Brevet FR2785106A1 — publié le 20000428

PROCÉDÉ ET DISPOSITIF POUR DÉTECTER LA VITESSE DE ROTATION D'UN MOTEUR À COURANT CONTINU COMMANDÉ PAR UN SIGNAL A MODULATION DE LARGEUR D'IMPULSIONS DESCRIPTION La présente invention concerne un procédé et un dispositif de détection de la vitesse de rotation d'un moteur électrique à courant continu. Les moteurs électriques à courant continu, avec ou sans balai, commandés par un signal de commande d'onde carrée modulé en largeur d'impulsions (PWM) sont largement utilisés, par exemple, sur des véhicules à moteur embarqué pour diverses applications telles que la commande de la ventilation, la maneuvre des fenêtres et analogue. Dans ces applications, des signaux de commande PWM d'une fréquence relativement élevée, par exemple de l'ordre de 20 kHz, son couramment utilisés. Dans le cas d'un moteur à courant continu avec balais, il est connu de détecter la vitesse de rotation, par exemple dans un but de régulation, en analysant le courant consommé par le moteur. Ce procédé de détection de la vitesse de rotation est toutefois relativement imprécis et fortement influencé par les conditions ambiantes (température, variations de la tension d'alimentation, tolérances intrinsèques du moteur, etc.). D'autres agencements connus pour la détection de la vitesse de rotation d'un moteur électrique à courant continu impliquent l'utilisation de détecteurs magnétiques (détecteurs à effet Hall ou détecteurs magnétorésistifs) ou de détecteurs de type optique. Dans tous les cas, l'adoption de détecteurs a un effet néfaste en raison des complications structurelles inévitables et de l'intégration nécessaire de la partie du détecteur avec les circuits électroniques de commande du moteur, ainsi que les coûts supplémentaires associés à l'utilisation de détecteurs. D'autres agencements connus pour détecter la vitesse de rotation sans avoir recours à l'utilisation de détecteurs impliquent, dans des moteurs avec balais, la lecture dite directe des balais, c'est-à-dire la détection et l'analyse de l'ondulation du courant consommé pendant la commutation. Dans le cas des moteurs commandés avec des signaux PWM ayant une fréquence de l'ordre de 10 kHz, cette technique est problématique à mettre en pratique en ce que le signal représenté par l'ondulation du courant a une fréquence et une dynamique d'amplitude beaucoup plus modestes que la fréquence et la dynamique d'amplitude des signaux de commande PWM, de sorte que le recours à des filtres très élaborés est nécessaire. Un autre procédé connu implique la lecture de la force électromotrice (FEM) ou de la force contre- électromotrice (FCEM). Toutefois, dans ce cas, la mesure est fortement influencée par les conditions ambiantes et en particulier, par la température. Le but de la présente invention consiste à rendre disponible un procédé amélioré pour détecter la vitesse de rotation d'un moteur électrique à courant continu du type initialement défini. Ce but ainsi que d'autres sont obtenus selon l'invention par un procédé de détection de la vitesse de rotation d'un moteur électrique à courant continu comprenant au moins un enroulement pouvant être connecté à une source d'alimentation de tension en courant continu par l'intermédiaire d'un commutateur électronique auquel est associé un circuit de commande pouvant être actionné pour fournir un signal de commande d'onde carrée modulé en largeur d'impulsions (PWM). Le procédé comprend les opérations consistant à: interrompre l'application dudit signal de commande au commutateur électronique pendant une période de temps de durée prédéterminée, acquérir, pendant cette période de temps un signal corrélé à la tension aux bornes dudit enroulement, et détecter au moins une caractéristique prédéterminée de ce signal en fonction de la vitesse de rotation du moteur. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention deviendront évidents d'après la description détaillée qui suit, fournie uniquement au moyen d'un exemple non limitatif en référence aux dessins annexés, dans lesquels: La figure 1 est un schéma de circuit, partiellement sous forme de schéma synoptique, représentant un moteur électrique à courant continu du type comportant des balais et un circuit associé d'alimentation, de commande et de régulation de vitesse, exécutant un procédé selon l'invention; La figure 2 est une série de courbes représentant la variation qualitative, en fonction du temps t, tracé en abscisse, des signaux du circuit de la figure 1; La figure 3 représente une variante de mode de réalisation du circuit de la figure 1; et La figure 4 représente un moteur sans balai et un circuit d'alimentation, de commande et de surveillance associé selon l'invention. Un moteur électrique à courant continu, indiqué de façon générale en 1, est représenté sur la figure 1, avec un enroulement de rotor 2 pouvant être couplé à deux balais fixes 3a, 3b, au moyen d'un commutateur segmenté d'un type connu en soi. Le moteur 1 est connecté ou peut être connecté d'un côté à une source de tension en courant continu 4, telle qu'une batterie d'accumulateur et de l'autre côté, à un commutateur électronique 5. Dans le mode de réalisation illustré, le moteur 1 est connecté au pôle positif de la source 4, dont le pôle négatif est connecté à la masse GND et le commutateur électronique 5 est un transistor de type MOSFET, ayant sa source connectée à la masse GND. En parallèle avec le moteur 1, est connectée une diode de remise en circulation 6. La grille du commutateur électronique 5 est connectée à la sortie d'un circuit de commande 7 pouvant être actionné pour fournir un signal de commande d'onde carrée modulé par largeur d'impulsions (PWM) ayant une fréquence, par exemple, de 20 kHz. Le circuit de commande 7 reçoit à son tour des signaux de commande provenant de l'unité de commande à microprocesseur 8 qui reçoit sur son entrée 8a un signal représentant la vitesse nominale désirée de rotation du moteur 1. Le drain du commutateur électronique 5 est connecté à l'entrée d'un filtre 9 dont la sortie est connectée à l'entrée d'un circuit de déclenchement 10. La sortie de ce dernier est connectée à une autre entrée 8b de l'unité de commande 8. Entre la sortie du circuit de déclenchement 10 et la masse, est disposée une diode zener 11 agissant comme limiteur de tension. L'entrée 8b de l'unité de commande 8 agit comme entrée pour l'acquisition d'un signal dont on peut déduire la vitesse effective de rotation du moteur électrique 1 en utilisant le procédé selon l'invention qui va être davantage décrit ci-après. L'unité de commande à microprocesseur 8 fonctionne de la manière suivante. Sur la base de la vitesse de rotation nominale requise du moteur 1, indiquée par le signal délivré à l'entrée 8a, l'unité 8 délivre au circuit de commande 7 des signaux de commande agissant de manière à faire correspondre le rapport cyclique du signal appliqué à la grille du commutateur électronique 5 à cette vitesse désirée. La tension V0 entre le drain du commutateur électronique 5 et la masse a maintenant une variation qualitative illustrée sur la partie gauche de la courbe supérieure de la figure 2. La tension V0 a une variation d'onde carrée comprise entre une valeur maximale correspondant sensiblement à la tension VB délivrée par la source 4 et une valeur sensiblement nulle (si la chute de tension aux bornes du commutateur électronique 5 lorsqu'il est conducteur est négligée). L'unité électronique 8 est réglée de manière à détecter périodiquement la vitesse effective de rotation du moteur 1 en interrompant périodiquement l'application du signal de commande PWM à la grille du commutateur électronique 5. À l'apparition d'une telle interruption, comme illustré à titre d'exemple à l'instant t, sur la figure 2, la tension V0 a initialement une variation transitoire qui est une crête de surtension (modeste) sensiblement égale à la tension de conduction directe de la diode de remise en circulation 6, suivie par une diminution jusqu'aà un niveau qui est en moyenne inférieur à la tension VB (sur la figure 2, pour simplifier, l'échelle de temps entre tl et t2 a été dilatée). Lorsque ce transitoire initial a diminué, tandis que l'application du signal de commande à l'entrée du commutateur 5 reste interrompue (intervalle de temps compris entre t2 et t3 sur la figure 2) la tension V0 a une valeur moyenne égale à la différence entre la tension VB délivrée par la source 4 et la force électromotrice EMF créée aux bornes de l'enroulement 2 du moteur électrique 1. En particulier, entre les instants t2 et t3, la variation de la tension V0 a une ondulation marquée correspondant à l'ondulation de la force électromotrice FEM due à la commutation des contacts entre les balais et les segments du commutateur du moteur électrique 1. Cette ondulation de la tension V0 a une fréquence nettement inférieure à celle du signal de commande PWM appliqué à la grille du commutateur électronique 5 et elle est, par exemple, de l'ordre de quelques centaines de Hz. La fréquence de l'ondulation du signal Vo0, dans l'intervalle de temps t3-t2, est proportionnelle à la vitesse de rotation du moteur électrique 1. En conséquence, le signal V0, après passage à travers le filtre 9, peut être équarri au moyen du circuit de déclenchement 10 de façon à obtenir un signal d'une fréquence correspondante, indiqué par Vi sur la courbe inférieure de la figure 2. Le signal Vi est appliqué à l'entrée 8b de l'unité de commande à microprocesseur 8. Cette dernière est réglée pour déterminer la vitesse effective de rotation du moteur électrique 1 sur la base de la fréquence du signal Vi. Puis, à l'instant indiqué par t3 sur la figure 2, l'unité de commande 8 recommence à appliquer le signal de commande PWM à l'entrée de commande ou grille du commutateur électronique 5. La période de temps t3-t1 pendant laquelle le signal de commande appliqué au commutateur électronique 5 a été interrompu doit évidemment être suffisamment longue pour permettre à la fois la diminution du transitoire initial associé à la remise en circulation du courant du moteur dans la diode 6 (intervalle t2-t1) et la "lecture" d'un certain nombre de commutations de la tension V0, pour une acquisition fiable de la vitesse de rotation. L'intervalle pendant lequel le signal de commande PWM est interrompu ne doit, toutefois, pas être excessivement long pour éviter un ralentissement appréciable du moteur, la génération d'un bruit acoustique et une forte ondulation du courant qui est consommé provenant de la source de tension lors du re- déclenchement du commutateur 5. Cette ondulation peut influencer d'autres dispositifs connectés à la même source de tension. Avec des moteurs du type habituel, le transitoire initial (intervalle t2t1) diminue généralement en une durée maximale inférieure à 1 ms. De plus, d'après les tests effectués par le demandeur, l'interruption du signal de commande PWM pendant une durée (t3-tl) égale à ms est absolument acceptable, à la fois du point de vue de la vitesse de rotation du moteur et du point de vue acoustique et de celui de l'ondulation de courant générée. L'interruption périodique ou "extinction" du signal de commande appliqué au commutateur électronique 5 permet ainsi à la vitesse de rotation effective du moteur électrique d'être facilement détectée d'une manière fiable et précise. De façon commode, l'unité de commande 8 est agencée pour effectuer des interruptions successives du signal de commande PWM, avec une fréquence de répétition qui est, de préférence, non- constante, mais qui est plutôt aléatoire, de façon à rendre les effets acoustiques de ces interruptions répétées absolument imperceptibles. Les agencements décrits ci-dessus en référence à la figure 1 envisagent que la vitesse effective de rotation du moteur électrique soit détectée en détectant la fréquence de l'ondulation du signal V0 ou plutôt en comptant ses oscillations pendant une durée prédéterminée. Sur la figure 3, est représentée une variante de mode de réalisation qui va maintenant être décrite. Sur cette figure, les parties et éléments déjà décrits ont de nouveau reçu les mêmes références alphanumériques. Dans la variante selon la figure 3, la détection de la vitesse de rotation effective du moteur électrique 1 est de nouveau effectuée au cours d'une interruption du signal de commande PWM appliqué à la grille du commutateur électronique 5. Toutefois, celle-ci est basée sur le fait qu'après le transitoire initial (intervalle t2-tl de la figure 2) la valeur moyenne de la tension V0 dans l'intervalle t3-t2 est corrélée de manière unique à la vitesse effective de rotation du moteur. En effet, dans cet intervalle de temps, la valeur moyenne de V0 est égale à la différence entre la tension Vs générée par la source 4 et la force électromotrice moyenne FEM créée aux bornes de l'enroulement 2 du moteur. Cette dernière est sensiblement proportionnelle (selon une loi non linéaire) à la vitesse de rotation effective du moteur. Dans l'agencement selon la figure 3, le drain du commutateur électronique 5 est ainsi connecté à l'entrée de la première section d'un convertisseur analogique-numérique 12 par l'intermédiaire d'un filtre 9. Le pôle positif de la source 4 est, de plus, connecté à une deuxième section du convertisseur 12. Cette dernière délivre à une série d'entrées 8b de l'unité de commande à microprocesseur 8, des signaux numériques indiquant la valeur instantanée de la tension VB et du signal V0. L'unité de commande 8 est réglée de manière à déterminer, sur la base des signaux, la valeur moyenne de la force électromotrice FEM et pour en déduire la vitesse effective de rotation du moteur. En ce qui concerne la durée de la période de temps t3-t1 pendant laquelle le signal de commande PWM est interrompu, les mêmes considérations déjà expliquées en relation avec le mode de réalisation de la figure 1 sont également vraies pour le mode de réalisation de la figure 3. Le mode de réalisation de la figure 1 assure une bonne précision dans la détection de la vitesse, en particulier lorsque cette vitesse est élevée, tandis que le mode de réalisation de la figure 3 est capable de permettre une bonne précision de détection, en particulier aux faibles vitesses. Considérant ce qui précède, dans un autre mode de réalisation, nonillustré sur les dessins, aussi bien l'agencement selon la figure 1 que celui selon la figure 3, peuvent être mis en euvre et l'unité de commande à microprocesseur 8 peut être commodément agencée pour déterminer la vitesse de rotation du moteur en utilisant le premier agencement, lorsque la vitesse requise ou nominale de rotation du moteur est supérieure à une valeur prédéterminée et selon le deuxième agencement lorsque la vitesse requise ou nominale est inférieure à ladite valeur prédéterminée. Sur la figure 4, est représenté un schéma de circuit détectant la vitesse et/ou la position d'un moteur à courant continu du type sans balai. Dans l'agencement illustré sur cette figure, le moteur sans balai est un moteur triphasé à simple alternance avec un rotor à aimant permanent (non représenté). Le moteur sans balai 101 de la figure 4 comporte trois enroulements de stator ou phases 102a, 102b, 102c, tous connectés au pouvant être connectés entre le pôle positif d'une source d'alimentation de tension en courant continu 104 et les commutateurs de commande électroniques respectifs 105a, 105b, 105c. Ces derniers peuvent également être dans ce cas des transistors MOSFET. Les entrées de commande ou grilles des commutateurs électroniques associés aux phases du moteur 101 sont connectées aux sorties correspondantes d'un circuit de commande 107, capable de fournir leurs signaux de commande d'onde carrée respectifs modulés par largeur d'impulsion (PWM). Le circuit de commande 107 est commandé par une unité de commande à microprocesseur 108 qui reçoit sur son entrée 108a un signal indiquant la vitesse requise nominale de rotation du moteur. Les drains des commutateurs électroniques 105a, b, 105c, sont connectés, par l'intermédiaire de filtres respectifs 109a, 109b, 109c, à des entrées correspondantes de l'unité de commande 108. Cette dernière est agencée pour interrompre l'application du signal de commande à la grille de chaque commutateur a, 105b, 105c, pendant une période de temps respective d'une durée prédéterminée pendant laquelle un signal respectif V0a, Vob, V0c, est acquis de façon corrélée avec la tension de l'enroulement de stator correspondant ou phase du moteur 101. Les signaux V0a, VOb, V0oc, sont en particulier représentatifs des forces électromagnétiques induites dans l'enroulement correspondant ou phase 102a, 102b, 102c, du moteur. L'unité de commande 108 est agencée pour détecter le signe de ces forces électromotrices et pour déterminer, sur la base de ce signe, la vitesse et/ou la position du rotor du moteur. La détection de la vitesse de rotation d'un moteur électrique à courant continu selon l'invention présente des caractéristiques de précision telles qu'elle permet au système de commande associé au moteur d'éviter à ce dernier de tourner à certaines valeur de vitesses pour lesquelles un phénomène de résonance magnétique peut apparaître. Naturellement, les principes de l'invention restant les mêmes, les modes de réalisation et les détails de la construction peuvent largement varier par rapport à ceux qui ont été décrits et illustrés simplement au moyen d'un exemple non limitatif, sans s'écarter ainsi de l'invention telle que définie. REVENDICATIONS 1. Un procédé pour détecter la vitesse de rotation d'un moteur électrique à courant continu (1; 101) comprenant au moins un enroulement (2; 102a, 102b, 102c) pouvant être connecté à une source d'alimentation de tension en courant continu (4; 104) au moyen d'un commutateur électronique (5; 105a, 105b, 105c) auquel est associé un circuit de commande (7,8; 107, 108) capable de fournir un signal de commande d'onde carrée modulé en largeur d'impulsions (PWM); le procédé comprenant les opérations consistant à: interrompre l'application de ce dit signal de commande au commutateur électronique (5; 105a, 105b, c) pendant une période de temps (t3-t1) de durée prédéterminée, acquérir, pendant ladite période de temps (t3-t1) un signal (V0; V0a, Vob, VOc) corrélé à la tension aux bornes dudit enroulement (2; 102a, 102b, 102c), et détecter au moins une caractéristique prédéterminée dudit signal (V0; Voa, Vob, Voc) en fonction de la vitesse de rotation du moteur (1; 101). 2. Un procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'application dudit signal de commande au commutateur (5; 105a, 105b, 105c) est interrompue une pluralité de fois à une fréquence de répétition qui est sensiblement aléatoire. 3. Un procédé selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que ladite caractéristique est détectée dans un intervalle de temps (t3-t2) basé sur ladite période d'interruption (t3-t1) dudit signal de commande et commençant après un retard prédéterminé (t2-tl) par rapport à l'interruption dudit (t1) dudit signal de commande. 4. Un procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, en particulier pour détecter la vitesse de rotation d'un moteur électrique (1) dont le rotor est pourvu d'un commutateur segmenté auquel des balais sont associés (3a, 3b) connectés à la source de tension (4) et, respectivement, au commutateur électronique (5); le procédé étant caractérisé en ce que ledit signal (V0) est corrélé avec la tension entre lesdits balais (3a, 3b). 5. Un procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que la caractéristique détectée dudit signal (V0) est sensiblement la fréquence de l'ondulation de ladite tension (V0) due à la commutation de contact entre balais (3a, 3b) et les segments du commutateur. 6. Un procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que la caractéristique détectée dudit signal (V0) est sensiblement la valeur moyenne de la tension (V0). 7. Un procédé selon la revendication 4, pour détecter la vitesse effective de rotation d'un moteur (1) auquel est associé un système de commande de vitesse (7, 8; 8a) pouvant être actionné pour commander ledit commutateur électronique (5) avec un signal de commande PWM dont la largeur d'impulsions correspond à une vitesse nominale désirée de rotation du moteur (1); caractérisé en ce que lorsque ladite vitesse nominale de rotation est supérieure et, respectivement, inférieure à une valeur prédéterminée, la caractéristique détectée est la fréquence de l'ondulation dudit signal (V0) due à la commutation de contact entre les balais et les segments du commutateur et, respectivement, la valeur moyenne de ladite tension (VO). 8. Un procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, pour détecter la vitesse et/ou la position angulaire du rotor d'un moteur électrique sans balai à aimant permanent (101) comprenant une pluralité d'enroulements de stator ou phases (102a, 102b, 102c) chacun d'entre eux pouvant être connecté de manière sélective à une source d'alimentation de tension en courant continu (104) par l'intermédiaire d'un commutateur électronique respectif (105a, 105b, 105c) commandé avec un signal de commande d'onde carrée modulé en largeur d'impulsions (PWM); caractérisé en ce que l'application du signal de commande à chaque commutateur (105a, 105b, 105c) est interrompue pendant une période de temps respective de durée prédéterminée, pendant laquelle est acquis un signal (V0a, Vob, V0O) corrélé à la tension aux bornes de l'enroulement correspondant ou phase (102a, 102b, 102c) du moteur (101) et au moins une caractéristique prédéterminée dudit signal (V0a, Vob, Voc) dépendant de la vitesse et/ou de la position angulaire du rotor du moteur (101) est détectée. 9. Un procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que ledit signal (V0a, Vob, V0c) représente la force électromotrice induite dans l'enroulement de stator ou phase (102a, 102b, 102c) et le signe de ladite force électromotrice est détecté. 10. Un dispositif pour exécuter le traitement d'une ou plusieurs des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend: des moyens de commande (8; 108) pouvant être actionnés pour provoquer l'interruption de l'application dudit signal de commande (PWM) au commutateur électronique (5; 105a, 105b, 105c) pendant une période de temps (t3- tl) d'une durée prédéterminée, des moyens d'acquisition (9-12; 109a, 109b, 109c) pouvant être actionnés pour permettre l'acquisition, pendant ladite période de temps (t3-tl) d'un signal corrélé à la tension aux bornes dudit enroulement (2; 102a, 102b, 102c), et des moyens formant détecteur (8; 108) pouvant être actionnés pour détecter au moins une caractéristique prédéterminée dudit signal (V0a, VOb, V0c) dépendant de la vitesse de rotation du moteur (1; 101).