Brevet FR2815189A1 — publié le 20020412

MOTO-REDUCTEUR ELECTRIQUE SANS BALAI AUTOCOMMUTE SUR UN SIGNAL DE POSITION ABSOLU La présente invention concerne le domaine des moto-réducteurs, comprenant un moteur électrique accouplé à un mécanisme de réduction de vitesse. On connaît dans l'art antérieur de nombreux moto-réducteurs utilisés dans le domaine automobile des vannes de contrôles de débit d'air, de recirculation de gaz, ou de climatisation d'air. Ces vannes sont habituellement constituées d'un moteur courant continu à balais, d'un ou 2 étages de réduction mécanique, et d'un potentiomètre de recopie de position de l'arbre de sortie. On trouvera une description d'une telle motorisation dans le brevet américain 5,672, 818 ou dans le brevet européen EP1009089. Le désavantage de ces solutions est l'utilisation d'un moteur à collecteur, ayant une durée de vie limitée dans des applications exigeantes en terme de température et de vibrations. De même les potentiomètres utilisés jusqu'à présent ont une durée de vie limitée du fait de la présence de balais. Les fabricants de ce type de vanne travaillent donc tous à l'introduction de moteurs"sans balais", qui sont des moteurs synchrones autocommutés par des signaux d'encodeurs intégrés au moteur, et à l'intégration de capteurs de position sans contact (de type magnétique, inductif ou capacitif) pour remplacer les solutions avec balais. Les moteurs à courant continu sans balai (moteurs brushless) sont connus dans l'état de l'art depuis de nombreuses années, dans des variantes polyphasées diverses, et on trouvera en figure 1 une vue d'un tel moteur triphasé (100) décrit dans le brevet US5,880, 551 de la demanderesse. On voit sur cette figure 1, la position des 3 sondes à effet Hall ( (1), (2), (3)), placées à l'intérieur de la denture (18), qui vont délivrer, comme indiqué sur la fig. 2,3 signaux déphasés de 1200 électriques ( (4), (5), (6) ) ainsi que le déphasage de ces signaux de sonde par rapport aux constantes de couple ( (7), (8), (9)) des 3 phases ( (19), (20), (21)) de la figure 1. La présence de ces sondes dans la partie statorique du moteur permet un gain de place notable, avec une phase à 1200 idéale assurée par le positionnement entre 2 dents de 2 phases juxtaposées. Le but de la présence de ces 3 sondes est de donner à une électronique de pilotage, appelée "logique de commutation"dans le texte de ce brevet des informations de position du rotor à 5 paires de pôles (22) de la figure 1. En fonction de ces informations de position du rotor, la logique de commutation va donner les instructions nécessaires à une électronique de"logique de contrôle"qui pilote les 6 transistors utilisés dans le cas d'un moteur triphasé par exemple (4 transistors pour un moteur diphasé). Ce mode de pilotage, appelé "autocommutation"permet de régler de façon optimale le déphasage du courant par rapport aux constantes de couple de chaque phase (puisqu'il se fait de façon automatique par rapport à la position du rotor) et de minimiser l'ondulation de couple qui serait pénalisante par la suite dans l'asservissement de position. De tels ensembles nécessitent un circuit électronique de commande recevant d'une part un signal d'entrée provenant du capteur de recopie de la position angulaire de l'arbre de sortie, et d'autre par les signaux d'entrée provenant de chacune des sondes de Hall. On trouvera à la figure 3 un schéma d'ensemble de l'électronique de commande d'un moto-réducteur sans balais intégré à une application de contrôle de vanne, connu dans l'art antérieur : la logique de contrôle (13) aura donc à gérer, par l'intermédiaire d'un signal PWM (Pulse Width Modulated) (15) et d'un signal de sens de marche (direction) (16), les informations en provenance du microcontrôleur (10), responsable de la gestion de l'asservissement de position grâce à un convertisseur analogique/numérique (11) faisant l'acquisition du signal du potentiomètre de sortie (12), et les informations en provenance de la logique de commutation (14) qui donne les informations relatives à la position du rotor (22). La logique de contrôle (13) va piloter l'étage de puissance (33) chargé d'imposer le courant dans chaque phase ( (19), (20), (21) ) et d'entraîner le rotor (22) lié au pignon d'entrée du réducteur de vitesse (23), qui entraîne l'arbre de sortie sur le quel est monté le capteur de position absolu (24). On doit donc imaginer que l'on a deux boucles d'asservissement imbriquées : a) une boucle d'asservissement de position où le microcontroleur, par l'intermédiaire du signal de PWM agissant sur la logique de contrôle et donc sur les transistors (33) d'une part, va moduler le niveau de courant vu par les phases du moteur, et par l'intermédiaire du signal de direction d'autre part, agissant sur la logique de commutation (14) va définir le sens de rotation du moteur. Cette boucle d'asservissement est d'un type identique à celle d'un asservissement de moteur à courant continu. b) Une boucle d'autocommutation qui va agir sur la logique de contrôle (13) par l'intermédiaire de la logique de commutation (14), et autoriser une séquence d'alimentation des phases en fonction de l'état des signaux de sondes SA, SB, SC ( (4), (5), (6) ). Le détail de l'imbrication de ces deux boucles est repris à la figure 4, où la logique de contrôle est représentée par les portes logiques ET pilotant les 6 transistors. L'inconvénient de ces solutions autocommutées par 3 sondes de l'art antérieur est le grand nombre de fils nécessaires. Chacune des sondes possède 3 fils de connexion (+5V, masse et signal), le moteur triphasé comporte au moins 3 fils de connexion, et le potentiomètre redondant peut comporter 4 fils (+5V, masse et 2 outputs). Les applications avec moteur à courant continu sans balai triphasé de la figure 1 peuvent donc se trouver connectées par 10 fils (+5V, masse, 3 signaux de sondes, 3 fils de connexion moteur, 2 signaux du potentiomètre redondant) alors que la même application avec moteur courant continu à balai telle que décrite dans la solution Bosch US 5,672, 818 ne comportera que 6 fils. Le but de la présente invention est d'éviter à la fois les inconvénients des actionneurs à moteur à balai, et des actionneurs à moteur sans balai, en proposant un actionneur comportant un moteur sans balai ne nécessitant qu'un nombre réduit de fils de câblage. La présente invention concerne des actionneurs électriques constitués d'au moins : - un moteur synchrone sans balai (100) polyphasé possédant P phases et N paires de pôles au rotor (22) - un réducteur de vitesse mécanique (23) à engrenages de rapport 1/R et de jeu angulaire j - un ressort de rappel (34) sur une position de référence de l'arbre de sortie (28) appelée 80 - un capteur de position absolu (24) fournissant une information de position exprimée en mV/ , ou dans le cas de sorties PWM pouvant être traitée en mV/0, de résolution r exprimée en degrés. et est particulièrement adaptée au contrôle de vannes à course limitée dans le domaine automobile. On trouvera à la figure 5 un descriptif de l'application type pour une vanne papillon d'admission d'air (27). Un tel actionneur selon l'invention exploite la présence du capteur potentiométrique, ou sans contact, de recopie de position de l'arbre de sortie pour déduire la position du rotor du moteur synchrone sans balai, et permet ainsi de diminuer le nombre de sondes et donc de connexions nécessaires. L'autocommutation du moteur brushless ne se fait plus par une information de position prise directement sur le rotor du moteur mais par une information de position indirecte en sortie de l'application. L'invention concerne selon son acception la plus générale un actionneur électrique constitué d'au moins un moteur synchrone sans balais autocommuté à P phases, P étant un nombre entier compris entre 1 et 6, et N paires de pôles au rotor, N étant un nombre entier supérieur ou égal à 1, l'actionneur comprenant un capteur de position dont le signal de sortie commande un circuit électronique de pilotage du moteur, le rotor dudit moteur entraînant un mécanisme réducteur de vitesse de rapport R caractérisé en ce que ledit capteur de position absolu est accouplé [non pas au rotor mais] à l'arbre de sortie du réducteur pour mesurer la position angulaire absolue de l'arbre de sortie du réducteur, le circuit électronique comportant un circuit de pilotage séquentiel du courant de chacune des phases réalisant une commutation automatique des séquences d'alimentation des phases en fonction de la position absolue de l'arbre de sortie du réducteur. Avantageusement, ledit réducteur de vitesse mécanique présente un rapport de réduction R supérieur à 2. Selon un mode de réalisation préféré, ledit réducteur de vitesse comporte un moyen de rappel de l'arbre de sortie dans une position angulaire de référence. Selon une variante particulière, le moyen de rappel de l'arbre est constitué par un ressort spiral dont l'une des extrémités est solidaire de l'arbre de sortie et l'autre extrémité est solidaire d'un point fixe. Selon un autre mode de réalisation permettant d'éviter le recours à un ressort ou à un moyen de rappel, le réducteur mécanique de vitesse présente un jeu inférieur à 180/ (N. P. R) De préférence, le capteur de position présente une résolution r inférieure à 180/ (N. P. R) degrés. Selon une variante particulière, le circuit électronique comporte une entrée pour recevoir le signal délivré par le capteur de position absolue de l'arbre de sortie du réducteur, et P sorties délivrant chacune un signal de pilotage de l'une des P phases du moteur, avec un déphasage de 360/P entre deux phases consécutives, N désignant le nombre de paires de pôles du moteur. Avantageusement, le circuit électronique comporte en outre une entrée pour recevoir un signal de référence correspondant à la position angulaire désirée, le circuit électronique réalisant une première boucle d'asservissement agissant sur l'intensité du couple moteur et une deuxième boucle d'autocommutation commandant les états de courant dans les phases du moteur. Selon une autre variante, l'électronique de pilotage des phases est constituée d'un étage de puissance à transistors pilotés par un étage de contrôle logique imposant la séquence d'alimentation et l'amplitude du courant des P phases. De préférence, l'étage de contrôle logique est constitué d'un microcontrôleur possédant au moins P sorties du type PWM permettant de régler de façon indépendante le courant de chacune des P phases. Selon un exemple de mise en oeuvre, l'électronique de pilotage des phases possède une séquence d'initialisation, à la mise sous tension, sur une position de référence définie par le ressort de rappel. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'un exemple non limitatif de réalisation qui suit, se référant aux dessins annexés où : - la figure 1 représente une vue schématique d'un actionneur selon l'art antérieur, la figure 2 représente les signaux électriques correspondant à un actionneur de l'art antérieur, - les figures 3 et 4 représentent une vue du circuit de commande d'un actionneur selon l'art antérieur, - la figure 5 représente une vue schématique d'un actionneur selon l'invention, - la figure 6 représente une vue en détail du capteur de position entraîné par l'arbre de sortie, - les figures 7 à 9 représentent une vue du circuit de commande d'un actionneur selon l'invention, - la figure 10 représente les signaux de sortie du capteur de position, la figure 11 représente un diagramme électrique vectoriel d'un actionneur selon l'invention, pour une position visée (en l'occurrence 1500 sur la figure). L'invention décrite à titre d'exemple dans ce qui suit comporte un moteur (100) triphasé à 5 paires de pôles tel que celui exposé à la figure 1. Il comprend de façon connue un stator (25) présentant trois épanouissements statoriques excités par des bobines électriques (19). Le rotor (22) présente 5 paires de pôles et comporte une alternance d'aimants minces aimantés radialement, selon des sens alternés. Il entraîne une roue dentée (50) entraînant le réducteur de vitesse (200) constitué de façon également connue par un train d'engrenages. L'arbre de sortie (28) du moto-réducteur supporte dans l'exemple décrit une vanne papillon (27). Un ressort de rappel (34) constitué par un ressort spiral agit sur l'arbre de sortie (28). L'arbre de sortie entraîne directement un capteur de position (24) représenté en détail en figure 6. Ce capteur de position est constitué par un stator (60) et un rotor (61) comprenant deux aimants minces (62,63) de forme semi-tubulaire, aimanté radialement en sens opposés. Le stator (60) présente dans l'exemple décrit deux entrefers (64,65) dans lesquels sont logées des sondes de Hall (66,67). Ce capteur (24) délivre des signaux représentatifs de la position angulaire réelle de l'arbre de sortie (28) du moto réducteur. Le signal délivré par un tel capteur de position absolu est équivalent à celui d'un capteur potentiométrique et est un signal analogique constitué par une tension sensiblement proportionnelle à la position angulaire, avec une résolution inférieure à 0. 10. Dans le cas de contrôle de vanne d'admission d'air pour moteur à injection, la norme impose un capteur de position absolu délivrant 2 signaux redondants (25,26) (fig. 10). La commande du moteur (100) nécessite un changement d'état tous les 120 pour un moteur triphasé à 5 paires de pôles, ce qui correspond à une condition nécessaire de changement d'état tous les 180/ (N. P) degrés pour l'autocommutation d'un moteur à P phases et N paires de pôles au rotor. Dans l'actionneur décrit en figure 5, le capteur 24 fournit un signal fonction de la position angulaire du moteur (100). Si nous négligeons le jeu j du réducteur, un incrément de position (0-00) sur l'arbre de sortie correspond à un incrément de position Re o) au rotor du moteur. Pour pouvoir assurer l'autocommutation avec un actionneur conforme à l'exemple décrit, il est nécessaire qu'un changement d'état intervienne pour chaque incrément de position du rotor égal à 120. La résolution r nécessaire pour le potentiomètre de sortie est donc 6-60 = 12 /R = r Dans le cadre de l'application de la vanne papillon d'admission d'air, le rapport de réduction R vaut sensiblement 20. Donc la résolution r requise au capteur sera de 0. 60. Il faut savoir que les résolutions habituelles de ces capteurs sont de l'ordre de 0. 150. De manière générale, pour un moteur à P phases et N paires de pôles au rotor, la résolution minimale requise au capteur est r = 180/ (N. P. R). Si l'application ne fonctionne pas contre un ressort de rappel (34) tel que décrit ci-dessus il est impératif que le jeu j du réducteur soit inférieur à 180/ (N. P. R) pour qu'un mouvement du rotor correspondant à la condition de résolution minimale nécessaire se traduise par un mouvement de l'arbre de sortie. Néanmoins dans la plupart des applications traitées nous considérerons que le jeu j du réducteur est toujours rattrapé par le ressort (34). On trouvera à la figure 7 une première variante de l'invention, où le signal de sortie du capteur (24), est converti, à l'aide du convertisseur analogique numérique (29) en un signal numérique. Ce signal numérique est ensuite traité par un décodeur chargé de fournir sur 3 voies SA, SB, SC (30), (31), (32) des signaux (4), (5), (6) équivalents à ceux des sondes (1), (2), (3) des figures 1 et 2. L'électronique de commutation fournit les informations de position du rotor à la logique de contrôle pour l'autocommutation. On voit l'avantage de cette solution qui permet de supprimer les 3 fils des sondes, et de ne pas avoir à sortir en direction de l'électronique logique de commutation, qui est souvent déportée, 3 signaux de sondes qui sont sensibles aux perturbations électromagnétiques. On trouvera à la figure 8 une seconde variante de l'invention, plus performante, dont le but est toujours de supprimer les 3 sondes à effet Hall ( (1), (2), (3) ), mais sans avoir à récréer une information identique à ces 3 signaux de sondes. Le signal analogique du capteur absolu (24) est converti en une information numérique par le convertisseur analogique numérique (11) principal du microcontroleur (10), de la même manière que dans la boucle d'asservissement habituelle des figures 5 et 7. Mais ce signal numérique va être utilisé pour les 2 boucles d'asservissement décrites plus haut : - la boucle d'asservissement de position classique identique à celle d'un moteur à courant continu, chargée de créer un effet sur l'intensité du couple moteur disponible et sur son signe la boucle d'autocommutation autorisant le passage d'un état de courant dans les phases P du moteur à l'état suivant, avec une avance de phase réglable comme expliqué plus loin à la figure 11. Contrairement à l'électronique décrite aux figures 7 et 8, les deux boucles ne sont plus physiquement séparées, mais traitées par software par le microprocesseur comme indiqué à la figure 9. Le résultat de ces calculs des 2 boucles d'asservissement conduit à 2 réglages : - un sens de rotation du rotor défini par la séquence d'alimentation des phases et un réglage de l'intensité du courant dans chacune des phases (mode asservissement de position). - La détermination en fonction de la position du rotor du prochain état de courant dans les phases, avec un déphasage position actuelle/position visée réglable en fonction de la vitesse de rotation du rotor (mode autocommutation). Ces 2 réglages sont obtenus en utilisant 3 sorties PWM du microcontroleur (PWMa (34), PWMb (35), PWMc (36) ), qui vont moduler le facteur de marche des transistors de puissance (33). Le montage de la figure 9 décrit une alimentation en étoile, avec point milieu, du moteur triphasé. Chacune des phases (19), (20), (21) est pilotée par un demi-pont de transistors (33) qui doivent permettre d'appliquer aux points (37), (38), (39) des tensions du type : Ua = U cos N. R. 8 (t) pour la phase A Ub = U cos (N. R. O (t) + 120 ) pour la phase B Uc = U cos (N. R. 8 (t) + 240 ) pour la phase C L'angle 0 (t) est la position recherchée pour l'arbre de sortie (28) de l'application décrite à la figure 5 constituée d'un moteur triphasé à N paires de pôles, d'un réducteur de rapport R et d'un potentiomètre, lorsque l'on alimente les 3 phases avec les tensions Ua, Ub, Uc. On peut représenter sur le cercle trigonométrique de la figure 11 la position N. R. 0 t) visée à l'intérieur d'une période électrique de 3600 en fonction des courants la, Ib et Ic parcourant chacune des phases (19), (20, (21), les constantes de couples de chaque phase étant espacées de 1200 électriques. On voit sur ce cercle trigonométrique que n'importe quelle position peut être visée sur ce cercle, pour autant que la condition la + Ib + Ic, relative à l'addition des courants dans le cas d'une connexion avec point milieu, soit respectée. L'exemple de la figure 11 pour un moteur triphasé décrit une position de 1500 électrique par rapport à l'origine 00, soit une position de 1. 50 sur l'arbre de sortie par rapport à la position de référence 9o est obtenu avec Ic = 0 et la =-Ib = U/2R ou U est la tension d'alimentation de l'application et R la résistance de chaque bobinage. La position 0 (t) de l'arbre de sortie va donc pouvoir être contrôlée par les 3 signaux PWMa, PWMb, PWMc, à l'aide d'une double boucle d'autocommutation et d'asservissement de position. Nous avons vu auparavant les conditions requises sur la résolution r du capteur absolu, et il faut maintenant déterminer le mode d'initialisation de l'application décrite à la figure 5. Il est en effet très important que nous puissions relier à partir de cette séquence d'initialisation la position absolue de l'axe de sortie, donnée par le signal capteur, à la position absolue du rotor. A la mise sous tension de l'application l'arbre de sortie sera dans la position de référence 60, ramené par le ressort de rappel, mais nous ne connaîtrons pas la position absolue du rotor. La méthode d'initialisation consiste alors à établir arbitrairement une séquence d'alimentation des phases telle que : Ua = U cos a (t) pour la phase A Ub = U cos a (t) +1200 pour la phase B Uc = U cos a (t) + 2400) pour la phase C, Avec a= 0 à t = 0, de manière à provoquer une ouverture de la vanne, et pour une séquence d'une valeur égale à a (t) = k. 360 . A la fin de cette séquence, la position visée pour le rotor est donc la position 00 indiquée sur la figure 11. Il suffit de repérer la position 0 indiquée par le capteur absolu et de prendre cette valeur 9 comme valeur initiale pour la nouvelle séquence. La méthode d'autocommutation des phases et d'asservissement de position expliquée ici est valable pour tout type de moteur synchrone polyphasé possédant N paires de pôles au rotor et P phases, associé avec un réducteur, un ressort de rappel, un capteur de position absolu, c'est à dire aux moteurs : - à aimant permanent - hybride - à réluctance variable REVENDICATIONS 1-Actionneur électrique constitué d'au moins un moteur synchrone sans balais autocommuté à P phases, P étant un nombre entier compris entre 1 et 6, et N paires de pôles au rotor, N étant un nombre entier supérieur ou égal à 1, l'actionneur comprenant un capteur de position dont le signal de sortie commande un circuit électronique de pilotage du moteur, le rotor dudit moteur entraînant un mécanisme réducteur de vitesse de rapport R caractérisé en ce que ledit capteur de position absolu est accouplé [non pas au rotor mais] à l'arbre de sortie du réducteur pour mesurer la position angulaire absolue de l'arbre de sortie du réducteur, le circuit électronique comportant un circuit de pilotage séquentiel du courant de chacune des phases réalisant une commutation automatique des séquences d'alimentation des phases en fonction de la position absolue de l'arbre de sortie du réducteur. 2-Actionneur électrique selon la revendication 1 caractérisé en ce que ledit réducteur de vitesse mécanique présente un rapport de réduction R supérieur à 2. 3-Actionneur électrique selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que ledit réducteur de vitesse comporte un moyen de rappel de l'arbre de sortie dans une position angulaire de référence. 4-Actionneur électrique selon la revendication 3 caractérisé en ce que le moyen de rappel de l'arbre est constitué par un ressort spiral dont l'une des extrémités est solidaire de l'arbre de sortie et l'autre extrémité est solidaire d'un point fixe. 5-Actionneur électrique selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que le réducteur mécanique de vitesse présente un jeu inférieur à 180/ (N. P. R) 6-Actionneur électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le capteur de position présente une résolution r inférieure à 180/ (N. P. R) degrés. 7-Actionneur électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le circuit électronique comporte une entrée pour recevoir le signal délivré par le capteur de position absolue de l'arbre de sortie du réducteur, et P sorties délivrant chacune un signal de pilotage de l'une des P phases du moteur, avec un déphasage de 360/P entre deux phases consécutives. 8-Actionneur électrique selon la revendication 7 caractérisé en ce que le circuit électronique comporte en outre une entrée pour recevoir un signal de référence correspondant à la position angulaire désirée, le circuit électronique réalisant une première boucle d'asservissement agissant sur l'intensité du couple moteur et une deuxième boucle d'autocommutation commandant les états de courant dans les phases du moteur. 9-Actionneur électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que l'électronique de pilotage des phases est constitué d'un étage de puissance à transistors pilotés par un étage de contrôle logique imposant la séquence d'alimentation et l'amplitude du courant des P phases. 10-Actionneur électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que l'étage de contrôle logique est constitué d'un microcontrôleur possédant au moins P sorties du type PWM permettant de régler de façon indépendante le courant de chacune des P phases. 11-Actionneur électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que l'électronique de pilotage des phases possède une séquence d'initialisation, à la mise sous tension, sur une position de référence définie par le ressort de rappel.