergie cinétique de l'armature soit récupérée sous forme d'énergie électrique dans le potentiel d'alimentation. L'invention s'applique de façon générale aux électro-aimants d'actionnement à force constante ou aux capteurs de position ou aux mécanismes proposant une combinaison des 3 fonctions précédentes, et en particulier aux pompes à actionnement électromagnétique. REVENDICATIONS 1- Procédé de commande du bobinage (3) d'un électro-aimant actionneur à force constante caractérisé en ce que cette commande est exécutée en trois étapes consécutives comprenant une étape d'initialisation, une étape d'exploitation et une étape de désactivation, l'étape d'initialisation consistant à appliquer aux bornes (A) et (B) du bobinage (3) de l'électro-aimant une première tension de valeur (U1) connue précisément et de la maintenir soit jusqu'à ce que le champ magnétique dans l'entrefer ait atteint une valeur de consigne, soit pendant une durée (T1) calculée précisément, soit jusqu'à ce que le courant dans le bobinage atteigne une valeur de consigne, 1' étape d'exploitation consistant à maintenir constante la valeur du champ magnétique dans l'entrefer en appliquant aux bornes du bobinage une deuxième tension (U2) de valeur faible comparativement à la première tension (U1), l'étape de désactivation consistant à appliquer au bobinage une troisième tension (U3) de polarité inverse de celle de (U1) jusqu'à ce que le courant dans le bobinage ait atteint une valeur quasiment nulle ou jusqu'à ce qu'une nouvelle étape d'initialisation soit décidée. 2- Utilisation du procédé selon la revendication 1 soit pour obtenir un champ magnétique et une force d'attraction constants dans l'entrefer de l'électro-aimant, soit pour calculer pendant l'étape d'exploitation la position de l'armature (2) par simple conversion du courant (I) dans le bobinage (3), soit pour effectuer les deux simultanément. 3- Circuit permettant d'effectuer le procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'extrémité (A) du bobinage (3) de l'électro-aimant est reliée d'une part à une première source de tension (V1) par l'intermédiaire d'un premier interrupteur (4) et d'autre part à la cathode d'une première diode (7) dont l'anode est connectée à une deuxième source de tension (V2) et que l'extrémité (B) du bobinage est reliée d'une part à l'anode d'une deuxième diode (6) dont la cathode est connectée à une troisième source de tension (V3) et d'autre part à un point (C) par l'intermédiaire d'un deuxième interrupteur (5), le point (C) étant relié à la masse directement ou par l'intermédiaire d'une résistance (8) de mesure du courant dans le bobinage. 4- Circuit selon la revendication 3 caractérisé en ce qu'un module (9) permet de réduire autant que possible la FEM d'induction dans le bobinage (3) pendant l'étape d'exploitation en générant une tension (V2) qui impose aux bornes (A) et (B) du bobinage (3) une différence de potentiel très proche de celle qui est strictement chutée dans la résistance interne de ce bobinage. 5- Utilisation du procédé selon la revendication 1 dans une pompe à actionnement électromagnétique dite "à collision" caractérisée en ce que le champ magnétique dans entrefer de l'électroaimant est réactivé à une position précise (ou à un instant précis) pendant le retour de l'armature qui suit sa collision, puis maintenu pendant la durée strictement nécessaire, puis désactivé, de façon à quasiment annuler la vitesse de l'armature lorsqu'elle aura atteint sa position d'arrêt. 6- Utilisation du procédé selon la revendication 1 caractérisée en ce que la vitesse de l'armature est déduite de la mesure de la dérivée du courant dans le bobinage de l'électro-aimant pendant la phase d'exploitation. 7- Utilisation du procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la position initiale de l'armature est déduite de la mesure du gradient temporel du courant dans le bobinage au début de la phase d'initialisation.