Brevet FR2807234A1 — publié le 20011005

Dispositif d'autopilotage pour moteur électrique monophase ou multiphasé à courant continu La présente invention concerne un dispositif d'auto-pilotage pour moteurs électriques mono ou multiphasés commandés électroniquement des créneaux de tension. De tels moteurs autopilotés, que l'on dénomme généralement moteurs à courant continu sans balais, sont très utilisés en robotique et notamment dans les applications industrielles dans lesquelles les contraintes de fiabilité, de durée de vie, de bruits, etc... sont sévères. Ils forment alors des actionneurs très demandés, et équipent par exemple les ordinateurs, notamment associés à des ventilateurs évacuant la chaleur des cartes mères. En revanche, ce type d'actionneur n'est pratiquement pas utilisé dans le domaine de l'automobile, car le surcoût lié à l'électronique associé au moteur d'une part, et à un capteur nécessaire à l'autopilotage d'autre part, est dans la plupart des cas rédhibitoire. L'intérêt de l'autopilotage est d'obtenir un couple électromagnétique maximal par contrôle de la commutation des phases du moteur. Le moment de commutation doit en fait correspondre au moment où le flux embrassé par la phase à commuter est maximal. Pour connaître le moment adéquat pour commuter les phases, on utilise traditionnellement un capteur, par exemple à effet Hall, fournissant une information sur la position du rotor par rapport au stator (en général à aimants permanents), ou informant du changement de polarité desdits aimants. Le capteur effet Hall est donc de préférence placé de telle sorte qu'un changement de polarité soit effectué lorsque le flux embrassé par la phase à commuter est maximal. On réalise ainsi une machine synchrone à inducteur tournant alors que l'induit est fixe et alimenté par un système de courants variables produisant un champ tournant, créé en fait par une alimentation continue utilisant une commutation électronique des courants dans l'induit. Le dispositif de commutation électronique est de fait un onduleur, dont l'association avec le capteur réalise une fonction de collecteur électronique, par comparaison avec le collecteur mécanique des moteurs à courant continu. Comme indiqué, le secteur de l'automobile utilise généralement des actionneurs à faible coût, dans une pluralité d'applications du type lève-vitre, ventilateurs, rétroviseur, volets de climatisations, etc... Dans ces utilisations, l'inconvénient majeur de l'autopilotage tel que défini ci-dessus réside dans l'intégration du capteur et de l'électronique associée dans le moteur (problème d'espace), ainsi que dans le surcoût que cela engendre. C'est la raison pour laquelle on utilise à présent soit des moteurs à courant continu balais, soit des moteurs pas-à-pas (à aimants permanents ou à réluctance, mais sans autopilotage), le contrôle de la position étant alors assuré par comptage du nombre de pas ou des impulsions de commande. Les moteurs à courant continu à balais présentent cependant un double inconvénient: avec le temps, il se produit une usure du collecteur et des balais, qui limitent la durée de vie ou le nombre de cycles de fonctionnement. Les moteurs pas-à-pas n'ont pas ces inconvénients, mais ils offrent des performances inférieures en termes de vitesse ou de fréquence maximale de fonctionnement, du fait de l'absence d'autopilotage. si fait abstraction des inconvénients précités tenant au coût et l'encombrement, les moteurs à courant continu sans balais constituent une excellente alternative aux précédents, dont ils ne présentent aucun des inconvénients. Leurs performances . sont en effet excellentes, grâce l'autocommutation des phases. De plus, l'absence de balais et de collecteur résout le problème de l'usure prématurée, la position est contrôlée grâce au capteur d'autopilotage et le comptage du nombre de pas est alors également assuré. Enfin, le bruit acoustique est sensiblement réduit, du fait de l'absence de balais/collecteur, qui provoquaient en outre des étincelles générant un bruit électromagnétique qui n'a plus de raison d'être. La présente invention se propose de résoudre les problèmes d'encombrement et de surcoût, en offrant une solution originale qui n'est plus basée sur un capteur et qui s'affranchit par conséquent également de l'électronique associée à ce dernier. Le dispositif d'autopilotage de l'invention, prévu pour des moteurs électriques monophasés ou multiphasés à courant continu, commandés au moyen de créneaux de tension générés par un ou plusieurs circuits électroniques de commande des phases du moteur de telle sorte qu'il y ait synchronisation entre le courant d'alimentation de chaque phase et la force contre-électromotrice générée dans la bobine du moteur correspondant, est caractérisé en ce qu'il comporte, en parallèle avec la bobine de la ou de l'une des phases, un circuit extérieur au moteur modélisant ladite bobine, permettant d'obtenir, par mesure simultanée du courant dans la bobine du moteur et d'un signal dans ledit circuit modélisateur simulant le courant dans une inductance sans l'influence de la force contre-électromotrice, un signal différentiel reflétant la forme de la force contre- électromotrice généré dans la bobine, ledit signal servant à commander le circuit électronique de commande, via au moins un étage électronique permettant d'ajuster la valeur de déphasage entre le signal différentiel et la tension de commande. Le capteur est remplacé par un circuit de modélisation extrêmement souple, comme on le verra dans la suite, dont l'électronique de pilotage s'integre dans l'électronique nécessaire à la création des signaux de commande d'un moteur par exemple pas-à-pas. L'invention permet également le réglage de l'angle d'avance, que l'on peut comparer à l'angle d'avance à l'allumage d'un moteur thermique, entre tension et la force contre-électromotrice, et donc une optimisation de ses performances, c'est-à-dire du couple ou de la puissance électromagnétique. De préférence, le circuit modélisateur est un circuit R-C ayant la même constante de temps qu'un circuit L-R équivalent à la bobine du moteur auquel i est couplé, dont la tension aux bornes du condensateur simule le courant parcourant ledit circuit L-R équivalent à la bobine. En théorie, le circuit modélisateur le plus naturel devrait bien entendu être un circuit L-R équivalent à la bobine auquel il est couplé. Cependant, l'utilisation d'une bobine additionnelle pose à nouveau les problèmes déja rencontrés d'encombrement et de coût, et annulerait en pratique les avantages théoriques de l'invention. Or, compte tenu de la dualité courant- tension et inductance-capacité, on peut aisément simuler le courant d'un réseau L- R par la tension d'un réseau R-C, à condition que lesdits réseaux aient la même constante de temps Cette solution présente l'avantage d'être simple et économique à réaliser. D'autres solutions pourraient encore être envisagées, comme l'utilisation d'un circuit dit gyrateur simulant le comportement d'une bobine, évidemment calculé pour être équivalent à la bobine du moteur, mais elles sont plus compliquées à mettre en oeuvre, et plus onéreuses en général. Concrètement, une résistance est connectée en série avec la bobine du moteur, pour y mesurer la valeur du courant, la valeur de ladite résistance étant prévue pour éviter que les pertes par effet Joule aient une influence sur la mesure, et pour que la tension à ses bornes soit mesurable et peu bruitée. Cette résistance Rm est notamment choisie faible par rapport à la résistance r interne de la bobine du moteur, d'induction Lm. L'équation précédente marquant l'égalité de la constante de temps, devrait en principe s'écrire mais Rm r et elle s'écrit donc Pour pouvoir exploiter les deux signaux issus de la bobine du moteur et du circuit modélisateur, ces derniers sont envoyés à un étage différentiel. De préférence, l'étage différentiel comporte un premier niveau constitué de deux amplificateurs opérationnels disposés respectivement en sortie de la bobine du moteur et du circuit modélisateur, dont les gains sont adaptés aux signaux mesurés et aux atténuations obtenues, les sorties de ces amplificateurs étant connectées aux deux entrées d'un troisième amplificateur différentiel constituant le second niveau opérant avec des signaux compatibles. En effet, les circuits Lm, r, Rm et R, C conduisent à des atténuations en régime stabilisé qui sont sensiblement différentes, et s'écrivent respectivement qui nécessitent le premier niveau d'adaptation permettant la réalisation d'une différenciation cohérente au second niveau. Ensuite, la sortie de l'étage différentiel est connectée à un étage de déclenchement à seuil produisant signal carré, permettant l'ajustement de la valeur du déphasage entre le signal différentiel et la tension de commande de chaque bobine du moteur. De préférence, l'étage de déclenchement à seuil est constitué d'un trigger de Schmitt. Le signal obtenu en sortie peut commander les moyens électroniques de commande des différentes phases du moteur. Selon une possibilité, le circuit comporte un étage de détection d'une composante continue du signal différentiel, disposé en sortie de l'étage de déclenchement à seuil, et relié à alarme et/ou générant un signal commandant l'arrêt du moteur. En effet, lors du blocage du moteur, le rapport cyclique de la force contre- électromotrice devient différent de 1I2. Sa valeur moyenne devient donc non nulle (pour un trigger alimenté en +Vcc, -Vcc) et mesurable. Cette mesure permet bien entendu de détecter le blocage du moteur. De plus, la sortie de l'étage de déclenchement à seuil est relié à un étage de déphasage et est divisée en un nombre de branches correspondant au nombre n (entier) de phases du moteur à piloter, dotées d'un circuit déphaseur réalisant un déphasage électrique respectivement de si n est impair et de si n est pair pour la commande de la phase ayant servi à créer le signal différentiel, puis itérativement respectivement de ou supplémentaire pour (n-1) phases suivantes. En fait, chaque branche est connectée en sortie de l'étage de déphasage à un circuit de commande d'une phase du moteur. Plus précisément, le signal en sortie de chaque circuit de déphasage est envoyé, ainsi que le même signal à l'état inversé pour réaliser une commande complémentaire, à un circuit du type pont en H dont les sorties alimentent soit simultanément la bobine d'une phase du moteur et le circuit modélisateur soit les bobines de chaque autre phase. des avantages de l'électronique décrite ci-dessus est qu'elle n' pas exclusive à la commande d'un moteur à courant continu autopiloté : elle peut très bien appliquer également à la commande d'un moteur pas-à-pas, pourvu 'un étage supplémentaire de sélection soit inséré entre l'étage de déclenchement à seuil l'étage de déphasage permettant la sélection entre un mode autopiloté et un mode pas-à-pas, par connexion respectivement à l'étage de déclenchement à seuil ou à une horloge. La connexion à l'horloge permet de commander les ponts générant les créneaux de tension en boucle ouverte, à l'inverse du fonctionnement autopiloté qui repose sur la fermeture de la boucle. L'invention va à présent être expliquée plus en détail en référence aux figures annexées, pour lesquelles la figure 1 est un schéma fonctionnel théorique du circuit de l'invention appliqué à un moteur diphasé ; la figure 2 représente un exemple de circuit électronique réalisant l'autopilotage ; la figure 3 est une courbe représentant l'allure du signal différentiel ; - la figure 4 est un diagramme de Fresnel des grandeurs sinusoïdales impliquées dans le calcul de l'angle de déphasage. référence â la figure 1, on dispose en parallèle à l'une des phases du moteur (M) une bobine de référence (Lr) et une résistance de référence alors 'on connecte en série à la bobine (Lm) de ladite phase une résistance de mesure (Rm). deux signaux mesurés sont envoyés à un étage différentiel (E1) suivi d'un étage de déclenchement (E2) permettant de régler l'angle d'avance, que l'on nomme 8. En sortie de l'étage de déclenchement (E2), un circuit (D) permet la détection d'une composante continue, et donc du blocage du moteur, (D) qui commande à son tour une alarme et/ou un arrêt du moteur (M). Toujours sortie de l'étage (E2), un dispositif de selection (S) permet la commutation entre ladite sortie et une horloge (H) assurant le fonctionnement en mode pas-à- en boucle ouverte. Ensuite, signal est envoyé soit directement à un pont en H (A) dont les sorties commandent la bobine de la seconde phase, alors que le même signal, déphasé de commande un second pont en H (B) dont les sorties alimentent la première phase du moteur (M). Plus précisément, ces signaux de commande du pont en H sont en outre inversés par inverseurs (I) pour qu'une commande double complémentaire de ces ponts puisse être établie. La figure illustre plus précisément le circuit électronique d'autopilotage, à partir des sorties d'un pont en H alimentant d'une part la bobine du moteur, et d'autre part circuit R-C de simulation de la bobine. Comme indiqué auparavant, du fait de l'atténuation différente en sortie de deux voies, deux amplificateurs différentiels (1, 2) polarisés de manière adéquate rendent les deux signaux compatibles pour un traitement différentiel réalisé par un troisième amplificateur (3). Celui-ci est suivi par un trigger (4) basé sur le même intégré que ceux qui sont utilisés dans l'étage différentiel précédent. En sortie de ce trigger, le signal est envoyé, en tant que et à l'état inverse vers les entrées IN2A et IN2B d'un pont en H, par exemple commercialisé sous la référence L6202 par SGS-Thomson. Ce signal peut également subir un déphasage, pour alimenter une autre phase du moteur. Dans le cas illustré d'un moteur diphase, un circuit déphaseur (5) déphase de FI/2 ledit signal, envoyé ensuite, à l'état premier et inversé, à un autre pont en H, dont les entrées sont référencée et IN1 B. Les sorties de ces ponts en H alimentent les bobines des deux phases de ce moteur diphasé. Le principe est évidemment généralisable à n phases sans autres modifications que dans l'étage de déphasage et le type de pont utilisé. Un circuit disposé en sortie du trigger (4) permet la détection du blocage du moteur. La mise en équation expliquant la solution de l'invention peut se faire de la manière qui suit. Lorsque le rotor d'un moteur électrique est bloqué, la force contre- électromotrice (e(t)) est nulle et il se comporte comme une simple résistance (R) en série avec une inductance (L). Dans le cas d'une alimentation bipolaire en créneaux de tension (-U, +U) la montée du courant rotor bloqué suit une loi exponentielle avec i = L/R Lorsque le moteur tourne l'allure du courant i(t) dans une des phases est plus ou moins déformée suivant la vitesse de rotation du moteur, compte tenu de l'existence de la force contre-électromotrice e(t). négligeant les pertes fer et en supposant qu'il n'y a pas de saturation importante dans le moteur, l'expression du courant déformé s'obtient en résolvant l'équation différentielle suivante où terme @f représente le flux inducteur, c'est-à-dire le flux embrasse par une phase du moteur. Le terme (d@/dt) est donc la force contre-électromotrice du moteur, qui, en l'absence de "défluxage", n'est due qu'au flux créé l'aimant (force électromotrice à vide). supposant l'allure du flux inducteur proche d'une sinusoïde, résolution de cette équation donne la solution analytique suivante et: a=iz-S-arctg(L.co/R) (équation 5) ayant posé : Of = -O f. . cos(c).t - 8) e(t) dO f I dt oo.Of". sin(co.t - 8) (équation 6) L'angle ô représente l'angle d'avance entre la tension d'alimentation et la force électromotrice à vide (pulsation électrique co) du moteur tournant à la vitesse de rotation angulaire mécanique co,=(w/p), où p est le nombre de paires de pôles du moteur. Dans le cas où la vitesse de rotation du moteur n'est pas trop importante, telle que 7c.co (exp(-iz/(i.co)) 1), le courant différentiel id(t)=i(t)-ib(t) est sensiblement sinusoïdal id (t) = 1o. sin(c).t + a) = 1o. sin(co.t + Ir - 8 - arctg(Liu / R)) (équation 7) Une image de ce courant différentiel est représentée en figure 3. Ce signal différentiel est obtenu avec un moteur pas-à-pas diphase de résistance 50S2 alimenté créneaux de tension par un pont en H. L'inductance d'une des phases mesurée au pont d'impédance est voisine de 60mH (i=1,2ms). La pulsation electrique du courant visualisé est voisine de c)= n.50 rads (soit une vitesse moteur proche de 200 pas/sec H 10Hz) ; vérifie bien que i.ùo=0,12.n , ce qui donne exp.(- n/(i.co)=2,4.10-4. Le signal différentiel ci-dessus va permettre de remplacer le signal issu d'un capteur à effet Hall (ou autre). En effet si on veut commuter les phases de manière à ce que la force contre- électromotrice soit en phase avec le courant, il faut imposer l'angle d'avance 8. Or, l'expression du courant différentiel (équation 7) contient cet angle. II s'agit donc de trouver sa valeur pour générer à partir du signal différentiel la commande du pont en qui alimente le moteur. Le flux inducteur étant supposé sinusoïdal (e(t) aussi), quelle que soit l'allure du courant imposée par la tension d'alimentation, seul le fondamental du courant participe à création du couple électromagnétique moyen. Les harmoniques du courant créent uniquement des ondulations de couple et non pas de couple moyen. Ainsi, on traite le problème en régime sinusoïdal en écrivant l'équation 2 avec les grandeurs de Fresnel (valeurs efficaces) V = E.exp(-j8)+ R. I.exp(-jçp)+ jLco.l.exp(-jçp) où (p est le déphasage entre I et V. Le diagramme de Fresnel de l'équation électrique apparaissant en figure 4, et référencé par rapport au flux inducteur, permet de définir également l'angle 4f entre le courant 1 et la force contre-électromotrice E La projection de ces différentes grandeurs sur les axes Id et Iq, permet de trouver l'expression de l'angle y. On trouve après calculs L'angle d'avance 8 qui maximise le couple moteur obtient ensuite en posant W=0 (E en phase avec I). II faut donc résoudre l'équation Si la valeur efficace de la force contre-électromotrice petite devant la tension efficace d'alimentation : (valeur efficace du fondamental la tension en créneaux), le second terme de cette équation peut, en première approximation, être négligé et l'angle d'avance est sensiblement égal à Par exemple, pour R=5052 et L=60mH avec V=1 0V - à 200pas/sec (50Hz électrique) si E=500mV, l'angle d'avance (8) est d'environ 20 et a=140 (utilisation de l'équation 10) - par contre à 1200pas/sec (300Hz électrique) si E=3V, l'angle d'avance (8) est d'environ 50 et a=80 (utilisation de l'équation 9). Ces résultats montrent (pour l'exemple d'un moteur déphasé choisi) que la commutation des phases doit être effectuée en retard de phase par rapport au courant différentiel d'un angle voisin de 90 voire plus. C'est pourquoi, en pratique, le signal mis en forme à partir du courant différentiel d'une phase (signal "carré") sera plutôt envoyé directement pour commander la commutation de l'autre phase du moteur pas-à-pas : un ajustement pourra ensuite être réalisé de manière plus précise suivant la vitesse rotation du moteur. Le déphasage de 90 électrique (T/4) sera ensuite appliqué au signal différentiel "carré" pour piloter la phase qui a servi à créer le signal de commande. Ce résultat est bien entendu généralisable à des moteurs n phases. Le circuit de l'invention peut également par exemple être utilisé pour la détection d'une butée sur l'arbre de sortie de l'actionneur, quia pour effet indésirable de provoquer un décrochage du moteur, voire un retournement. Le début de ce dernier est perceptible dans le signal différentiel, dont la fréquence et l'amplitude augmentent simultanément. L'exploitation de ce phénomène, par détection de la fréquence ou de l'amplitude du signal, peut être mise en ceuvre afin d'arrêter le moteur, et éviter un mouvement perpétuel de va-et-vient sur une butée. La description ci-dessus, notamment d'un circuit électronique adapté à la mise en oeuvre de l'invention, n'est qu'un exemple illustratif qui ne doit pas être considéré comme exhaustif de l'invention. Celle-ci englobe au contraire toutes les variations de forme et de configuration qui sont à la portée de l'homme de l'art pour résoudre ce problème dans le cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'autopilotage pour moteur électrique monophasé multiphasé à courant continu, commandé au moyen de créneaux de tension générés par un ou plusieurs circuits électroniques de commande des phases du moteur de telle sorte qu'il y ait synchronisation entre le courant d'alimentation de chaque phase et la force contre-électromotrice générée dans la bobine du moteur correspondant, caractérisé en ce qu'il comporte, en parallèle avec la bobine de ou de l'une des phases, un circuit extérieur au moteur modélisant ladite bobine, permettant d'obtenir, par mesure simultanée du courant dans la bobine du moteur et d'un signal dans ledit circuit modélisateur simulant le courant dans une inductance sans l'influence de force contre- électromotrice un signal différentiel reflétant la forme de la force contre- électromotrice généré dans la bobine, ledit signal servant à commander le circuit électronique de commande, via au moins un étage électronique permettant d'ajuster la valeur de déphasage entre le signal différentiel et la tension de commande. 2. Dispositif d'autopilotage pour moteur électrique à courant continu selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le circuit modélisateur est un circuit R-C ayant la même constante de temps qu'un circuit L-R équivalent à la bobine du moteur auquel il est couplé, dont la tension aux bornes du condensateur simule le courant parcourant ledit circuit L-R équivalent à la bobine. 3. Dispositif d'autopilotage pour moteur électrique à courant continu selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit modélisateur est un circuit L-R équivalent à la bobine du moteur auquel il est couplé. 4. Dispositif d'autopilotage pour moteur électrique à courant continu selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit modélisateur est un circuit électronique dit gyrateur simulant le comportement d'une bobine, et calculé pour être équivalent à la bobine du moteur auquel il est couplé. 5. Dispositif d'autopilotage pour moteur électrique à courant continu selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'une résistance est connectée en série avec la bobine du moteur, pour y mesurer la valeur du courant, la valeur de ladite résistance étant prévue pour éviter que les pertes par effet Joule aient une influence sur la mesure, et pour que la tension à ses bornes soit mesurable et peu bruitée. 6. Dispositif d'autopilotage pour moteur électrique à courant continu selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les signaux issus de la bobine du moteur et du circuit modélisateur sont envoyés à un étage différentiel. 7. Dispositif d'autopilotage pour moteur électrique à courant continu selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l'étage différentiel comporte premier niveau constitué de deux amplificateurs opérationnels disposés respectivement en sortie de la bobine du moteur et du circuit modélisateur dont les gains sont adaptés aux signaux mesurés et aux atténuations obtenues, les sorties de ces amplificateurs étant connectées aux deux entrées d'un troisième amplificateur différentiel constituant le second niveau opérant avec des signaux compatibles. 8. Dispositif d'autopilotage pour moteur électrique à courant continu selon revendication précédente, caractérisé en ce que la sortie de l'étage différentiel connectée à un étage de déclenchement à seuil produisant un signal permettant l'ajustement de la valeur du déphasage entre le signal différentiel tension de commande de chaque bobine du moteur. 9. Dispositif d'autopilotage pour moteur électrique à courant continu selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l'étage de déclenchement à seuil est constitué d'un trigger de Schmitt. 10. Dispositif d'autopilotage pour moteur électrique à courant continu selon l'une des revendications 8 et 9, caractérisé en ce qu'il comporte un étage de detection d'une composante continue du signal différentiel, disposé en sortie de l'étage de déclenchement à seuil, et relié à une alarme etlou générant un signal commandant l'arrêt du moteur. 11. Dispositif d'autopilotage pour moteur électrique à courant continu selon l'une des revendications 8 à 10, caractérisé en ce que la sortie de l'étage de declenchement à seuil est relié à un étage de déphasage et en ce qu'elle est divisée en un nombre de branches correspondant au nombre n de phases moteur à piloter, dotées d'un circuit déphaseur réalisant un déphasage électrique respectivement de si n est impair et de si n est pair pour commande de la phase ayant servi à créer le signal différentiel, puis itérativement respectivement de ou supplémentaire pour les (n ) phases suivantes. 12. Dispositif d'autopilotage pour moteur électrique à courant continu selon la revendication précédente, caractérisé en ce que chaque branche est connectée sortie du circuit déphaseur à un circuit de commande d'une phase du moteur. 13. Dispositif d'autopilotage pour moteur électrique à courant continu selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le signal en sortie de chaque circuit de dephasage est envoyé, ainsi que le même signal à l'état inversé pour réaliser une commande complémentaire, à un circuit du type pont en H dont les sorties alimentent soit simultanément la bobine d'une phase moteur et circuit modélisateur, soit les bobines de chaque autre phase. 14. Dispositif d'autopilotage pour moteur électrique à courant continu selon l'une quelconque des revendications 11 à 13, caractérisé en ce qu'un étage supplémentaire de sélection est inséré entre l'étage de déclenchement seuil et l'etage de déphasage permettant la sélection entre un mode autopiloté et un mode pas-à-pas, par connexion respectivement à l'étage d déclenchement à seuil ou à une horloge.