Brevet FR2880741A1 — publié le 20060714

L'invention concerne un procédé de détermination de la position et/ou de la vitesse de rotation de l'arbre d'un moteur à courant continu comprenant un induit alimenté via des balais et un collecteur à lames et destiné à l'entraînement d'un élément mobile du bâtiment. Elle concerne également un actionneur permettant de mettre en oeuvre un tel procédé et destiné à manoeuvrer un élément mobile du bâtiment. Certains actionneurs pour la manoeuvre d'éléments mobiles tels que des portes, des portails, des volets, des stores, des écrans de projection, des trappes de ventilation équipant les bâtiments, comprennent des moteurs à courant continu présentant des balais d'alimentation d'induit. Pour commander les manoeuvres de ces éléments mobiles, il est intéressant de connaître leur position afin de déterminer quand doit être coupée l'alimentation du moteur en fin de course de l'élément ou lorsque celui-ci se trouve en position intermédiaire. On connaît du brevet US 5,038,087 un procédé s'appliquant à un moteur à courant continu avec balais sur l'induit permettant de déterminer par comptage la position déployée d'un store dont la position enroulée est détectée par butée du moteur. Le calcul de la position est effectué par comptage des commutations de lames du collecteur sur les balais du moteur. Cependant, un tel procédé de comptage n'est pas fiable, notamment quand le moteur fonctionne à faible vitesse ou à vide. On connaît de la demande EP 1 333 150, des procédures de correction permettant de résoudre partiellement les problèmes posés par de tels procédés. MS\2.5649.12FR. 526. dpt. DOC La demande EP 0 689 054 propose une solution consistant en un traitement d'un signal image du courant d'alimentation. Sur la figure 1 de ce document, un shunt est branché en série avec un moteur à courant continu et est utilisé pour fournir une tension image du courant dans l'induit du moteur. La tension aux bornes du shunt est amplifiée par un amplificateur différentiel ICI, puis un deuxième amplificateur différentiel amplifie la différence entre, d'une part, la tension amplifiée, et d'autre part, une tension image de la tension amplifiée, cette tension image étant une moyenne temporelle de la tension amplifiée et la moyenne étant effectuée de manière à supprimer toute composante alternative due aux commutations de lames au collecteur. Le traitement pour obtenir la valeur moyenne est réalisé par un circuit RC dont la constante de temps est très grande devant la période de commutation. Par la suite, le signal issu de la comparaison est ajouté à lui-même, après avoir été décalé temporellement. La somme résultante est comparée à une tension de référence fixe. La sortie du comparateur dont les entrées reçoivent la somme résultante et la tension de référence fixe à passe à l'état haut une fois par période de commutation. La structure du dispositif décrit est relativement complexe. Le but de l'invention est de fournir un procédé de détermination de la position et/ou de la vitesse de rotation d'un arbre d'un moteur obviant aux inconvénients cités et apportant des améliorations par rapport aux procédés connus de l'art antérieur. En particulier, le procédé selon l'invention permet de calculer de manière plus fiable par comptage la position et/ou la vitesse de rotation d'un moteur et peut être mis en oeuvre par un dispositif comprenant une structure très simple. Le but de l'invention est encore de fournir un dispositif pour la mise en oeuvre d'un tel procédé. MS\2. S649.12FR.526.dpt.DOC 2880741 3 Le procédé selon l'invention est caractérisé en ce qu'il comprend les phases suivantes: générer un premier signal de tension image du signal de courant alimentant le moteur, traiter ce premier signal de tension de manière à obtenir un deuxième signal de tension image au moins décalé temporellement par rapport au premier signal de tension, générer un troisième signal de tension représentatif des commutations entre les lames de collecteur et les balais et dont la valeur est fonction de la valeur de comparaison des premier et deuxième signaux de tension, utiliser ce troisième signal de tension pour calculer la position et/ou la vitesse de rotation de l'arbre moteur. La phase de traitement du premier signal de tension de manière à obtenir un deuxième signal de tension peut permettre de filtrer les composantes du signal présentant les fréquences les plus élevées. L'actionneur selon l'invention comprend: un moteur à courant continu présentant un induit alimenté via des balais et un collecteur à lames, des moyens de génération d'un premier signal de tension image du signal de courant d'alimentation du moteur, des moyens de détection permettant de générer un signal logique représentatif des commutations entre les lames de collecteur et les balais et des moyens de comptage incrémentés grâce au signal logique. Il est caractérisé en ce que les moyens de détection comprennent des moyens de traitement permettant de transformer le premier signal de tension en un deuxième signal de tension présentant au moins un MS\2.5649. 12FR.526.dpt. DOC 2880741 4 décalage temporel par rapport au premier signal de tension et des moyens de comparaison des deux signaux de tension générant en sortie le signal logique. Les moyens de traitement peuvent permettre un filtrage des composantes de fréquences élevées du premier signal de tension. Les moyens de traitement peuvent comprendre un circuit RC comprenant une résistance et un condensateur. Dans ce cas, la constante de temps du circuit RC peut être inférieure à la plus courte des périodes de commutation. Les moyens de traitement peuvent comprendre des moyens pour ajuster 15 dynamiquement le décalage temporel en fonction de la fréquence de l'arbre moteur. De préférence, l'actionneur comprend un frein de déblocage. Le dessin annexé représente, à titre d'exemple, un mode de réalisation d'un actionneur selon l'invention et une procédure de fonctionnement d'un tel actionneur. La figure 1 est un schéma d'un mode de réalisation d'un actionneur selon 25 l'invention. La figure 2 est un schéma illustrant le principe du procédé de détermination selon l'invention. La figure 3 est un ordinogramme d'une procédure de fonctionnement d'un actionneur selon l'invention. MS\2.S649.12FR.526.dpt.DOC 2880741 5 L'actionneur ACT représenté à la figure 1 est destiné à entraîner un élément mobile LD équipant un bâtiment. Il comprend un moteur à courant continu MOT de type à bobinage d'induit au rotor, avec collecteur et balais B. L'inducteur est préférentiellement constitué d'aimants permanents au stator. Le moteur est lié cinématiquement à l'élément mobile par l'intermédiaire d'un frein de déblocage BRK qui permet d'immobiliser l'arbre moteur lorsque le moteur n'est pas alimenté afin d'éviter que celui-ci ne soit entraîné par la charge. Un tel frein a pour effet de nécessiter un courant d'alimentation de l'actionneur même dans des conditions de très faible charge ou de charge entraînante. Le moteur est également lié à la charge par l'intermédiaire d'un réducteur GER. Le moteur MOT est alimenté à partir d'une tension continue UDC, fournie par une batterie ou par un convertisseur non représenté. Cette tension UDC est appliquée aux bornes du moteur grâce à des moyens de commande de l'alimentation comprenant un microcontrôleur CPU commandant des moyens de commutation non représentés permettant de faire tourner le moteur dans un premier sens ou dans un deuxième sens. Le microcontrôleur est relié à un récepteur d'ordres non représenté permettant de détecter des ordres émis suite à une action effectuée par un utilisateur ou suite à un événement détecté par un automatisme. Une des fonctions des moyens de commande est de couper l'alimentation du moteur lorsque l'arbre de celui-ci a atteint une position particulière, correspondant par exemple à une position intermédiaire prédéfinie ou une position de fin de course de l'élément mobile LD. La position de l'arbre moteur, et donc celle de l'élément mobile entraîné, est mesurée par comptage. Les moyens de commande provoquent également l'arrêt de l'alimentation du moteur et éventuellement un bref instant d'alimentation inverse pour permettre un mouvement inverse de l'élément mobile en cas de détection d'un obstacle. Cette détection MS\2. S649.12FR.526.dpt.DOC d'obstacle peut, par exemple, être effectuée par une détection d'un ralentissement anormal du moteur. Les moyens de commande doivent donc permettre de calculer la position et la vitesse de l'élément mobile aussi précisément que possible. Un courant d'induit IM est mesuré à l'aide d'une résistance shunt RS de faible valeur, dont une borne est reliée à une première borne d'induit du moteur et à la masse électrique GND. Ainsi, la tension de mesure URS aux bornes du shunt est faible devant la tension d'alimentation UDC qui est appliquée au moteur à l'aide de relais non représentés. Un dispositif de détection DD permet de transformer en signal logique à deux niveaux (haut et bas) UC3, les fluctuations du courant d'induit IM provoquées par les commutations des lames L de collecteur lors de leur passage en regard des balais B. Ce dispositif comprend par exemple un comparateur CMP à faible hystérésis HYST et un circuit de déphasage DLD. La tension URS aux bornes du shunt RS est directement appliquée à une première entrée Cl du comparateur CMP. Cette tension URS est également appliquée à l'entrée d'un circuit de déphasage DLD permettant de retarder d'une durée TD la tension de sortie URF du dispositif par rapport à la tension URS. Ce retard TD est inférieur, voire très inférieur, à la période de commutation TS. Comme représenté à la figure 1, le dispositif de déphasage peut être réalisé par un simple circuit RC constitué d'une résistance RF en série avec un condensateur CF, la tension de sortie du dispositif de déphasage étant prise aux bornes du condensateur CF. Le produit des valeurs de résistance et de capacité RFxCF, ou constante de temps, est inférieur à la plus faible des périodes de commutation (c'est-à-dire la période de MS\2. S649.12FR.526. dpt.DOC 2880741 7 commutation obtenue quand l'arbre moteur tourne à sa vitesse maximum). Dans une variante préférée, le rapport de la constante de temps à la période la plus faible est égal à 0.3. La tension retardée URF est appliquée à la deuxième entrée C2 du comparateur CMP. La sortie C3 du comparateur est raccordée à une entrée numérique I1 du microcontrôleur CPU. Cette entrée permet l'incrémentation par le signal logique UC3 issu du comparateur CMP, d'un compteur CNT lors de chaque passage du signal à l'état haut. L'entrée sert également d'entrée de mesure de la fréquence instantanée des passages à l'état haut. Cette fréquence est stockée dans une mémoire FRQ du microcontrôleur. Le microcontrôleur est équipé de moyens de comptage, de mesure de fréquence, de calcul glissant de la fréquence moyenne sur un intervalle de temps donné et de calcul de la fréquence de rotation du moteur et/ou de la position du moteur en fonction de la fréquence du signal logique issu du comparateur CMP ou en fonction de la valeur stockée dans le compteur CNT. Le microcontrôleur comprend également d'autres mémoires et notamment une mémoire FRA pour stocker la valeur moyenne de la fréquence du signal logique issu du comparateur. L'alimentation du microcontrôleur n'est pas représentée en détail. La figure 2 représente, en trait pointillé, un signal de tension image du courant d'alimentation qui serait obtenu en absence de tout parasite. Ce signal s'apparente à un signal de courant redressé polyphasé, comprenant autant de phases que de lames L au collecteur. La situation représentée est celle d'un régime permanent, c'est-à-dire une MS\2. S649.12FR. 526. dpt. DOC 2880741 8 situation dans laquelle les conditions de vitesse et de charge sont stabilisées. Le signal de tension URS mesurée aux bornes du shunt RS telle qu'il est réellement obtenu est représenté par une courbe continue, de même que le signal de tension URF retardé, simplement décalé d'un retard TD, faible devant la période de commutation TS. La représentation donnée sur la figure 2 est simplifiée: en effet, le retard étant obtenu par un circuit RC passe bas, les ondulations parasites de la tension retardée URF devraient figurer avec une amplitude plus faible que celles de la tension de mesure URS. Les parasites de chaque signal ont ici une amplitude le plus souvent supérieure à l'hystérésis HYST du comparateur. Si la comparaison était faite avec une tension de référence fixe, alors le comparateur basculerait plusieurs fois par période de commutation, d'où des mesures erronées. Augmenter l'hystérésis conduirait à réduire ce type d'erreurs, mais rendrait le montage insensible aux faibles ondulations de courant. Le fait de comparer le signal de tension URS aux bornes du shunt RS avec un signal quasiment identique mais simplement décalé dans le temps permet d'obtenir un seul passage à l'état haut par période avec une faible ou très faible hystérésis, comparée à l'amplitude des parasites. Ainsi, le premier passage à l'état haut de la tension UC3 de sortie du comparateur CMP a lieu à une date H1, dès que la tension retardée URF dépasse la tension de mesure URS d'une quantité égale à l'hystérésis HYST du comparateur. Le retour à l'état bas a lieu, à une date L1, dès que cette tension URF devient inférieure à la tension URS d'une quantité égale à l'hystérésis. On comprend que le montage continue à fonctionner lors d'un régime transitoire du courant d'induit IM, par exemple lors d'une croissance MS\2.S649.12FR.526.dpt.DOC 2880741 9 importante puis une décroissance du couple moteur. En effet, le régime transitoire correspond à une évolution très lente par rapport à la durée des commutations, et il suffit de considérer la figure 2 avec un léger décalage vers le haut (ou vers le bas) régulier de période de commutation en période de commutation, avec de plus une légère croissance (ou décroissance) de la durée de la période de commutation. Une variante de réalisation de l'actionneur, également représentée à la figure 1, permet d'optimiser le fonctionnement. Cette variante permet d'asservir la valeur du retard TD intervenant entre le signal de tension URF et le signal de tension URS à la valeur moyenne de la fréquence des commutations. A cet effet, le microcontrôleur présente une sortie analogique 01 fournissant un signal d'ajustement temporel TADJ permettant d'ajuster la valeur de la résistance RF. La résistance RF est alors une résistance commandée, par exemple un transistor à effet de champ, dont la grille est raccordée à la ligne de liaison à la sortie 01 du microcontrôleur. Le circuit déphaseur DLD peut de la même façon être réalisé sous la forme d'un filtre passe-bas à fréquence de coupure pilotée par une fréquence d'entrée. Dans ce cas, le signal d'ajustement temporel est une fréquence plutôt qu'une tension, et la sortie 01 est celle d'un générateur de fréquence du microcontrôleur. Un procédé mis en oeuvre par cette dernière variante et permettant d'ajuster le retard temporel est décrit en référence à la figure 3. Dans une première étape 301, la fréquence instantanée FRQ des commutations est mesurée en ayant fixé la valeur du retard TD à une valeur prédéterminée. Dans une étape 302, une fréquence moyenne est mise à jour dans une mémoire FRA du microcontrôleur. II s'agit, par exemple, de manière MS\2. 5649.12FR.526.dpt.DOC 2880741 10 simple d'une moyenne glissante calculée sur les dix derniers échantillons de calcul de la fréquence FRQ. Dans une étape de test 303, si, alors que le régime établi était atteint, on constate une évolution progressive de la fréquence moyenne, on passe à une étape de test 304 déterminant le sens d'évolution de la fréquence moyenne. Dans le cas où la fréquence moyenne n'évolue pas on boucle sur l'étape 301. Si la fréquence moyenne augmente, on passe à une étape 305 dans laquelle on diminue la valeur du retard TD, puis on boucle sur l'étape 301. Si la fréquence moyenne diminue, on passe à une étape 306 dans 15 laquelle on augmente la valeur du retard TD, puis on boucle sur l'étape 301. L'utilisation d'un frein de déblocage permet de garantir que, même dans une situation de charge entraînante, le courant dans l'induit du moteur est tel que le fonctionnement du moteur est de type moteur et ne s'annule pas. Multipliées par la résistance shunt RS, les variations de ce courant sont au moins supérieures à l'hystérésis HYST du comparateur. MS\2.S649.12FR.526.dpt.DOC Revendications: 1 Procédé de détermination de la position et/ou de la vitesse de rotation de l'arbre d'un moteur (MOT) à courant continu comprenant un induit alimenté via des balais (B) et un collecteur à lames (L) et destiné à l'entraînement d'un élément mobile (LD) du bâtiment, caractérisé en ce qu'il comprend les phases suivantes: générer un premier signal de tension (URS) image du signal de courant (IM) alimentant le moteur, traiter ce premier signal de tension (URS) de manière à obtenir un deuxième signal (URF) de tension image au moins décalé temporellement par rapport au premier signal de tension (URS), générer un troisième signal de tension (UC3) représentatif des commutations entre les lames (L) de collecteur et les balais (B) et dont la valeur est fonction de la valeur de comparaison des premier et deuxième signaux de tension, utiliser ce troisième signal de tension (UC3) pour calculer la position et/ou la vitesse de rotation de l'arbre moteur. 20 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la phase de traitement du premier signal de tension (URS) de manière à obtenir un deuxième signal de tension (URF) permet de filtrer les composantes du signal (URS) présentant les fréquences les plus élevées. 3. Actionneur (ACT) pour la manoeuvre d'un élément mobile (LD) du bâtiment, comprenant: un moteur (MOT) à courant continu présentant un induit alimenté via des balais (B) et un collecteur à lames (L), MS\2. S649.12FR.526.dpt.DOC des moyens (RS) de génération d'un premier signal de tension (URS) image du signal de courant d'alimentation (IM) du moteur (MOT), des moyens de détection (DD) permettant de générer un signal logique (UC3) représentatif des commutations entre les lames (L) de collecteur et les balais (B) et des moyens de comptage (CPU, CNT) incrémentés grâce au signal logique (UC3), caractérisé en ce que les moyens de détection (DD) comprennent des moyens de traitement (DLD) permettant de transformer le premier signal de tension (URS) en un deuxième signal de tension (URF) présentant au moins un décalage temporel (TD) par rapport au premier signal de tension et des moyens de comparaison (CMP) des deux signaux de tension générant en sortie le signal logique (UC3). 4. Actionneur (ACT) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les moyens de traitement (DLD) permettent un filtrage des composantes de fréquences élevées du premier signal de tension (URS). 5. Actionneur (ACT) selon l'une des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que les moyens de traitement (DLD) comprennent un circuit RC comprenant une résistance (RF) et un condensateur (CF). 6. Actionneur (ACT) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la constante de temps (RFxCF) du circuit RC est inférieure à la plus courte des périodes de commutation. 7. Actionneur (ACT) selon l'une des revendications 3 à 6, caractérisé en ce que les moyens de traitement (DLD) comprennent des MS\2. S649.12FR.526.dpt.DOC moyens (TADJ, RF) pour ajuster dynamiquement le décalage temporel (TD) en fonction de la fréquence de l'arbre moteur. 8. Actionneur (ACT) selon l'une des revendications 3 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend un frein de déblocage (BRK). MS\2.5649.12FR.526.dpt.DOC