Brevet FR2822605A1 — publié le 20020927

PROCEDE ET DISPOSITIF DE DETERMINATION DE LA POSITION DE L'ARBRE D'UN MOTEUR ELECTRIQUE L'invention concerne les moteurs électriques, et plus spécifiquement le repérage de la position, de la direction ou de la vitesse de rotation des arbres des moteurs électriques à courant continu à balais. On utilise couramment dans l'industrie automobile, des moteurs électriques pour déplacer des équipements. Ainsi, des moteurs sont utilisés pour lever ou baisser les vitres, pour régler la position des sièges, ou encore pour ouvrir et fermer les toits ouvrants. Pour toutes ces applications, il est utilise de connaître avec précision la position de l'équipement entraîné par le moteur. Cette position peut être déterminée à partir de la position en rotation de l'arbre du moteur. On peut aussi intégrer la vitesse de rotation du moteur ; une autre information utile est la direction de rotation. A titre d'exemple d'utilisation de cette position, dans les cas des lève-vitres est prévu une fonction anti-pincement : le moteur est arrêté en cas d'effort important ; cette fonction permet d'éviter de blesser un passager lors de la fermeture de la vitre. Le repérage de la position permet d'inactiver cette fonction anti-pincement à la fin de la course de fermeture de la vitre ; ceci permet une fermeture complète de la vitre malgré les efforts exercés sur la vitre lors de la pénétration de la vitre dans les joints. Dans le cas des sièges, un repérage de la position permet de revenir à des positions programmées. Pour les toits ouvrants, le repérage de la position permet de programmer des positions d'ouverture du toit ; ce repérage permet aussi de désactiver une fonction anti-pincement lors de la fin de la course de fermeture du toit ouvrant. Pour assurer un repérage en position de l'arbre d'un moteur électrique, il a été proposé de munir l'arbre d'un anneau présentant un aimant et de disposer sur la carcasse du moteur un capteur à effet Hall sensible au passage de l'aimant. Cette solution permet de compter le nombre de tours de l'arbre du moteur, et d'en déduire la position de l'équipement déplacé par le moteur. Cette solution implique d'une part une modification du moteur pour munir son arbre de l'anneau, et d'autre part de prévoir un capteur spécifique dans le circuit de commande du moteur. Il existe donc un besoin d'une solution plus simple et moins onéreuse permettant de repérer la position en rotation de l'arbre d'un moteur. Par ailleurs, existent pour déplacer des équipements, des moteurs à courant continu à balais ; ces moteurs sont commandés par deux relais disposés sur une carte électronique associée au moteur. L'activation d'un relais ou de l'autre permet d'entraîner le moteur dans un sens de rotation ou dans l'autre. La société demanderesse commercialise ainsi sous la référence 400 463 des ensembles constitués d'un moteur à courant continu à balais, d'une carte électronique présentant deux relais et d'un réducteur ; la sortie du réducteur est adaptée à entraîner des équipements. Dans un mode de réalisation, l'invention propose d'utiliser les bobines d'un relais de commande du moteur pour détecter la rotation de l'arbre du moteur. Cette solution utilise le fait que la rotation du moteur génère des variations de champ magnétique et donc un courant dans la bobine du relais. Cette solution évite de devoir prévoir sur l'arbre du moteur un anneau avec un aimant ; elle évite aussi de devoir prévoir un capteur spécifique pour repérer la position de l'arbre du moteur ou sa vitesse de rotation. Plus spécifiquement, l'invention propose un procédé de détermination de la position ou de la vitesse de l'arbre d'un moteur commandé par un relais, comprenant la détection dans une bobine du relais d'une force électromotrice induite par la rotation de l'arbre du moteur, le calcul de la position ou de la vitesse de l'arbre du moteur à partir de la force électromotrice détectée. Selon une variante, l'étape de détection comprend la suppression de la composante continue aux bornes de la bobine. Selon une autre variante, l'étape de détection comprend l'amplification de la force électromotrice induite dans la bobine. Selon encore une variante, l'étape de détection comprend la comparaison de la force électromotrice induite dans la bobine à un signal de référence. Selon encore une autre variante, le moteur est commandé par deux relais et l'étape de détection comprend la détection d'une force électromotrice induite dans une bobine d'un relais qui n'est pas excitée. Selon encore une variante, le moteur est un moteur à courant continu à balais. L'invention concerne également un moteur commandé par au moins un relais, comprenant un circuit de détection dans une bobine du relais d'une force électromotrice induite par la rotation de l'arbre du moteur. Selon une variante, le circuit de détection comprend un filtre coupe-bas. Selon encore une variante, le circuit de détection comprend un amplificateur recevant les signaux filtrés par le filtre coupe-bas. Selon une autre variante, le circuit de détection comprend un comparateur recevant les signaux amplifiés par l'amplificateur. Selon encore une autre variante, la bobine est orthoradiale à l'arbre du moteur. On peut également prévoir un moteur du type à courant continu à balais présentant au moins un aimant permanent, la bobine étant disposée au voisinage d'un aimant permanent. Selon une variante, le moteur est du type à courant continu à balais et la bobine est disposée au voisinage du collecteur du moteur. L'invention concerne en outre un circuit de commande d'un moteur, comprenant un relais de commande du moteur et un circuit de détection d'une force électromotrice dans une bobine du relais. Selon une variante, le circuit comprend un filtre coupe-bas. Selon une autre variante, le circuit comprend un amplificateur recevant les signaux filtrés par le filtre coupe-bas. Selon encore une variante, le circuit comprend un comparateur recevant les signaux amplifiés par l'amplificateur. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui suit de modes de réalisation, donnés à titre d'exemple uniquement et en référence aux dessins qui montrent : - figure 1, une vue d'ensemble en perspective d'un moteur auquel s'applique l'invention ; figure 2, une représentation schématique partielle du circuit de commande du moteur de la figure 1 ; figure 3, un tempogramme des signaux relevés sur le circuit de la figure 2 ; figure 4, une représentation schématique en coupe du moteur de la figure 1. L'invention propose, dans un mode de réalisation, d'utiliser les bobines des relais de commande du moteur pour détecter les mouvements du moteur. De fait, la rotation d'un moteur s'accompagne de variations du champ magnétique au voisinage du moteur ; ces variations induisent dans les bobines des relais des forces électromotrices qui peuvent être détectées. Cette détection permet de déterminer la position de l'arbre du moteur, ou encore sa vitesse. Les bobines du relais sont donc utilisées non seulement pour la commande du moteur, mais encore comme détecteurs de la rotation du moteur. L'invention repose donc sur le couplage inductif entre les bobinages du rotor du moteur et les bobines des relais. Elle présente l'avantage de ne pas nécessiter de matériel supplémentaire sur le rotor ; l'utilisation de la bobine du relais n'implique pas de prévoir une bobine supplémentaire, mais nécessite simplement quelques composants simples pour la détection des forces électromotrices. La figure 1 montre en perspective une vue d'ensemble d'un moteur auquel peut s'appliquer l'invention. On reconnaît sur la figure le moteur 2, qui est par exemple un moteur à courant continu à balais. Sur la carcasse du moteur est fixée une carte à circuit imprimé, cette carte contient les circuits électroniques de commande du moteur ; elle comprend notamment deux relais de commande du moteur ; le fonctionnement de ces relais est décrit plus en détail en référence à la figure 2. La fixation de la carte sur le moteur permet de fournir un ensemble monobloc assurant les fonctions de déplacement d'un équipement, sans nécessiter de câblage autre que l'alimentation et la commande. On voit encore sur la figure 1 un réducteur 6 ; le réducteur est entraîné par le mouvement de l'arbre du moteur et présente un arbre de sortie 8 qui tourne à une vitesse adaptée à l'entraînement d'un équipement tel un lèvevitre, un siège, un toit ouvrant ou autre. La figure 2 est une vue partielle du circuit de commande du moteur de la figure 1. Ne sont représentés à la figure que les éléments du circuit nécessaires à la compréhension de l'invention. Sont représentées sur la figure quatre ensemble de bornes de sortie de la carte, notés JI à J4 sur la figure, et référencés 12,14, 16 et 18. Les bornes 1 et 2 de l'ensemble 12 sont reliées au moteur ; les bornes 1 et 2 de l'ensemble 14 reçoivent la tension d'alimentation du moteur ; les bornes 1 et 2 de l'ensemble 16 reçoivent les signaux de commande du moteur, pour l'entraîner en rotation dans une direction ou dans l'autre ; de ce fait, les signaux appliqués aux bornes de l'ensemble 16 ne sont pas tous les deux ensemble à une valeur non nulle. La borne 1 de l'ensemble 18 fournit le signal de sortie représenté à la figure 3, tandis que la borne 2 de cet ensemble est à la masse. La carte présente deux relais 20 et 22. Chacun des relais est utilisé pour la commande d'alimentation du moteur, dans une des deux directions de rotation du moteur. La bobine d'un relais est reliée d'une part à une tension d'alimentation, notée +ALIM sur la figure, et d'autre part à une borne de l'ensemble 16 ; dans l'exemple de la figure, la bobine du relais 20 est reliée à la borne 1 de l'ensemble 16 et la bobine du relais 22 est reliés à la borne 2 de l'ensemble 16. De la sorte, l'application d'une tension nulle sur la borne 1 de l'ensemble 16 excite la bobine du relais 20, tandis que l'application d'une tension nulle sur la borne 2 de l'ensemble 16 excite la bobine du relais 22 ; si les bornes de l'ensemble 16 ne sont pas à la masse, mais à un potentiel flottant, les relais 20 ou 22 sont en l'air-les bobines n'étant pas excitées. Comme symbolisé sur la figure par le trait pointillé, le passage d'un relais dans une position fermée relie les bornes de l'ensemble 14 aux bornes de l'ensemble 12, comme représenté sur la figure 2-les bornes référencées identiquement de chaque ensemble sont reliées. Inversement, le passage de l'autre relais dans une position fermée relie les bornes de l'ensemble 14 aux bornes de l'ensemble 12, en inversant les bornes : chaque borne de l'un des ensemble est reliée la borne de l'autre ensemble référencée différemment. Lorsque aucune des bobines n'est excitée, les bornes des ensembles 12 sont court-circuitées par le relais et reliées à une des bornes de l'ensemble 14. Ce montage connu en soit permet d'appliquer dans un sens ou dans l'autre la tension d'alimentation du moteur aux bornes du moteur, en fonction des tensions appliquées à l'ensemble 16 pour la commande des relais. Outre ce montage, le circuit de la figure 2 montre que la bobine du relais 20respectivement du relais 22-est reliée, en parallèle à l'ensemble 16, à une entrée passante d'une diode 24-respectivement 26. Les sorties des diodes 24 et 26 sont reliées et constituent la borne d'entrée d'un circuit 28 d'analyse des signaux aux bornes des bobines des relais. La présence des diodes évite qu'un signal de masse sur l'une des bornes de l'ensemble 16 ne soit appliqué aux deux relais. Le montage décrit jusqu'à présent permet d'appliquer au moteur une tension d'alimentation ; en outre, il permet de disposer en entrée du circuit d'analyse 28 du signal aux bornes du ou des relais. Plus spécifiquement, on dispose en entrée du circuit d'analyse 28 d'un signal représentatif de la tension dans la ou les bobines du relais qui sont en l'air ; de fait, lorsqu'une bobine est excitée-la borne de l'ensemble 16 étant à la masse-cette bobine ne contribue pas au signal appliqué au circuit d'analyse 28. Le circuit 28 d'analyse reçoit donc en entrée le signal aux bornes des bobines du ou des relais. Ce circuit comprend un condensateur 30 supprimant la composante continue du signal ; ce condensateur agit donc comme filtre coupe-bas. En sortie du condensateur est prévu un amplificateur opérationnel 32 monté en amplificateur. On obtient en sortie de l'amplificateur 32 un signal représentatif de la composante noncontinue aux bornes des bobines. Ce signal est appliqué à un amplificateur opérationnel 34 monté en comparateur ; la tension de référence est réglable par une résistance variable 36 ; ce réglage permet d'adapter à un moteur donné la tension de référence. La sortie de l'amplificateur opérationnel 34 est reliée à la borne 1 de l'ensemble 18 et constitue le signal de sortie du circuit 28 d'analyse des signaux. Le fonctionnement du circuit de la figure 2 est le suivant. La composante noncontinue du signal aux bornes des relais est isolée, puis amplifiée ; cette composante est ensuite comparée à une tension de référence-cette tension de référence peut être réglée. Le circuit de la figure 2 permet de déterminer la position ou la vitesse de rotation du moteur ; en effet, la rotation du moteur entraîne des variations de flux magnétique au voisinage du rotor du moteur ; dans les bobines des relais, ces variations de flux induisent une force électromotrice. La détection de cette force électromotrice induite fournit un signal représentatif des variations de flux magnétique, et donc représentatif de la rotation du moteur. A titre d'exemple, dans le montage de la figure, les relais sont des relais vendus sous la référence ACT212 par la société NAIS. Chaque bobine est constituée d'un enroulement de 1000 fils, et présente une surface de 20mm2. Pour un moteur à courant continu à balais, avec deux aimants permanents et 10 bobinages, fonctionnant sous une tension de 12 V, et d'une puissance de 100 W, la force électromotrice induite dans la bobine d'un relais par la rotation du rotor présente une amplitude de l'ordre de 1 mV. On peut choisir un gain de 470 pour l'amplificateur opérationnel monté en amplificateur, et utiliser comme tension de référence une tension de 12 V. La figure 3 montre un tempogramme des signaux de sortie du circuit de la figure 2. En abscisse figure le temps en secondes, et en ordonnée la tension en volts. Est portée à la figure en traits gras le signal de sortie du circuit de la figure 2, et en traits fins un signal obtenu sur le même moteur par un capteur optique. La figure montre que le signal de sortie du circuit de la figure 2 est un signal en créneaux ; le signal de sortie de la figure 2 présente la même allure que le signal de référence : le nombre de créneaux est le même, et l'intervalle entre les créneaux est le même. La figure 3 montre que les signaux obtenus dans le circuit de la figure 2 sont bien représentatifs de la rotation du moteur. La figure 4 est une représentation schématique du moteur de la figure 1, en coupe perpendiculairement à l'axe de rotation du moteur. On reconnaît sur la figure l'axe 40 de rotation du moteur, ainsi que son rotor 42. Les aimants permanents 44 et 46 sont au nombre de deux dans l'exemple de la figure. La figure montre en outre les bobines 48 et 50 des relais. Comme le montre la figure, le plan d'une bobine est de préférence orthoradial par rapport à l'axe du moteur-autrement dit, l'axe de la bobine est sécant à l'axe du moteur, et perpendiculaire à cet axe : cette position de la bobine maximise la force électromotrice induite dans la bobine ; de fait, les variations de champ magnétique au voisinage du moteur sont maximales dans une direction radiale ; la force électromotrice induite dans la bobine est donc maximale lorsque le plan de la bobine est perpendiculaire à la direction du champ magnétique-c'est-àdire dans la position représentée à la figure. Il s'avère aussi que la position d'une bobine au voisinage des aimants permanents augmente aussi les signaux détectés par la bobine ; on a représenté à la figure en traits pointillés en 52 une bobine placée à mi-chemin entre les aimants permanents de polarité opposée. En cette position, le signal détecté aux bornes de la bobine est plus faible que le signal détecté aux bornes des bobines 48 ou 50. Ceci est en fait fonction de la position radiale des balais du moteur, et de la position angulaire en laquelle la polarité change dans les bobinages du rotor. Dans le moteur donné en exemple, le champ magnétique généré par un bobinage du moteur est maximal en intensité lorsque le bobinage est parallèle aux bobines 48 et 50. En revanche, dans l'exemple, le champ magnétique généré par un bobinage du rotor est minimal lorsque le bobinage est parallèle à la bobine 52. Dans la direction de l'axe de rotation du moteur, la position des bobines peut être modifiée de sorte à maximiser la force électromotrice induite détectée dans la bobine ; il s'avère que cette force est maximale pour un moteur à courant continu à balais au voisinage du boîtier collecteur du moteur ; cette position est donc préférable ; dans la mesure où elle facilite la détection. Dans l'exemple des figures précédentes, on détecte dans les bobines du relais les variations du flux magnétique résultant de la rotation du rotor, au moment où le champ magnétique généré par les bobinages du rotor est maximal. Ceci explique l'allure des signaux de la figure 3 : on repère en fait le moment où un bobinage du moteur est parallèle à la bobine du relais. Le signal de position de l'arbre du moteur est ainsi détecté avec une précision angulaire qui dépend du nombre de bobinages du rotor ; le nombre de tour peut se déduire des signaux de la figure 3 en connaissant le nombre de bobinages du rotor ; dans l'exemple de la figure, le nombre de bobinages du rotor est de 10, de sorte qu'un tour de l'arbre du moteur correspond à 10 créneaux. Il est aussi possible de détecter une variation de champ magnétique d'un autre type ; ainsi, on pourrait détecter la variation du champ magnétique dans un bobinage du rotor, lorsque le courant dans le bobinage change de sens. Le circuit de la figure 2 n'est donné qu'à titre d'exemple de circuit permettant d'analyser les variations de force électromotrice induite dans les bobines du relais. On peut utiliser d'autres types de circuit pour cette analyse, par exemple en numérisant les signaux provenant des bobines. Dans l'exemple de circuit de la figure 2, on notera que les sorties des bobines sont connectées ; il est donc préférable que les bobines soient disposées dans le même sens si elles sont au voisinage l'une de l'autre, de sorte à ce que leurs signaux s'ajoutent. On pourrait aussi disposer les bobines à des endroits différents, et dans ce cas, le sens d'enroulement des bobines dépend du sens des variations du champ. Par exemple, si les bobines étaient disposées sur deux aimants permanents de polarité opposée, il serait avantageux que les enroulements soient dans des sens opposés ; les signaux provenant des deux enroulement s'ajouteraient alors. Dans le montage de la figure 2, du fait de la connexion des bobines entre la masse et l'alimentation, on ne récupère en entrée du circuit d'analyse 28 que les signaux de la bobine qui n'est pas excitée. On pourrait aussi récupérer les signaux des deux bobines, par exemple en montant une résistance en série avec chacune des bobines, et en prélevant le signal aux bornes de cette résistance ; dans ce cas, on pourrait mettre en oeuvre l'invention, même en n'utilisant qu'une seule bobine pour la commande du moteur. On n'a pas détaillé dans la description qui précède l'exploitation qui est faite des signaux du circuit de la figure 2. On peut déduire de ces signaux la position de l'arbre du moteur, en comptant le nombre de créneaux, c'est-à-dire le nombre de bobinages du rotor passant devant les bobines des relais ; on peut aussi en déduire la vitesse instantanée ou moyenne du moteur. On notera que la détection ne dépend pas de l'alimentation du moteur et fonctionne encore lorsque le moteur n'est pas alimenté mais continue de tourner du fait de son inertie ; en effet, dans ce cas, la rotation des bobinages du rotor perturbe le champ magnétique généré par les aimants permanents ; cette perturbation peut aussi être détectée par les bobines du relais. L'exemple des figures précédentes est donné en référence à un moteur à courant continu à balais ; la rotation de l'arbre du moteur dans un tel moteur engendre comme expliqué plus haut des perturbations du champ magnétique, qui peuvent être détectées grâce à la bobine d'un relais ; il est aussi possible d'appliquer cette solution à d'autres types de moteurs, dans lesquels la rotation de l'arbre du moteur engendre des perturbations locales du champ magnétique, de nature à être détectées par les bobines des relais commandant le moteur. REVENDICATIONS 1. Un procédé de détermination de la position ou de la vitesse de l'arbre d'un moteur (2) commandé par un relais (20,22), comprenant : - la détection dans une bobine (48,50) du relais d'une force électromotrice induite par la rotation de l'arbre du moteur ; - le calcul de la position ou de la vitesse de l'arbre du moteur à partir de la force électromotrice détectée. 2. Le procédé de la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape de détection comprend la suppression de la composante continue aux bornes de la bobine. 3. Le procédé de la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'étape de détection comprend l'amplification de la force électromotrice induite dans la bobine. 4. Le procédé de la revendication 1,2 ou 3, caractérisé en ce que l'étape de détection comprend la comparaison de la force électromotrice induite dans la bobine à un signal de référence. 5. Le procédé de l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le moteur est commandé par deux relais, et en ce que l'étape de détection comprend la détection d'une force électromotrice induite dans une bobine d'un relais qui n'est pas excitée. 6. Le procédé de l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le moteur est un moteur à courant continu à balais. 7. Un moteur (2) commandé par au moins un relais (20,22), comprenant un circuit de détection dans une bobine (48,50) du relais d'une force électromotrice induite par la rotation de l'arbre du moteur. 8. Le moteur de la revendication 7, caractérisé en ce que le circuit de détection comprend un filtre coupe-bas (30). 9. Le moteur de la revendication 8, caractérisé en ce que le circuit de détection comprend un amplificateur (32) recevant les signaux filtrés par le filtre coupe-bas (30). 10. Le moteur de la revendication 9, caractérisé en ce que le circuit de détection comprend un comparateur (34) recevant les signaux amplifiés par l'amplificateur (32). 11. Le moteur de l'une des revendications 7 à 10, caractérisé en ce que la bobine est orthoradiale à l'arbre du moteur. 12. Le moteur de l'une des revendications 7 à Il, caractérisé en ce qu'il est du type à courant continu à balais présentant au moins un aimant permanent, et en ce que la bobine (48,50) est disposée au voisinage d'un aimant permanent (44,46). 13. Le moteur de l'une des revendications 7 à 12, caractérisé en ce qu'il est du type à courant continu à balais et en ce que la bobine (48,50) est disposée au voisinage du collecteur du moteur. 14. Un circuit de commande d'un moteur, comprenant un relais (20,22) de commande du moteur et un circuit de détection d'une force électromotrice dans une bobine (48,50) du relais. 15. Le circuit de la revendication 14, caractérisé en ce qu'il comprend un filtre coupe- bas (30). 16. Le circuit de la revendication 15, caractérisé en ce qu'il comprend un amplificateur (32) recevant les signaux filtrés par le filtre coupe-bas (30). 17. Le circuit de la revendication 16, caractérisé en ce qu'il comprend un comparateur (34) recevant les signaux amplifiés par l'amplificateur (32).