Brevet FR2863119A1 — publié le 20050603

L'invention concerne un dispositif de commande d'un actionneur magnétoscrictif, en particulier du déplacement de la pièce mobile en matériau magnétostrictif placée dans le champ magnétique généré par l'organe électrique de commande constitué d'une bobine. Elle concerne également un procédé de commande d'un tel actionneur. Les actionneurs magnétostrictifs sont en particulier utilisés pour assurer le déplacement d'une aiguille obturant sélectivement la buse d'injection dans un injecteur de carburant pour moteur thermique de véhicule automobile. Un tel injecteur est notamment décrit dans la demande de brevet français FR-A-2 801 346, dans laquelle la commande de l'actuateur nécessite une topologie électronique de pilotage complexe et coûteuse. Le but de l'invention est de résoudre cet inconvénient en proposant un dispositif de commande d'un actuateur magnétostrictif dont la topologie de pilotage se réduit à deux interrupteurs et deux diodes. Pour cela, un premier objet de l'invention est un dispositif de commande d'un actionneur magnétostrictif constitué d'une pièce destinée à se déplacer sous l'action du champ magnétique généré par une inductance qui l'entoure et qui est parcourue par un courant électrique, caractérisé en ce qu'il comprend un circuit en pont, alimenté par une source de tension continue entre les deux bornes de laquelle sont montés en parallèle les deux bras du pont, dont l'un est constitué d'un transistor (Th) dont une borne est reliée à la borne (B+) de la source et monté en série avec une diode (Db) reliée à la borne (B-), et dont l'autre est constitué d'un transistor (Tb) dont une borne est reliée à la borne (B-) et monté en série avec une diode (Dh) reliée à la borne (B+), les points milieux des deux bras de pont étant reliés par l'inductance de l'actionneur, et en ce que les transistors (Th, Tb) sont pilotés par un dispositif comportant: des moyens de mesure du courant dans l'inductance; - des moyens de détection du niveau dudit courant mesuré ; - des moyens de logique de décision; un étage de commande du transistor (Th) ; - une horloge pilotant le transistor (Tb). Un autre objet de l'invention est un procédé de mise en oeuvre d'un dispositif de commande d'un actionneur magnétostrictif, caractérisé en ce qu'il comporte les phases suivantes: - entre l'instant (to) de démarrage et l'instant (fi), les interrupteurs (Th et Tb) sont commandés à la fermeture et les diodes (Dh et Db) sont alors bloquées de sorte que le courant (ICI), dans l'inductance (L,), croît de la valeur nulle (lo) à une valeur maximale (Imax) - entre les instants (t,) et (t2) qui correspond à une demi-période (T/2), l'interrupteur (Th) est maintenu fermé mais l'interrupteur (Tb) est ouvert, de sorte que la diode (Db) est bloquée mais la diode (Dh) est passante, et que le courant (ICI) circulant dans l'inductance (L,) effectue un court-circuit à ses bornes et reste stationnaire, avec seulement une légère décroissance; - entre l'instant (t2) et l'instant (t3), les deux interrupteurs (Th et Tb) sont commandés à l'ouverture et les deux diodes (Db et Dh) sont donc passantes, de sorte que le courant (lL1) traversant l'inductance (LI) passe par les deux diodes jusqu'à décroître à une valeur minimale (Imin) ; - entre les instants (t3 et t4) égal à une période (T), le transistor (Tb) est commandé à la fermeture pendant que le transistor (Th) est commandé à l'ouverture, et le courant dans l'inductance (L,) est quasi stationnaire, avec une légère décroissante; ces quatre phases de durée (T) étant répétées N fois, jusqu'à l'instant tn où le courant dans l'inductance (LI) de l'actionneur redevient nulle et l'actionneur revient à sa position initiale (do) de consigne en raison de l'ouverture des deux interrupteurs (Th et Tb). D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description de plusieurs exemples de réalisation, illustrée par les figures suivantes qui sont: - la figure 1: une représentation schématique d'un actionneur magnétostrictif; - la figure 2: un diagramme représentant le déplacement souhaité d'un actionneur magnétostrictif utilisé dans un injecteur de carburant; - les figures 3a et 3b: les chronogrammes du déplacement souhaité et du courant dans un actionneur magnétostrictif; - les figures 3, et 3d: les chronogrammes des signaux de commande des interrupteurs du dispositif de commande selon l'invention; la figure 4: une représentation schématique d'un dispositif de commande selon l'invention; - les figures 5a, 5b et 5c: des représentations détaillées d'un dispositif de commande selon deux modes de réalisation; la figure 6: une représentation schématique d'un dispositif de commande de plusieurs actionneurs magnétostrictifs, selon l'invention. Les éléments, dans les différentes figures, portant les mêmes références, 5 remplissent les mêmes fonctions en vue des mêmes résultats. Comme le montre le schéma de la figure 1, un actionneur comprend une pièce 1 en matériau magnétostrictif, de forme parallélépipédique, destinée à se déplacer selon son axe longitudinal L S, l'action du champ magnétique créé par un organe électrique sous forme d'une inductance LA. En général, le déplacement de la partie mobile est proportionnel au courant traversant l'inductance qui commande ledit déplacement. Dans le cas d'un actionneur destiné à assurer le mouvement de l'aiguille d'un injecteur de carburant, le déplacement dudit actionneur, représenté sur le diagramme de la figure 2, comporte une phase initiale do de consigne jusqu'à une deuxième position doons de consigne plus élevée, suivie d'une phase de déplacement alternatif autour de cette seconde consigne doons, entre deux positions extrêmes drain et dmax. Le déplacement alternatif est périodique, jusqu'à ce que l'actionneur soit déplacé à nouveau vers sa position initiale do. Comme le montre le chronogramme de la figure 3a, le déplacement de l'actionneur peut prévoir des phases de maintien autour de chacune des deux positions extrêmes drain et dmax. Le courant circulant dans l'inductance de commande de l'actuateur est lui aussi périodique, s'élevant d'une valeur nulle jusqu'à une valeur maximale Imax, puis oscillant autour d'une valeur moyenne de consigne Io entre cette valeur maximale Imax et une valeur minimale Iman, toutes les deux positives, comme le montre le chronogramme de la figure 3b. Pour obtenir ce courant périodique, le dispositif de commande selon l'invention comprend un circuit en pont 10, alimenté par une source de tension continue E entre les deux bornes B+ et B- de laquelle sont montés en parallèle les deux bras du pont. Chaque bras de pont est constitué d'un transistor Th, respectivement Tb, en série avec une diode Db, respectivement Dh, montés alternativement de part et d'autre de leurs points milieux respectifs J, et J2, qui sont reliés par une charge constituée de l'inductance LA de l'actionneur, comme le montre la figure 4. Le transistor Th est relié d'un côté à la borne B+ de la source de tension E et de l'autre à la diode Db, alors que le second transistor Tb est relié d'un côté à la diode Dh et de l'autre à la borne B- de la source de tension. Ces deux transistors sont pilotés par un dispositif 11, détaillé plus loin, de telle sorte que le courant circulant dans l'inductance LA de l'actuateur commande le déplacement désiré. Le procédé de commande de l'actuateur comporte alors les phases suivantes, représentées sur les chronogrammes des signaux de commande, aux figures 3, et 3d. L'interrupteur du haut Th est commandé par un train de signaux carrés, dont la durée correspond à la durée de commande désirée et dont la demipériode correspond à la fréquence de l'horloge de commande. Entre l'instant tp de démarrage et l'instant les interrupteurs Th et Tb sont commandés à la fermeture et les diodes Dh et Db sont alors bloquées de sorte que le courant ILA, dans l'inductance LA, croît de la valeur nulle Io à une valeur maximale Imax, en passant par le transistor Th d'abord puis le transistor Tb. L'actionneur est ainsi déplacé de sa position de consigne initiale do à une position maximale dmaxÉ Lors d'une deuxième phase, entre les instants t, et t2, la commande maintient fermé l'interrupteur Th mais ouvre l'interrupteur Tb quand le courant est égal à Imax, de sorte que la diode Db est bloquée mais la diode Dh est passante. Le courant circulant dans l'inductance LA effectue un court- circuit à ses bornes, de sorte qu'elle restitue l'énergie emmagasinée précédemment. Le courant IL, reste stationnaire, avec seulement une légère décroissance. L'actionneur ne se déplace pratiquement pas. L'instant t2 correspond à une demi-période T/2. Lors d'une troisième phase entre l'instant t2 et l'instant t3, les deux interrupteurs Th et Tb sont commandés à l'ouverture et les deux diodes Db et Dh sont donc passantes. Le courant I,A traverse l'inductance LA en passant par les deux diodes jusqu'à décroître à une valeur minimale Imin. L'actionneur est ainsi déplacé vers une distance de consigne minimale dmin. Puis, pendant une quatrième et dernière phase, entre les instants t3 et t4 égal à une période T, le transistor Tb est commandé à la fermeture dès que le courant I,A atteint la consigne minimale Imin, pendant que le transistor Th est commandé à l'ouverture. Le courant dans l'inductance LA est quasi stationnaire, avec une légère décroissante, de sorte que l'actionneur reste déplacé au voisinage de la position dminÉ Ces quatre phases de durée T sont répétées N fois, jusqu'à l'instant tn où le courant dans l'inductance LA de l'actionneur redevient nulle et l'actionneur revient à sa position initiale do de consigne en raison de l'ouverture des deux interrupteurs Th et Tb. Ce cycle de durée égale à N fois la période T peut être répété à une fréquence égale à plusieurs dizaines de hertz en fonction du régime du moteur thermique, dans le cas de l'application du procédé à un injecteur de carburant. Selon le schéma fonctionnel de la figure 4, le dispositif de commande d'un actionneur magnétostrictif comprend en plus du circuit en pont 10, alimenté par une source de tension continue E, un dispositif 11 de pilotage des transistors Th et Tb du circuit en pont. Ce dispositif 11 de pilotage comporte tout d'abord des moyens 12 de mesure du courant traversant l'inductance LA de l'actionneur, reliés à des moyens 13 de détection du niveau du courant, par comparaison à deux seuils minimal et maximal. Il comporte de plus des moyens 14 de logique de décision, suivi d'un étage 15 de commande du transistor Tb. Une horloge 16 pilote le second transistor Th, avec la période T, au travers d'un étage de commande flottant, par un train de signaux carrés 17. Selon un premier mode de réalisation représenté sur la figure 5a, les moyens 12 de mesure du courant, représentatif de la position de l'actionneur, sont par exemple réalisés par un transformateur 120 de courant, dont l'enroulement primaire L, est monté en série avec l'inductance LA de l'actionneur et dont l'enroulement secondaire L2 est connecté aux bornes d'un convertisseur 121 courant-tension pour que la comparaison soit faite en tension. Le convertisseur de courant en tension comprend un amplificateur 122, dont la sortie est reliée à un transistor 123 et à une borne d'une diode 124 dont l'autre borne est reliée à une résistance R, reliant la sortie de l'amplificateur 122 à son entrée. Le convertisseur présente au transformateur de courant 120 une impédance d'entrée suffisamment faible pour assurer la bande passante en courant nécessaire à la mesure. Le transistor 123, qui est monté en suiveur dans la boucle, permet d'utiliser de faibles valeurs de rapport de transformation en utilisant de faibles valeurs pour la résistance Ri. Dans un autre mode de réalisation représenté sur la figure 5b, les moyens 12 de mesure du courant peuvent être réalisés par un shunt, soit une résistance RS en série avec l'inductance LA de l'actionneur, et un amplificateur différentiel 125 associé à quatre résistances R2 à R5 permettant la mesure de la tension aux bornes de Rs, ou par un capteur de courant à effet Hall. Le signal de sortie du convertisseur est comparé à deux seuils en tension Vm;n et Vmax dans deux comparateurs 131 et 132 qui détectent les niveaux minimal et maximal du courant. Les moyens logiques 14 de décision sont réalisés par une bascule RS, constituée de deux portes NAND 141 et 142, qui délivre un signal à un étage 15 de commande du transistor Tb du circuit de pont. Cet étage, ou driver , représenté symboliquement par un buffer-inverseur sur la figure 5a peut être réalisé comme le montre la figure 5c par un transistor 151, monté en inverseur assisté d'un autre transistor 152 monté en suiveur et d'une diode 153. Les composants, alimentés par la basse tension Vb de la batterie du véhicule comme les différents amplificateurs du dispositif, assurent des fonctions d'inversion, de translation de niveau à partir d'une logique basse tension vers des niveaux nécessaires à la commande du transistor et d'amplificateur de courant. La figure 6 est une représentation schématique d'un dispositif de commande de plusieurs actionneurs magnétostrictifs d'inductance LA;, i étant un entier. Chaque actionneur a une première borne reliée au premier bras de pont, en son point milieu J,, et sa deuxième borne reliée à un deuxième bras de pont différent pour chaque actionneur, en son point milieu J2n. Le premier bras de pont est commun aux n actionneurs, ainsi que tous les moyens de mesure 12 du courant, de détection 13 de niveau de courant, de logique séquentielle 14 précédemment décrits. La commande du transistor Th par l'horloge est commune à tous les actionneurs, par contre celle des transistors Tb;, et donc des diodes Dhi, est propre à chaque actionneur LA; sélectionné. Dans le cas de la figure 6, les moyens de mesure du courant sont réalisés en particulier par un transformateur 120 dont l'enroulement primaire L, est monté en série avec l'inductance LA; de chaque actionneur et dont l'enroulement secondaire L2 est connecté aux bornes d'un convertisseur de courant-tension 121 comme décrit auparavant. Le choix de l'actionneur à piloter est réalisé par un multiplexeur 16 inséré entre les moyens 14 de logique de décision, la bascule RS par exemple, et l'étage de commande 15 des transistors Tb;. Le multiplexeur 16 est par exemple réalisé par deux circuits inverseurs 161, qui reçoivent chacun en entrée un bit égal à 0 ou à 1, connectés chacun à quatre portes NAND 162 dont la sortie est reliée à un moyen 15 de commande d'un transistor Tb;. Les quatres valeurs des deux bits 0 ou 1 sélectionnent ainsi l'actionneur actif. Le déclenchement de la commande se fait par celle de l'horloge qui pilote le transistor Th. 8 REVENDICATIONS 1. Dispositif de commande d'un actionneur magnétostrictif constitué d'une pièce destinée à se déplacer sous l'action du champ magnétique d'une inductance qui l'entoure et qui est parcourue par un courant électrique, caractérisé en ce qu'il comprend un circuit en pont (10), alimenté par une source de tension continue (E) entre les deux bornes (B+ et B-) de laquelle sont montés en parallèle les deux bras du pont, dont l'un est constitué d'un transistor (Th) dont une borne est reliée à la borne (B+) de la source (E) et monté en série avec une diode (Db) reliée à la borne (B-), et dont l'autre est constitué d'un transistor (Tb) dont une borne est reliée à la borne (B-) et monté en série avec une diode (Dh) reliée à la borne (B+), les points milieux (J, , J2) des deux bras de pont étant reliés par l'inductance (LA) de l'actionneur, et en ce que les transistors (Th, Tb) sont pilotés par un dispositif (11) comportant: - des moyens (12) de mesure du courant dans l'inductance (LA) ; - des moyens (13) de détection du niveau dudit courant mesuré ; - des moyens (14) de logique de décision; - un étage (15) de commande du transistor (Th) ; une horloge (16) pilotant le transistor (Tb). 2. Dispositif de commande d'un actionneur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens (12) de mesure du courant sont constitués d'un transformateur (120) de courant, dont l'enroulement primaire (L,) est monté en série avec l'inductance (LA) de l'actionneur et dont l'enroulement secondaire (L2) est connecté aux bornes d'un convertisseur (121) de courant en tension. 3. Dispositif de commande d'un actionneur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens (13) de détection du niveau de courant traversant l'inductance (LA) de l'actionneur sont connectés à la sortie des moyens (12) de mesure du courant et sont réalisés par deux comparateurs (131, 132), destinés à comparer la valeur du courant à deux seuils minimal et maximal. 4. Dispositif de commande d'un actionneur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens (14) logiques de décision sont réalisés par une bascule de type RS, constituée de deux portes logiques NAND (141, 142) reliées chacune à la sortie d'un des comparateurs (131, 132) des moyens (13) de détection du niveau de courant traversant l'inductance (LA) de l'actionneur et destinées à délivrer un signal à l'étage (15) de commande du transistor (Tb) du circuit de pont. 5. Dispositif de commande d'un actionneur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étage (15) de commande du transistor (Th) est réalisé par un transistor (151) monté en inverseur, assisté d'un autre transistor (152) monté en suiveur et d'une diode (153). 6. Dispositif de commande d'un actionneur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens (12) de mesure du courant sont constitués par un shunt et un amplificateur différentiel, ou par un capteur de courant à effet Hall. 7. Dispositif de commande de plusieurs actionneurs magnétostrictifs selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que chaque actionneur a une première borne reliée au premier bras de pont en son point milieu (JI) et sa deuxième borne reliée à un deuxième bras de pont différent pour chaque actionneur en son point milieu (J2n), le premier bras de pont étant commun aux n actionneurs ainsi que tous les moyens de mesure (12) du courant, de détection (13) du niveau de courant de logique séquentielle (14) et la commande du transistor (Th) par l'horloge, et la commande des transistors (Tb;) étant propre à chaque actionneur sélectionné, et en ce que l'actionneur à piloter est sélectionné par un multiplexeur (16) inséré entre les moyens (14) de logique de décision et de l'étage (15) de commande des transistors (Tb;). 8. Procédé de mise en oeuvre d'un dispositif de commande d'un actionneur selon les revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comporte les phases suivantes: - entre l'instant (to) de démarrage et l'instant (t,), les interrupteurs (Th et Tb) sont commandés à la fermeture et les diodes (Dh et Db) sont alors bloquées de sorte que le courant (I LA), dans l'inductance (LA), croît de la valeur nulle (Io) à une valeur maximale (Imax) - entre les instants (t,) et (t2) qui correspond à une demi-période (T/2), l'interrupteur (Th) est maintenu fermé mais l'interrupteur (Tb) est ouvert, de sorte que la diode (Db) est bloquée mais la diode (Dh) est passante, et que le courant (ILA) circulant dans l'inductance (LA) effectue un court-circuit à ses bornes et reste stationnaire, avec seulement une légère décroissance; - entre l'instant (t2) et l'instant (t3), les deux interrupteurs (Th et Tb) sont commandés à l'ouverture et les deux diodes (Db et Dh) sont donc passantes, de sorte que le courant (ILA) traversant l'inductance (LA) passe par les deux diodes jusqu'à décroître à une valeur minimale (Imin) ; - entre les instants (t3 et t4) égal à une période (T), le transistor (Tb) est commandé à la fermeture pendant que le transistor (Th) est commandé à l'ouverture, et le courant dans l'inductance (LA) est quasi stationnaire, avec une légère décroissante; ces quatre phases de durée (T) étant répétées N fois, jusqu'à l'instant th où le courant dans l'inductance (LA) de l'actionneur redevient nulle et l'actionneur revient à sa position initiale (do) de consigne en raison de l'ouverture des deux interrupteurs (Th et Tb). 9. Procédé de commande d'un actionneur selon la revendication 8, caractérisé en ce que ce cycle de quatre phases, de durée égale à N fois la période (T), est répété à une fréquence égale à plusieurs dizaines de hertz en fonction du régime du moteur thermique, dans le cas de l'application du procédé à un injecteur de carburant.