Brevet FR2825203A1 — publié le 20021129

Description L'invention concerne un procédé de réduction de la variation de couple dans un moteur synchrone. Les véhicules automobiles sont de plus en plus souvent équipés d'une direction assistée. Les directions assistées actuellement utilisées font souvent appel à un moteur électrique à courant alternatif synchrone. Le moteur électrique peut soit agir directement sur la colonne de direction, on parle alors de direction assistée électrique ou EPAS, soit agir sur un système hydraulique qui lui-même agit sur la colonne ou la crémaillère de direction, on parle alors de direction assistée électro-hydraulique ou EHPS. Les moteurs électriques synchrones employés sont de deux catégories : les moteurs à aimants de conception dite sinusoïdale et les moteurs à aimants de conception dite trapézoïdale. Théoriquement, les moteurs sinusoïdaux alimentés avec un courant sinusoïdal et les moteurs trapézoïdaux alimentés avec un courant commuté de forme rectangulaire étagée fournissent un couple constant sur tout le cycle de rotation, c'est-àdire quel que soit l'angle 0 du rotor par rapport au stator. Dans la pratique, le couple fourni par ces moteurs présente toujours des variations qui sont d'autant plus sensibles que le moteur utilisé est un moteur de conception économique. Ceci est dû au fait que les moteurs réels ne sont pas des moteurs réellement sinusoïdaux ou trapézoïdaux. Or, dans les véhicules munis d'une direction assistée, ces variations de couple se traduisent par des vibrations désagréables pour le conducteur et des ondes acoustiques gênantes. Il est donc souhaitable de réduire ou même d'annuler ces variations de couple pour augmenter le confort de conduite. Ces effets peuvent être supprimés ou tout du moins diminués en choisissant des moteurs comportant un grand nombre d'encoches par pôle et des spires de bobinage imbriquées dans plusieurs encoches. Cependant, ce type de bobinage est difficile à réaliser, ce qui rend ces moteurs coûteux. Ils ont par ailleurs des têtes de bobinage encombrantes ce qui en réduit le rendement. Par ailleurs, il est impossible d'utiliser des moteurs biphasés car ils produisent des couples trop variables. Il est donc nécessaire d'utiliser des moteurs au moins triphasés. L'objectif de l'invention est donc de développer un nouveau procédé de commande d'un moteur synchrone, par exemple pour direction assistée, qui permette de diminuer ou de supprimer les variations de couple tout en pouvant être utilisé avec des moteurs économiques, éventuellement biphasés. Cet objectif est atteint par le procédé dans lequel a) dans une étape préliminaire on mesure à vide la force contre- électromotrice e, du moteur pour chaque phase j, puis on détermine pour chaque phase j le courant qu'il faudrait appliquer au moteur pour que le n couple du moteur T,=Vy, soit constant ou pratiquement constant J=l quel que soit l'angle Ode rotation du rotor, fêtant une constante de couple dépendant du type de moteur utilisé, b) puis lors de l'utilisation du moteur, la commande du moteur applique à chaque phase j l'intensité i, déterminée en fonction de l'angle Ode rotation du rotor. En agissant de la sorte, on peut obtenir un couple résultant constant ou presque avec des moteurs économiques, qui sans ce procédé fourniraient un couple résultant variable. Les imperfections du moteur qui se traduisent par un comportement s'éloignant du comportement idéal sont compensées par une régulation de la forme d'onde du courant alimentant le moteur. La détermination du courant i, à appliquer à partir de la courbe de la f. c. é. m. peut être réalisée notamment par itération ou par analyse harmonique de la f. c. é. m. par transformée de Fourrier par exemple, pour en déduire la forme du courant à appliquer afin d'annuler ou de minimiser les variations de couple du moteur. Afin de réduire la charge de calcul du microprocesseur de commande du moteur, il est préférable de stocker le résultat du calcul effectué dans l'étape préliminaire dans une table en fonction de l'angle 0 de rotation du rotor. Le procédé est particulièrement destiné au contrôle de moteurs pour directions assistées, qu'il s'agisse de directions assistées électriques de type EPAS ou de directions assistées électro-hydraulique de type EHPS. Le procédé peut être appliqué à la commande de moteurs synchrones à deux ou trois phases. Un exemple d'application du procédé est présenté ci-dessous à l'aide des figures suivantes : Figure 1 : Courbe de la force contre-électromotrice (f. c. é. m. ) rapportée à la force contre-électromotrice nominale en fonction de l'angle 0 du moteur synchrone sinusoïdal triphasé pris pour exemple ; Figure 2 : Couple résultant pour le moteur pris pour exemple alimenté en courant purement sinusoïdal ; Figures : Couple résultant (1) pour le moteur pris pour exemple alimenté en courant rectangulaire étagé et (2) avec le courant modifié selon le procédé de l'invention ; Figure 4 : Courbe du courant modifié rapporté au courant nominal en fonction de l'angle &commat; du moteur pris pour exemple, représentative de la fonction f (a)- Pour l'exemple présenté ci-dessous, on a retenu un moteur synchrone économique triphasé de type sinusoïdal. La f. c. é. m. de ce moteur mesurée à vide pour les trois phases est représentée à la figure 1, rapportée à la f. c. é. m. nominale. On peut facilement reconnaître que cette courbe s'éloigne sensiblement de la forme sinusoïdale théorique d'un moteur idéal. Si ce moteur était idéal et s'il était alimenté en courant sinusoïdal, il n'y aurait pas de variation de couple. Cependant, de tels moteurs s'éloignent sensiblement du modèle idéal et une alimentation en courant sinusoïdal produit des variations de couple d'autant plus sensibles qu'il s'agit d'un moteur bon marché compact et léger. Dans l'exemple considéré, on a mesuré des variations de l'ordre de 11 %. Ces variations sont représentées à la figure 2. Si on alimente le même moteur triphasé sinusoïdal avec un courant commuté de forme rectangulaire étagée, les variations atteignent même près de 25 % comme le montre la courbe 1 de la figure 3. L'utilisation d'un tel moteur pour des applications nécessitant un couple constant, notamment pour les directions assistées, n'est donc pas satisfaisante car elle s'accompagnerait par exemple de bruits acoustiques et de vibrations dans le volant très gênantes pour le conducteur. Le procédé de l'invention consiste donc à alimenter le moteur avec un courant sinusoïdal modifié de telle sorte que ces variations de couple soient aussi limitées que possibles. La première étape du procédé consiste à mesurer la force contre-électromotrice du moteur. La force contre-électromotrice du moteur pris en exemple est représentée à la figure 1 pour les trois phases. En partant de ces courbes, on réalise une analyse pour trouver les courants i. à appliquer à chaque phase j pour que le couple moteur soit constant ou aussi constant que possible quel que soit l'angle de rotation S du rotor. Le couple moteur est une fonction du courant i, appliqué et de la force contre-électromotrice e, de chaque phase j : L'objectif est donc de calculer la forme du courant il à appliquer à chaque phase j pour qu'à chaque instant, donc quel que soit l'angle 0 du rotor, le couple Tm soit constant ou quasiment constant. Le calcul des il peut se faire par exemple par itération ou par analyse harmonique par transformée de Fourrier. Dans le cas présent, on est parti d'une alimentation en courant sinusoïdal obtenue par une commande vectorielle dans les axes d-q avec transformation de Park. Une analyse d'harmoniques a permis d'obtenir la courbe présentée à la figure 4. Cette courbe est appelée dans la suitef . Lorsque l'on applique le courant modifié ainsi calculé au moteur électrique, le couple résultant est lisse comme le montre la courbe 2 de la figure 3. Bien qu'utilisant un moteur simple et économique, il est possible d'obtenir facilement un couple moteur constant en appliquant un courant modifié en fonction du profil de la force contre-électromotrice du moteur considéré. Une fois le profil de la courbe de courant à appliquer connu, il suffit d'alimenter celui-ci avec le courant modifié. Pour des raisons de coût et de rapidité, il est préférable non pas de calculer à chaque instant le courant à appliquer à chaque phase, mais de lire la valeur considérée dans un tableau stocké dans la mémoire du microprocesseur. Connaissant les tensions de références Vrefl et Vrefd dans le repère d-q avec l'orientation du flux du moteur sur l'axe négatif d, et l'angle 0 représentatif de la position du rotor, il est possible de calculer les tensions de référence Vs, de chacune des trois phases j par rapport au neutre en appliquant l'algorithme suivant : /=--./ ?) + Vrefd -j (B) [2] Vs2 =----12 + --720 [3] =- ;- [4] les fonctions f(#) et F(#- 120 ) étant celles mesurées précédemment. On notera que cet algorithme ne se distingue de la transformation de Park habituellement utilisée pour la commande vectorielle de moteurs synchrones, et qui est rappelée ci-dessous : =--) + -cos [2'] Dz = -Vs/- VS2 [4'] =-7- [4'] que par le remplacement des valeurs de sin (e) et cos (e). Par conséquent, à part les valeurs de f calculées et mémorisées une fois pour toute lors de la fabrication, le procédé de contrôle selon l'invention est identique au procédé traditionnel. Ces valeurs peuvent être calculées au fur et à mesure ou être stockées dans un tableau pour les différents #. En utilisant un tableau, on minimise la charge de calcul supplémentaire du microprocesseur pour le calcul des f(#) et f(#- 120 ) par rapport à un courant de référence sinusoïdal pur. En effet, le tableau utilisé pour mémoriser les valeurs de (O) en fonction de l'angle 0 est celui habituellement utilisé pour mémoriser les valeurs de sin ( et cos (O) pour le contrôle vectoriel classique. La mise en oeuvre du procédé ne nécessite donc pas de composants supplémentaires pour le contrôle du moteur que ceux nécessaire pour le contrôle vectoriel traditionnel. La mise en oeuvre du procédé nécessite donc deux étapes. Dans une première étape, la force contre-électromotrice du moteur est mesurée et le courant à appliquer pour que le couple reste constant ou presque constant est calculé. Les valeurs de la fonction f (&commat;) pour les différents sont calculées et stockées dans le tableau du microprocesseur de commande du moteur à la place des valeurs de sin ((9) et cos (&commat;) habituellement stockées. Cette étape préliminaire n'a besoin d'être réalisée qu'une fois lors de la fabrication du moteur. Il est possible de mesurer la f. c. é. m. de chaque moteur et d'entrer dans le tableau du microprocesseur correspondant ses propres valeurs de n. Cependant, afin de limiter les coûts de fabrication, il est préférable de faire une mesure générale de la f. c. é. m. typique d'un modèle de moteur et d'en déduire la fonctionner à appliquer à tous les moteurs de ce modèle. Les résultats ainsi obtenus sont suffisants pour une utilisation à grande échelle de ces moteurs. Cette étape préliminaire réalisée, il suffit lors de l'utilisation du moteur d'alimenter celui-ci en courant modifié, autrement dit, d'utiliser les valeurs de f stockées dans le tableau. Dans la pratique, ce procédé peut être appliqué à n'importe quel moteur multiphasé, notamment aux moteurs triphasés. Il est même applicable aux moteurs biphasés, de sorte que de tels moteurs, dont l'utilisation n'est pas envisageable avec une alimentation sinusoïdale pure en raison des trop grandes variations de couple, peuvent être utilisés lorsqu'on leur applique un courant modifié selon le procédé décrit. Le procédé peut non seulement s'appliquer à un moteur synchrone de type sinusoïdal mais également à un moteur synchrone de type trapézoïdal. La forme du courant à appliquer, donc de la fonctionner, sera simplement différente. Le procédé décrit ci-dessus s'applique particulièrement bien aux moteurs pour direction assistées, qu'il s'agisse de systèmes EPAS ou de systèmes EHPS. Il peut cependant être appliqué partout où le couple moteur doit être aussi constant que possible malgré l'utilisation de moteurs synchrones dont les propriétés s'éloignent des courbes idéales. La mise en oeuvre du procédé de l'invention ne nécessite pas de modification particulière du microprocesseur de contrôle du moteur. Seules les valeurs de sin 9) et cos (e) contenues habituellement dans le tableau sont remplacées par les valeurs def (e). Ce calibrage est réalisé une fois pour toutes lors de la fabrication ou du montage. Par conséquent, la mise en oeuvre du procédé n'entraîne pas d'augmentation sensible du coût de fabrication des calculateurs de commande des moteurs considérés. Le procédé selon l'invention permet donc d'utiliser des moteurs synchrones économiques à faible nombre d'encoches et ne présentant pas de tête de bobinage encombrante. Sa mise en oeuvre nécessite seulement la mesure de la f. c. é. m. typique du modèle considéré et le calcul du courant à appliquer pour obtenir un couple constant. Cette étape préliminaire réalisée, on mémorise les valeurs deë) au lieu des valeurs de sin sin(#) et cos dans le tableau du microprocesseur du moteur. Le reste de la commande reste inchangé. Le couple moteur étant constant, on évite les variations qui peuvent se traduire par exemple par des vibrations dans la direction. Ces vibrations disparaissant, le système est moins bruyant. Revendications 1. Procédé de réduction de la variation de couple dans un moteur synchrone dans lequel a) dans une étape préliminaire on mesure à vide la force contre- électromotrice eX du moteur pour chaque phase j, puis on calcule pour chaque phase j le courant i, qu'il faudrait appliquer au moteur pour que le n couple du moteur Tm =Ve, i, soit constant ou pratiquement constant J=l quel que soit l'angle Ode rotation du rotor, fêtant une constante de couple dépendant du type de moteur utilisé, b) lors de l'utilisation du moteur, la commande du moteur applique à chaque phase j l'intensité i, calculée en fonction de l'angle Ode rotation du rotor. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le calcul du courant i, dans l'étape préliminaire est réalisé par analyse harmonique par transformée de Fourrier. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le calcul du courant dans l'étape préliminaire est réalisé par itération. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le résultat du calcul effectué dans l'étape préliminaire est stocké dans une table pour chaque phase j en fonction de l'angle e de rotation du rotor. 5. Utilisation du procédé selon la revendication 1 pour la commande d'un moteur électrique de direction assistée. 6. Utilisation selon la revendication 5, caractérisée en ce que le moteur électrique est un moteur de direction assistée électrique (EPAS). 7. Utilisation selon la revendication 5, caractérisée en ce que le moteur électrique est un moteur de direction assistée électro-hydraulique (EHPS). 8. Utilisation du procédé selon la revendication 5, caractérisée en ce que le moteur électrique a deux ou trois phases.