Brevet FR2739937A1 — publié le 19970418

La présente invention est relative à un procédé de détermination du courant moyen circulant dans une charge inductive, comme par exemple l'enroulement d'excitation d'une électrovanne. Dans de nombreux processus de commande, certains paramètres sont réglés par des actionneurs électromagnétiques tels des électrovannes. On peut citer, à titre d'exemple, la régulation de ralenti d'un moteur à combustion interne, o une quantité d'air additionnel est dosée par une électrovanne normalement fermée par un ressort, et dont le degré d'ouverture est commandé par un courant variable circulant dans son enroulement d'excitation. Un dispositif de ce type est représenté schématiquement sur la figure 1, o l'enroulement de l'électrovanne est symbolisé par une charge inductive 1, connectée d'une part à une source de tension d'alimentation Vb et d'autre part à un commutateur 3, figuré par un transistor. Ce commutateur est commandé sur son entrée de commande 4 par un signal rectangulaire périodique de fréquence fixe et de rapport cyclique variable. La borne du commutateur 3 opposée à la charge inductive est reliée à la masse par l'intermédiaire d'une résistance 6. Une ligne 5 connectée entre le commutateur et la résistance permet de mesurer le courant qui traverse le commutateur au moyen d'un convertisseur analogique / digital 7 formant partie d'un microprocesseur 8. Bien entendu, cette résistance n'est qu'un exemple de moyen de mesure du courant, certains commutateurs modernes comportant des dispositifs intégrés propres à donner le même résultat. Lorsque le commutateur interrompt le passage du courant vers la masse, l'énergie accumulée dans la charge inductive recircule sous la forme d'un courant traversant dans le sens passant une diode 2 montée en parallèle sur la charge 1, sous une tension VD prédéterminée dépendant du type de diode utilisée. Pour connaître le degré d'ouverture de la vanne, et pour le commander par action sur le rapport cyclique de commande, il est nécessaire de connaître le courant moyen qui circule dans la charge inductive. Or, s'il est aisé de mesurer ce courant lorsque le commutateur est fermé, il n'est pas possible de mesurer le courant qui recircule par l'intermédiaire de la diode 2 lorsque le circuit est interrompu par l'ouverture du commutateur, d'autant plus que ce courant dépend de nombreux paramètres, tels que la température de l'enroulement qui influe sur l'inductance et la résistance de la charge 1 et donc sur l'énergie stockée dans celle-ci. De plus, pour un actionneur électromagnétique, le rapport cyclique de commande modifie la configuration du circuit magnétique (entrefer) et donc l'inductance de la charge. On connaît de la technique antérieure, par exemple de la demande de brevet français n 2 696 253, un procédé selon lequel on augmente la durée de conduction du commutateur afin de permettre au courant circulant dans la charge d'atteindre le courant de saturation et d'en déduire la résistance actuelle de la charge. Cependant, un tel procédé présente l'inconvénient de modifier la durée d'excitation de I'électrovanne donc son degré d'ouverture et peut avoir une influence néfaste sur le respect d'une consigne de ralenti du moteur. On connaît également, par exemple de la demande de brevet français n 2 639 680 des dispositifs qui utilisent la valeur maximale du courant atteinte au moment de l'interruption du circuit pour en déduire le courant moyen qui circule dans la charge. Cependant, cette valeur maximale doit être mesurée par l'intermédiaire de dispositifs analogiques tels qu'un échantillonneur-bloqueur qui représentent un coût supplémentaire, et la valeur du courant moyen est sujette à des erreurs importantes du fait des bruits affectant la mesure de la valeur crête. De plus, les fluctuations de la résistance de la charge avec la température doivent être compensées par des algorithmes de traitement complexes. La présente invention a donc pour but de proposer un procédé de détermination du courant moyen circulant dans une charge inductive qui ne présente pas ces inconvénients. On atteint ces buts de l'invention, ainsi que d'autres qui apparaîtront dans la suite de la présente description, au moyen d'un procédé de détermination du courant moyen circulant dans une charge inductive, connectée entre une source d'alimentation délivrant une tension Vb et un commutateur apte, de façon périodique et avec un rapport cyclique de commande RCO donné, soit a conduire le courant vers un potentiel de masse, soit à interrompre cette conduction, une diode étant adaptée pour permettre à l'énergie stockée dans la charge inductive de recirculer vers le potentiel Vb, procédé du type utilisant la mesure du courant circulant dans le commutateur, selon lequel on échantillonne, de manière asynchrone au rapport cyclique de commande, et avec une fréquence supérieure à celui- ci, le courant qui circule dans le commutateur, on élimine les échantillons dont la valeur est inférieure à un seuil prédéterminé, on effectue, en synchronisme avec rinterruption de la conduction, la moyenne des échantillons retenus pour obtenir une valeur moyenne du courant circulant dans le commutateur pendant la conduction de celui-ci, et on calcule la valeur du courant moyen circulant dans la charge à partir de la valeur moyenne du courant circulant dans le commutateur, de la tension d'alimentation, de l'inductance et de la résistance nominales de la charge inductive, du rapport cyclique de commande RCO, et de la tension directe de la diode. Suivant une caractéristique importante de la présente invention, la valeur moyenne du courant circulant dans le commutateur est obtenue en effectuant une moyenne intermédiaire des échantillons retenus pendant la dernière période de commande et en filtrant par une moyenne pondérée de cette moyenne intermédiaire et de la valeur moyenne du courant circulant dans le commutateur obtenue à la période de commande précédente. Suivant un mode de mise en oeuvre du procédé selon l'invention, on calcule la valeur du courant moyen circulant dans la charge à partir de la formule: ILmoy = Ion moy - (Vb + VD) X Tab(RCO) o Tab(RCO) est une table définie en fonction du rapport cyclique de commande déterminée lors d'une étape préalable de mise au point. D'autres caractéristiques et avantages du procédé suivant l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre et à l'examen des dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 représente le circuit de commande de la charge inductive décrit dans le préambule, et - la figure 2A représente un graphe temporel du courant circulant dans la charge alors que la figure 2B représente celui du courant mesurable sur la ligne du circuit de la figure 1. On se réfère à la figure 2A sur laquelle on a représenté le courant IL circulant dans la charge inductive 1 lorsque le commutateur 3 est actionné par un signal de commande rectangulaire de période fixe et de rapport cyclique RCO variable. Le rapport cyclique RCO est exprimé par le rapport Ton / (Ton+Toff) o Ton est la durée pendant laquelle le commutateur 3 est conducteur, Toff la durée pendant laquelle le commutateur 3 est non conducteur, la somme Ton+Toff représentant la période du signal de commande. Le problème que vise à résoudre l'invention est celui de la détermination du courant moyen ILmoy dans la charge inductive. Comme on peut le constater sur la figure 2B, le courant mesurable avec un dispositif tel que celui de la figure 1 est le courant Ion qui traverse le commutateur 3, qui est égal au courant IL pendant -a curée Ton et nu pendant Toff. De ce fait, e courant L circuant aans a charge pendant la durée Toff, ainsi que sa valeur moyenne représentée par la zone hachurée sur la figure 2A ne sont pas directement mesurables. Selon l'invention, on échantillonne, au moyen de mesures effectuées par le convertisseur analogique-digital 7, des valeurs successives du courant Ion. Cet échantillonnage est effectué avec une période Tech inférieure à la période du signal de commande du commutateur 3, et de manière asynchrone à celui-ci. On choisit en pratique des fréquences d'échantillonnage de 3 à 10 fois supérieures à la fréquence du signal de commande, en évitant les multiples entiers afin de permettre de prélever des échantillons qui ne sont pas toujours au même endroit de la courbe du courant Ion, avantage que l'on détaillera dans la suite de la description. A titre d'exemple, pour un signal de commande de période Ton+Toff égale à 6,25 millisecondes, on a choisi une période d'échantillonnage de I milliseconde. Un tel échantillonnage est avantageux car les microprocesseurs modernes permettent de réaliser cette fonction en tâche de fond, ce qui permet d'économiser les ressources du microprocesseur pour d'autres tâches, celui-ci n'ayant pas besoin de synchroniser ses mesures avec le signal de commande, comme c'est le cas dans la technique antérieure lorsqu'on veut mesurer la valeur crête du courant en présence d'un rapport cyclique variable. Sur la figure 2B, on a ainsi noté el à e5 les échantillons mesurés entre les instants tl et t2 correspondant à une période du signal de commande. Ces échantillons sont, à mesure de leur obtention, comparés à un seuil Is, proche de zéro, afin d'éliminer les échantillons correspondant à la durée Toff du commutateur. Bien entendu, cette élimination aurait pu être effectuée au prix d'une synchronisation supplémentaire, en ne conservant que les échantillons obtenus pendant la durée Ton. A l'instant t2, lors de l'interruption de la conduction du commutateur 3, le microprocesseur 8 calcule la moyenne des échantillons retenus (ici, e3 à e5) pour obtenir une valeur intermédiaire Imper représentant la valeur moyenne du courant Ion pendant la dernmière durée de conduction. Cette valeur intermédiaire Imper est ensuite utilisée dans un filtre récursif de type moyenne pondérée pour obtenir une valeur Ion _moy représentant la valeur moyenne du courant Ion pendant la conduction du commutateur 3. On peut par exemple utiliser une formule du type: Ionmoy(i) = (1-k) x lon moy (i - 1)+ k x Imper o k représente un facteur de pondération permettant de régler la constante de temps du filtre et i la période considérée du signal de commande. On remarquera que, avantageusement, l'emploi d'une valeur moyenne intermédiaire permet une mise à jour de la valeur moyenne Ion moy du courant à chaque période, de facçon indépendante du rapport cyclique. On en vient maintenant au calcul du courant moyen IL.moy circulant dans la charge inductive 1. Si l'étude théorique du circuit de la figure 1 permet de calculer ce courant moyen dans des conditions idéales, en fonction des paramètres Vb (tension d'alimentation du circuit), VD (tension directe de la diode de recirculation), RCO (rapport cyclique de commande) et en fonction également de l'inductance et de la résistance réelles de la charge, on constate néanmoins que le résultat de ce calcul s'écarte de la réalité obtenue dans les conditions pratiques. En particulier, dans le cas réel, les valeurs de l'inductance et de la résistance de la charge ne sont pas connues de manière exacte, du fait d'une part des dispersions de ces valeurs à l'origine, liées aux tolérances de fabrication, et d'autre part de leur variation en fonction de la température. De plus, pour un actionneur électromagnétique, le rapport cyclique de commande modifie la configuration du circuit magnétique (entrefer) et donc l'inductance de la charge. L'erreur ainsi introduite peut être avantageusement compensée en utilisant le courant moyen Ion moy circulant dans l'interrupteur pendant les phases de conduction, tel qu'il a été obtenu précédemment. En effet, en effectuant un échantillonnage du courant Ion asynchrone par rapport à la période de commande de l'interrupteur, on obtient des valeurs de ce courant qui décrivent la courbe de variation de celui-ci. Le courant moyen ainsi obtenu tient donc compte de la forme de cette courbe qui est directement reliée aux paramètres résistance et inductance réels de la charge. On a pu ainsi établir, à partir de calculs et d'expérimentations de mise au point, la formule suivante permettant d'obtenir le courant moyen dans la charge inductive: IL moy = Ion moy - [(Vb + VD) x R 8 x Ton x Toff - (v+ V) 1x Lt8 x ( +Ton+Toff) o R et L sont respectivement la résistance et l'inductance nominales de la charge. On concçoit aisément qu'une telle formule est complexe à intégrer dans un calculateur du type de ceux qui équipent un véhicule automobile, et serait coûteuse en temps de calcul. On propose donc de tirer avantage du fait que les valeurs de R et L sont constantes pour former, lors de la mise au point, une table de valeurs en fonction du rapport cyclique de commande Tab(RCO), table qui est classiquement exploitée par interpolation. L'emploi d'une telle table présente, outre le gain en vitesse de calcul, l'intérêt de pouvoir corriger certaines imperfections ponctuelles de l'algorithme, par exemple pour des rapports cycliques très faibles. On calcule alors la valeur du courant moyen circulant dans la charge inductive I par la formule: Imoy = Ionmoy - (Vb + VD) x Tab(RCO) On a ainsi montré un procédé de détermination du courant moyen circulant dans une charge inductive capable de compenser les variations des paramètres de la charge (résistance et inductance), sans nécessiter pour cela de modification de la commande de l'interrupteur ou de circuits additionnels de mise en forme du courant, et qui présente en outre l'avantage d'être plus robuste vis à vis du bruit et des parasites pouvant affecter les mesures du courant grâce à l'utilisation du courant moyen circulant aans interrupteur obtenu par écnantionnage, moyenne et fitrage ae a vaeur instantanée de ce courant. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée à l'emploi d'un tel procédé dans le cadre d'une vanne d'air additionnel pour la régulation de ralenti des moteurs à combustion interne, mais peut être utilisée dans tous les cas o la connaissance du courant moyen circulant dans une charge inductive peut être utile. REVENDICATIONS 1. Procédé de détermination du courant moyen circulant dans une charge inductive (1), connectée entre une source d'alimentation délivrant une tension Vb et un commutateur (3) apte, de façon périodique et avec un rapport cyclique de commande RCO donné, soit à conduire le courant vers un potentiel de masse, soit à interrompre cette conduction, une diode (2) étant adaptée pour permettre à l'énergie stockée dans la charge inductive de recirculer vers le potentiel Vb, procédé du type utilisant la mesure du courant (Ion) circulant dans le commutateur, caractérisé en ce que: * on échantillonne, de manière asynchrone au rapport cyclique de commande, et avec une période inférieure à celui-ci, le courant (Ion) qui circule dans le commutateur, * on élimine les échantillons dont la valeur est inférieure à un seuil (Is) prédéterminé, on effectue, en synchronisme avec l'interruption de la conduction, la moyenne des échantillons retenus pour obtenir une valeur moyenne (lonmoy) du courant circulant dans le commutateur pendant la conduction de celui-ci, * on calcule la valeur du courant moyen (ILmoy) circulant dans la charge à partir de la valeur moyenne (Ionmoy) du courant circulant dans le commutateur, de la tension d'alimentation (Vb), de l'inductance (L) et de la résistance (R) nominales de la charge inductive, du rapport cyclique de commande RCO, et de la tension directe (VD) de la diode. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la valeur moyenne (Ionmoy) du courant circulant dans le commutateur est obtenue en effectuant une moyenne intermédiaire (Im_per) des échantillons retenus pendant la dernière période de commande et en filtrant par une moyenne pondérée de cette moyenne intermédiaire et de la valeur moyenne du courant circulant dans le commutateur obtenue à la période de commande précédente. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on calcule la valeur du courant moyen (IL moy) circulant dans la charge à partir de la formule: ILmoy = Ion moy - (Vb + VD) x Tab(RCO) o Tab(RCO) est une valeur extraite d'une table définie en fonction du rapport cyclique de commande RCO déterminée lors d'une étape préalable de mise au point.