Brevet FR2753873A1 — publié le 19980327

PROCEDE D'ASSERVISSEMENT D'UN TRANSDUCTEUR A RELUCTANCE VARIABLE, ET MOTEUR LINEAIRE POUR LA MISE EN OEUVRE D'UN TEL PROCEDE. La présente invention se rapporte aux procédés qui permettent d'asservir les transducteurs à réluctance variable. Elle concerne également les moteurs linéaires dans lesquels ce procédé est mis en oeuvre. Les transducteurs à réluctance variable sont des dispositifs bien connus dont le schéma de principe est représenté sur la figure 1. Un tel dispositif comporte deux noyaux magnétiques 101 et 102, généralement réalisés en fer doux souvent feuilleté, et séparés par un entrefer 103. L'un au moins des noyaux comporte une bobine électrique 104. Lorsqu'un courant électrique, noté 1, parcours la bobine, il engendre un champ magnétique, noté B, dans le noyau de fer doux 101. Ce champ est donné par la formule: B t 2GI 2G (1) où po désigne la permittivité magnétique de l'air, N le nombre de tours de la bobine et G l'épaisseur de l'entrefer. II se développe alors une force attractive F entre les noyaux 101 et 102, donnée par la formule: F = B2S 0N2S 2 zo 4G2 (2) où S désigne la section des noyaux. Sachant que le champ de saturation du fer doux peut atteindre 1,5 Tesla, le transducteur ainsi constitué est capable de délivrer des forces d'attraction supérieures à 180 Newtons par centimètre carré de section de noyau. On obtient ainsi aisément un transducteur capable de délivrer des forces très importantes de plusieurs milliers de Newtons tout en utilisant des matériaux peu coûteux (fer doux et bobinages de cuivre, pas d'aimant...) La dynamique de déplacement du transducteur est donnée par le domaine de validité de la formule (1), qui suppose que l'épaisseur de l'entrefer soit faible devant la racine carrée de la section des noyaux. Dans la pratique on utilisera la formule: Gmax ##S (3) Le principal inconvénient du transducteur ainsi réalisé réside dans le fait qu'il présente une dynamique non-linéaire : en effet la force développée est proportionnelle au carré du courant électrique et inversement proportionnelle au carré de l'épaisseur de l'entrefer. Les anciens écouteurs téléphoniques fonctionnaient selon ce principe. Pour obtenir une réponse sensiblement linéaire on utilisait un courant de polarisation I0 continu superposé au courant actif AI. Dans ce cas, on obtient: F # 0N2S (|0 + #|)2 &alpha; 0N2S|20 + 2 0N2S|0 4G2 4G2 4G2 (4) On obtient ainsi une variation de force proportionnelle à la variation du courant sous réserve que la fluctuation de ce courant soit faible devant le courant de polarisation pour pouvoir négliger le terme en A12, et que la variation relative de l'épaisseur de l'entrefer soit très faible. Dans ce cas, la dynamique intrinsèque du transducteur, aussi bien en termes de forces qu'en termes de déplacement, n'est pas exploitée. C'est pourquoi ces transducteurs ont été abandonnés au profit des transducteurs électrodynamiques utilisant un aimant et une bobine. On connaît cependant deux méthodes pour maîtriser le signal délivré par un transducteur à réluctance variable: - la première consiste, à partir de l'analyse des équations mécaniques et électromagnétiques du transducteur, à utiliser un signal électrique modifié par une opération non-linéaire de traitement du signal afin d'obtenir le signal mécanique désiré. Cette méthode, si elle permet d'exploiter la dynamique du moteur, nécessite une bonne connaissance du comportement dynamique de la charge appliquée au moteur. - la deuxième consiste à asservir le système de manière à ce qu'il présente un comportement dynamique linéaire. Les équations mises en jeu étant non linéaires, cet asservissement doit forcément être non linéaire, ce qui nécessite d'utiliser une électronique relativement complexe. Dans le passé, le prix des composants électroniques permettant de telles opérations était largement supérieur à celui du moteur. Cette technologie ne présentait donc pas d'intérêt en termes de coût. Aujourd'hui, la chute du prix des composants électroniques, en particulier ceux utilisés en électronique numérique, relance l'intérêt des moteurs à réluctance variable. Dans un article paru dans les actes des journées d'application du contrôle actif à la réduction des bruits et vibrations tenues les 14 et 15 novembre 1995 à Senlis, André GENNESSEAUX de la société PAULSTRA a proposé un support antivibratoire pour moteur d'automobile comportant un actionneur électrique linéaire à réluctance variable commandé à l'aide d'un asservissement électronique numérique fonctionnant à partir des mesures de l'épaisseur de l'entrefer et du courant circulant dans les bobines actives. Toutefois cette asservissement est essentiellement non linéaire. Pour pallier ces inconvénients, I'invention propose un procédé d'asservissement d'un transducteur à réluctance variable comportant un entrefer, principalement caractérisé en ce que l'on détermine le champ magnétique nécessaire dans l'entrefer pour obtenir des transducteurs la force souhaitée, que l'on mesure le champ magnétique réel existant dans l'entrefer, et que l'on commande la tension appliquée au transducteur pour asservir de manière linéaire le champ réel sur le champ nécessaire. Selon une autre caractéristique, on mesure le courant électrique dans le transducteur pour utiliser cette valeur dans la boucle d'asservissement. L'invention propose aussi un moteur linéaire mettant en oeuvre ce procédé, principalement caractérisé en ce qu'il comprend un premier noyau magnétique en forme de U, au moins une bobine disposée sur l'une des branches du U formant ce premier noyau, un deuxième noyau en forme de I disposé devant les extrémités libres des deux branches du U pour déterminer entre le premier et le deuxième noyau un entrefer, deux cales d'épaisseur disposées sur les extrémités libres des branches du U pour imposer une épaisseur minimum du dit entrefer, et une sonde de champ magnétique disposée sur l'extrémité libre d'une des branches du U et dont l'épaisseur est plus fiable que. I'épaisseur des dites cales. Selon une autre caractéristique, les deux noyaux sont fixés respectivement sur deux plaques amagnétique et qu'ils comportent en outre un ensemble de ressorts fixé entre ces deux plaques pour les maintenir séparées; ce dispositif permettant de contrôler les mouvements d'un siège d'un véhicule. Selon une autre caractéristique, le deuxième noyau est fixé à un pavillon destiné à générer des ondes acoustiques sous-marines de basse fréquence et de forte intensité. D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront clairement dans la description suivante faite en regard des figures annexées qui représentent: - la figure 1 une vue schématique d'un transducteur à réluctance variable connu; - les figures 2 et 3, des diagrammes d'asservissement selon l'invention, respectivement en numérique et en analogique, et - la figure 4, une vue schématique d'un transducteur selon l'invention. L'invention propose donc d'asservir le champ magnétique existant dans l'entrefer en déterminant la tension électrique V à appliquer au bords de la bobine du transducteur à partir de la mesure du champ magnétique dans cet entrefer et de la mesure de l'intensité du courant électrique circulant dans cette bobine. On sait en effet que la tension au bord d'un tel transducteur est donnée par l'équation: V=NSdlB+Rl (5) dt Dans cette équation R désigne la résistance série présentée par le circuit de la bobine. On peut alors réaliser l'asservissement du champ magnétique soit par une méthode numérique, soit par une méthode analogique. En utilisant la méthode numérique illustrée de manière schématique sur la figure 2, on détermine dans un circuit 201 la valeur de consigne Bdes du champ magnétique désiré. On mesure ensuite la valeur Bréel du champ magnétique régnant effectivement dans l'entrefer à l'aide d'une sonde de champ magnétique reliée à un circuit de mesure 203. On mesure également la valeur I réel du courant circulant dans la bobine à l'aide d'une petite résistance série insérée dans le circuit de cette bobine en mesurant la tension au bord de cette résistance par un circuit 204. On détermine ensuite la tension Vapp à l'aide de la formule: Vapp =Bdes réel +Rlréeî (6) T Pour cela après avoir soustrait la valeur du champ mesuré à la valeur du champ désiré dans un soustracteur 205, on effectue le produit de cette différence par NS1T dans un multiplicateur 206. X représente l'intervalle de temps entre deux mesures du courant et du champ réel et correspond au cadencement du dispositif de traitement numérique. On multiplie la valeur de la mesure du courant I réel par la valeur de la résistance de mesure R dans un multiplicateur 207. On procède ensuite à l'addition des signaux provenant du multiplicateur 206 et du multiplicateur 207 dans un additionneur 208 qui délivre donc sous forme numérique la valeur la tension à appliquer au transducteur. Cette valeur numérique est convertie en analogique dans un convertisseur numérique analogique 209, puis est appliquée à un amplificateur de puissance 210 qui permet d'alimenter la bobine du transducteur 202. La méthode analogique est représentée schématiquement sur la figure 3. Le champ dans l'entrefer du transducteur 202 et le courant électrique dans le bobinage de ce transducteur sont mesurés comme dans la méthode numérique à l'aide d'une sonde de champ et d'une petite résistance série. Toutefois les circuits de mesure 303 pour le champ et 304 pour l'intensité fonctionnent de manière analogique. La valeur de consigne du champ désiré Bdes est fixé par un circuit 301, là aussi de manière analogique. La valeur de Bréel est soustraite de la valeur Bdes dans un soustracteur analogique 306, et le résultat de cette soustraction est multiplié par NS/x dans un multiplicateur analogique 306. Le terme X sera dans ce cas explicité plus loin dans ce texte. La valeur du courant est multipliée dans un multiplicateur analogique 307 par la valeur de la résistance de mesure R, et le résultat de cette opération est additionné dans un additionneur analogique 308 au résultat de l'opération obtenu dans le multiplicateur 306. On obtient ainsi la valeur de la tension a appliquer au transducteur 202. Toutefois dans ce cas, notamment pour éviter tout problème de stabilité de l'asservissement, on filtre le signal provenant de l'additionneur 308 dans un filtre passe-bas du premier ordre 309, dont la constante de temps est justement la valeur X vue plus haut. La fréquence de coupure oc=1/2 est déterminée en fonction des besoins de réponse temporelle du transducteur 202 et des conditions de stabilité du système. Elle peut monter jusqu'à quelques kHz. La tension ainsi filtrée est ensuite appliquée à un amplificateur de puissance 210 qui permet d'alimenter le transducteur 202. La valeur de consigne du champ désiré Bdes déterminée dans les circuits 201 et 301 dépend bien entendu de la valeur désirée pour la force F délivrée par le transducteur 202. Cette force étant connue en fonction des actions souhaitées pour le transducteur 202, la valeur de consigne du champ désiré sera donné par la formule On constate bien que la boucle d'asservissement qui permet ainsi de linéariser la réponse du transducteur est linéaire et que par contre l'opération permettant d'obtenir la valeur de consigne du champ est quant à elle non linéaire. Toutefois cette opération non linéaire est tout à fait indépendante de la charge mécanique du transducteur, ce qui est un avantage très important. Le procédé selon l'invention sera plus particulièrement utile pour réaliser un moteur linéaire permettant de contrôler de manière active la suspension du siège d'un véhicule. On a représenté un tel système de manière schématique sur la figure 4. Le moteur linéaire destiné au contrôle actif du siège du véhicule est situé entre deux plaques 401 et 402 de matériaux non magnétique, de l'aluminium par exemple 401 et 402. La plaque supérieure 401 supporte le siège du véhicule, non représenté sur la figure, et la plaque 402 est fixée sur la structure 403 du véhicule. Les deux plaques 401 et 402 sont maintenues espacées par des ressorts 404, au nombre de 4 par exemple. Ceci permet d'obtenir entre ces plaques une force répulsive, puisque la force obtenue à l'aide du transducteur est nécessairement attractive. Le moteur linéaire est constitué d'un noyau inférieur 405 en forme de U fixé par sa partie transversale sur la face supérieure de la plaque inférieure 402. L'autre partie de l'actionneur est constituée d'un noyau supérieur en forme de I fixé sur la face inférieure de la plaque supérieure 401. Une bobine magnétique 407 est enfilée sur l'une des deux branches du noyau 405 et permet de recevoir le courant électrique de commande du moteur. Pour mesurer le champ magnétique réel entre les deux noyaux on utilise une sonde à effet Hall, qui peut être de très petite taille, placée à l'extrémité libre de l'une des branches du U formant le noyau 405, et donc situé à l'intérieur de l'entrefer existant entre les deux noyaux. La géométrie du système pourrait être quelconque, par exemple en Ul, El, UU... Pour protéger cette sonde à effet Hall et éviter qu'elle ne s'écrase sous l'effet d'un rapprochement brutal des deux noyaux, on a placé sur les extrémités libres des deux branches du noyau en U 405 deux cales 409 et 410 en matériau non magnétique faiblement compressible, par exemple en plastique. Ces cales permettent également de procéder à une calibration du système, comme on le verra plus loin, et elles évitent aussi que le noyau 406 ne reste collé au noyau 405, ce qui pourrait arriver en cas de contact, même si ces noyaux sont réalisés en fer doux. Un tel dispositif permet d'obtenir des déplacements de l'ordre de 4 mm crête à crête avec une amplitude des variations de la force appliquée de l'ordre de 2000 newtons crête à crête. Ces performances permettent de contrôler efficacement les vibrations transmises au siège d'un véhicule roulant sur un revêtement classique et d'obtenir un excellent confort de conduite de ce véhicule. Bien que l'on puisse utiliser un dispositif purement analogique de génération de la tension à appliquer aux bornes de la bobine 407, il est préférable dans le cadre d'une telle application d'utiliser un dispositif numérique qui viendra prendre sa place tout rraturellement dans les nombreux dispositifs numériques dont sont munis maintenant les véhicules. Les moyens matériels peuvent être constitués d'un calculateur central utilisé pour gérer les différentes fonctions de contrôle du véhicule et l'application particulière de contrôle des vibrations du siège sera réalisé à l'aide d'un programme particulier exécuté en temps partagé pour effectuer les différents calculs définis plus haut. Ce programme sera chargé avec les différents paramètres, notamment la section du noyau inférieur ,le nombre de tours des bobines, la valeur de la résistance série du système "bobine + résistance de mesure du courant", la valeur de résistance de mesure du courant, le gain de l'amplificateur de puissance et la sensibilité du capteur à effet Hall 408. Compte tenu de la dispersion relativement grande pouvant être constatée sur la sensibilité des différents capteurs disponibles, I'invention propose de déterminer la valeur de cette sensibilité à l'aide d'une procédure de calibrage dans laquelle on impose une valeur fixe à l'entrefer en retirant les ressorts 404 et en appliquant le noyau 406 sur les cales 409 et 410, ce qui détermine ainsi une valeur fixe pour l'épaisseur de cet entrefer. On peut alors déterminer le champ magnétique à partir de la mesure du courant en utilisant la formule (1), ce qui permet ainsi de calibrer le capteur. L'étude mathématique de l'asservissement ainsi réalisé montre que la stabilité de cet asservissement ainsi que sa robustesse, c'est à dire sa capacité à prendre à l'état stationnaire une valeur très proche de la valeur désirée, dépendent de la valeur du paramètre Dans la pratique, pour les valeurs de T couramment utilisées et qui dépendent selon le cas de la vitesse d'échantillonnage en numérique et de la fréquence de coupure du filtre en analogique, cette condition est toujours réalisée. Cette même étude mathématique montre que l'intervention du terme en RI, fonction du courant dans le bobinage, est relativement faible. Afin de simplifier la réalisation de ce dispositif l'invention propose à titre de variante de ne pas utiliser la mesure du courant pour effectuer l'asservissement. Le calcul, confirmé par l'expérimentation, montre que les résultats de l'asservissement en n'utilisant pas la mesure du courant sont extrémement proches de ceux obtenus en l'utilisant. On constate toutefois une convergence moins rapide de l'algorithme de traitement dans le cas de la solution numérique, et corrélativement un temps de réponse plus long dans le cas de solution analogique. Dans le cas de la solution numérique on peut parfaitement compenser ce ralentissement de la convergence par une augmentation de la fréquence d'échantillonnage et de la vitesse de traitement dans les moyens numériques de traitement de cette information. Ceci ne présente aucune difficulté avec les techniques actuellement utilisées dans les traitements numériques. On obtient par là même une diminution du paramètre X dont on a vu plus haut qu'elle était favorable. L'application décrite à la stabilisation d'un siège n'est qu'un exemple parmi d'autres et l'invention peut s'appliquer à tous les moteurs utilisant un transducteur à réluctance variable. Une autre application particulièrement importante concerne la réalisation de sources acoustiques sous-marines basses fréquences. On sait que de telles sources sont classiquement réalisées en utilisant un pavillon émetteur entraîné par un moteur linéaire électrique Pour obtenir une puissance importante correspondant à une force appliqué au pavillon et à un déplacement de ce même pavillon tous deux importants, on utilise différents types de moteur nécessitant l'emploi de matériaux à hautes performances particulièrement coûteux. L'invention permet d'utiliser pour un tel usage un moteur électrique linéaire à réluctance variable contrôlé par le procédé selon l'invention et réalisé avec des matériaux, en particulier du fer doux, particulièrement bon marchés. Les études de coût ont montré que l'on obtenait facilement un facteur 10 sur le coût d'un transducteur selon l'invention par rapport à un transducteur, électrodynamique par exemple, utilisé jusqu'à ce jour aussi bien pour le contrôle des vibrations d'un siège que pour une source acoustique sous-marine basse fréquence ou pour d'autres usages. REVENDICATIONS 1 - Procédé d'asservissement d'un transducteur à réluctance variable comportant un entrefer, caractérisé en ce que l'on détermine (201) le champ magnétique nécessaire dans l'entrefer pour obtenir des transducteurs la force souhaitée, que l'on mesure (203) le champ magnétique réel existant dans l'entrefer, et que l'on commande (210) la tension appliquée au transducteur pour asservir (205) de manière linéaire le champ réel sur le champ nécessaire. 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on mesure (204) le courant électrique circulant dans le transducteur pour utiliser (208) cette valeur dans la boucle d'asservissement. 3 - Moteur linéaire mettant en oeuvre le procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il comprend un premier noyau magnétique en forme de U(405), au moins une bobine (407) disposée sur l'une des branches du U formant ce premier noyau, un deuxième noyau (406) en forme de I disposé devant les extrémités libres des deux branches du U pour déterminer entre le premier et le deuxième noyau un entrefer, deux cales d'épaisseur (409,410) disposées sur les extrémités libres des branches du U pour imposer une épaisseur minimum du dit entrefer, et une sonde de champ magnétique (408) disposée sur l'extrémité libre d'une des branches du U et dont l'épaisseur est plus faible que l'épaisseur des dites cales. 4 - Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que les deux noyaux (405,406) sont fixés respectivement sur deux plaques (401,402) amagnétique et qu'ils comportent en outre un ensemble de ressorts (404) fixé entre ces deux plaques pour les maintenir séparées; ce dispositif permettant de contrôler les mouvements d'un siège d'un véhicule. 5 - Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le deuxième noyau est fixé à un pavillon destiné à générer des ondes acoustiques sous-marines de basse fréquence et de forte intensité.