Brevet FR2903826A1 — publié le 20080118

PROCEDE ET DISPOSITIF DE COMMANDE DE LA VITESSE DE ROTATION D'UN ROTOR DE MOTEUR PIEZOELECTRIQUE La présente invention concerne d'une façon générale le domaine des moteurs piézoélectriques rotatifs, et plus spécifiquement elle concerne un procédé de commande de la vitesse de rotation d'un moteur piézoélectrique. Dans un moteur piézoélectrique rotatif, dit aussi moteur rotatif à onde progressive, l'entraînement d'un rotor est dû à la friction des dents du stator sur la surface de contact du rotor, le moteur comprenant des moyens piézoélectriques d'excitation du stator propres à exciter celui-ci et provoquer le déplacement rotatif du rotor. A la figure 1 des dessins annexés, on a représenté très schématiquement une structure simplifiée d'un moteur piézoélectrique rotatif limitée aux principaux organes concernés par l'invention. Le rotor 1 se présente sous la forme générale d'une roue ayant un patin de contact 2 annulaire réuni par un voile 3 à un moyeu 4 central. Le stator 5 se présente sous la forme générale d'une structure annulaire fixe comportant une couronne statorique 6 annulaire qui possède une surface dentée 9 sur laquelle est en appui le patin de contact 2 et qui est supportée en porte-à-faux vers l'extérieur sur une embase 7 annulaire par l'intermédiaire d'une jante statorique 8 d'étendue sensiblement radiale ; le matériau céramique piézo-électrique 10 est fixé sous la couronne statorique 6 à l'opposé de la surface dentée 9. 2903826 2 Ainsi, l'entraînement du rotor se fait par friction des dents du stator 5 sur la surface de contact du rotor 1. 5 La figure 2 représente un modèle de répartition des éléments piézo-électriques sous la couronne statorique 6 selon l'art antérieur, le matériau piézo-électrique 10 se présentant alors sous la forme d'un anneau piézo-électrique avec deux secteurs 10 d'excitations, couramment appelés électrodes d'excitation , un secteur A correspondant à un mode d'excitation sinusoïdal et un secteur B correspondant à un mode d'excitation cosinusoïdal, c'est-à-dire que le secteur piézo-électrique A est excité sous une tension 15 d'excitation du type ksinwt et que le secteur piézo-électrique B est excité sous une tension du type kcoswt, k étant une constante, t le temps et w la période. Les deux tensions d'excitation sont donc décalées de 7r/2 l'une par rapport à l'autre et ont la même fréquence 20 d'excitation. Chaque secteur d'excitation comprend une pluralité de segments piézocéramiques al-a6, bl-b6 polarisés de manière alternée. 25 Ainsi, en considérant deux segments piézo-électriques alternés limitrophes et en les excitant avec une même tension, on obtient la contraction d'un segment et la dilatation de l'autre, ce qui entraîne la 30 déformation de la surface du stator 5 en formant une onde stationnaire, chaque segment piézo-électrique des secteurs piézo-électriques A, B étant d'une même longueur périphérique correspondant à une demi-longueur d'onde X/2 2903826 3 de l'onde stationnaire générée par l'excitation du secteur piézo-électrique A, B. Ainsi, les secteurs d'excitation A, B permettent 5 chacun la génération d'une onde stationnaire avec une même longueur d'onde X. Les deux secteurs piézoélectriques A, B sont séparés d'un secteur S, non excité par une tension 10 d'excitation, d'une longueur périphérique correspondant à un quart de longueur d'onde A/4 et sont excités avec des tensions d'excitation décalées de 7r/2 l'une par rapport à l'autre. 15 Ainsi, les deux ondes stationnaires générées par les secteurs d'excitation A, B sur l'anneau piézoélectrique 10 sont décalées l'une de l'autre d'un quart de longueur d'onde (V/4). 20 La superposition des deux ondes stationnaires résulte en la formation d'une onde progressive d'une longueur d'onde X se déplaçant le long de l'anneau piézo-électrique, et par voie de conséquence, entraîne également la déformation de la couronne statorique 6 sur 25 laquelle est fixé l'anneau piézo-électrique 10 avec la formation d'une onde progressive se déplaçant sur la couronne statorique 6. La formation d'une onde progressive permet la 30 création de petits mouvements elliptiques au niveau de la surface dentée 9 de la couronne statorique 6 ce qui entraîne par friction la rotation du rotor 1 dans un sens de déplacement opposé au sens de déplacement de l'onde progressive. 2903826 4 Le principe de fonctionnement d'un moteur piézo-électrique à l'aide d'un stator et d'un rotor tel que précédemment décrit est bien connu (voir par exemple US 5 6 674 217). La transmission du mouvement de rotation de l'onde progressive au rotor est basée sur la friction de la surface dentée 9 sur le rotor 1, cette friction, 10 présentant un rendement de 30 à 40%, favorise les échauffements en température, l'élévation en température jouant notamment sur les contraintes internes du stator issues du collage du matériau piézoélectrique sur le stator. 15 Ainsi, le matériau piézoélectrique réagit différemment selon que sa température est plus ou moins élevée. 20 Du fait de son échauffement, il est donc relativement difficile de contrôler avec exactitude la vitesse de rotation du moteur lors du fonctionnement en continu du moteur. 25 Ainsi, si l'utilisateur souhaite faire fonctionner le moteur piézoélectrique à une vitesse de rotation fixée, les moyens de réglage de la vitesse ne tiennent pas automatiquement compte de l'élévation en température du matériau piézoélectrique et la vitesse réelle de 30 rotation du moteur piézoélectrique est différente de la vitesse de rotation demandée. 2903826 5 En effet, de manière courante, le pilotage du moteur est réalisé à l'aide du pilotage des tensions d'excitation des deux secteurs d'excitation. 5 Ainsi, afin de modifier la vitesse de rotation du moteur au cours du temps, il est couramment modifié les paramètres variables des tensions d'excitation, notamment en modifiant, de manière indépendante ou combinée, la fréquence et l'amplitude des tensions d'excitation et/ou 10 la phase et l'amplitude des tensions d'excitation. Toutefois, ce pilotage de la vitesse de rotation du moteur en fonction d'au moins deux paramètres est relativement complexe à mettre en œuvre et ne tient pas 15 compte des modifications en température du mode de fonctionnement du matériau céramique piézoélectrique. Il serait donc particulièrement intéressant de pouvoir réguler la vitesse de rotation du moteur selon un 20 procédé tenant compte de la modification de température du matériau piézoélectrique. La présente invention se propose de résoudre ce problème à l'aide d'un procédé de régulation de la 25 vitesse de rotation d'un moteur piézoélectrique tenant compte de la température du matériau piézoélectrique et donc permettant de modifier automatiquement les paramètres de commande du moteur piézoélectrique en fonction de la vitesse de rotation demandée et de la 30 vitesse de rotation réelle. La présente invention porte sur un procédé de commande de la vitesse de rotation d'un rotor d'un moteur piézoélectrique alimenté pair au moins deux tensions 10 15 20 25 30 2903826 6 d'excitation excitant chacune un secteur d'excitation du matériau piézoélectrique, les deux tensions d'excitation étant variables à l'aide de paramètres physiques variables comprenant la fréquence, l'amplitude et le 5 déphasage des deux tensions d'excitation, caractérisé en ce qu'il comprend au moins les étapes successives suivantes : - détermination de la variation de la vitesse de rotation du rotor du moteur piézoélectrique en fonction de l'un des paramètres physiques variables, les autres paramètres étant fixés, pour une température de référence; - fixation d'une vitesse de rotation ; - détermination et alimentation du moteur avec des tensions d'excitation à la valeur théorique dudit paramètre physique variable ; - mesure de la vitesse de rotation réelle ; - calcul de la différence entre la vitesse de rotation théorique et la vitesse de rotation réelle ; o si la différence est inférieure à une valeur seuil, alors après un temps d'attente, le procédé recommence à ladite étape de mesure de la vitesse de rotation réelle; o si la différence est supérieure à une valeur seuil, alors, le procédé comprend les étapes supplémentaires suivantes : ^ détermination de l'écart entre la température réelle et la température de référence; ^ détermination de la variation de la vitesse de rotation en fonction dudit paramètre physique variable pour la température réelle ; 2903826 7 ^ modification dudit paramètre physique variable, et ^ retour à ladite étape de détermination et alimentation du moteur avec des tensions 5 d'excitation à la valeur théorique dudit paramètre physique variable. Selon un mode de réalisation avantageux de l'invention, le paramètre physique variable est la 10 fréquence des tensions d'excitation. Avantageusement, la variation de la vitesse de rotation du moteur piézoélectrique en fonction dudit paramètre physique variable suit une loi de type 15 gaussienne. De manière avantageuse, la variation en température de la vitesse de rotation du moteur piézoélectrique en fonction de la fréquence des tensions d'excitation est 20 linéaire, pour une amplitude et un déphasage des tensions d'excitation fixés. La présente invention porte également sur un dispositif de commande de la vitesse de rotation d'un 25 rotor de moteur piézoélectrique fonctionnant selon le procédé présentant les caractéristiques précédemment mentionnées. La présente invention est maintenant décrite à 30 l'aide d'un mode de réalisation uniquement illustratif et nullement limitatif de la portée de la présente invention, et à partir des illustrations ci-jointes, dans lesquelles : 2903826 8 - la figure 1 est une vue schématique représentant les principaux organes de fonctionnement d'un moteur piézoélectrique ; - la figure 2 est une représentation schématique de 5 la disposition des secteurs d'excitation d'un anneau piézoélectrique utilisé selon l'art antérieur ; - la figure 3 est un graphique représentant la variation de la vitesse de rotation d'un moteur 10 piézoélectrique en fonction de la fréquence des tensions d'excitation ; - la figure 4 est un schéma fonctionnel des principales étapes du procédé de régulation selon l'art antérieur de la vitesse de rotation d'un 15 moteur piézoélectrique en fonction de la fréquence des tensions d'excitation ; - la figure 5 est un graphique représentant la variation de la vitesse de rotation d'un moteur piézoélectrique en fonction de la fréquence des 20 tensions d'excitation et pour deux températures du matériau piézoélectrique ; - la figure 6 est un schéma fonctionnel des principales étapes du procédé de régulation de la vitesse de rotation d'un moteur piézoélectrique 25 selon l'invention, et - la figure 7 illustre de manière théorique une partie des moyens de mise en oeuvre du procédé selon l'invention à l'aide d'un graphique de variation de la vitesse de rotation en fonction 30 de la fréquence des tensions d'excitation pour une température de référence Tref et une température réelle Tréeme 2903826 9 La figure 3 est un graphique de variation de la vitesse de rotation d'un moteur piézoélectrique de type connu en soi en fonction de la fréquence des tensions d'excitation. 5 Ainsi, pour déterminer la vitesse de rotation du moteur piézoélectrique, il est déterminé, pour une valeur de vitesse donnée, la fréquence correspondante des tensions d'excitation des secteurs d'excitation A, B de 10 l'anneau piézoélectrique. Le présent Demandeur a découvert que, pour une amplitude de tension d'excitation fixée et une déphasage entre les deux tensions d'excitation de ir/2, la variation 15 de la vitesse de rotation 0 en fonction de la fréquence des tensions d'excitation f suit une loi du type gaussienne S2==A.exp(B.f2_ C2) correspondant à la résonance du stator, avec A, B et C des inconnues variables. 20 Du fait que l'amplitude de la tension d'excitation est fixée et que le déphasage entre les deux tensions d'excitation est également fixé, il est uniquement possible de modifier la fréquence des tensions d'excitation f. 25 Cependant, il est également possible de prévoir la modification de la tension de commande en jouant sur l'amplitude des tensions d'excitation en fixant le déphasage et la fréquence ou en jouant sur le déphasage 30 des tensions d'excitation en fixant l'amplitude et la fréquence. En effet, la variation de la vitesse de rotation 0 en fonction de l'amplitude des tensions d'excitation suit également une loi de type gaussienne pour un déphasage et une fréquence fixés ainsi que la 2903826 10 variation de la vitesse de rotation ç2 en fonction du déphasage des tensions d'excitation pour une fréquence et une amplitude fixées. 5 Il est représenté sur la figure 4 un schéma fonctionnel reprenant les principales étapes d'un procédé de commande en rotation d'un moteur piézoélectrique actuellement mis en œuvre pour réguler la vitesse de rotation au cours du temps. 10 Lors d'une première étape préalable (étape 400), il est déterminé la variation de la vitesse de rotation du moteur piézoélectrique en fonction de la fréquence des tensions d'excitation (l'amplitude et le déphasage étant 15 fixés), cette variation étant représentée sur le graphique de la figure 3 à titre d'exemple. Ensuite, l'utilisateur fixe la vitesse de rotation Vréelle qu'il souhaite atteindre à l'aide du moteur 20 piézoélectrique (étape 410). Du fait qu'il a été déterminé la variation de la vitesse en fonction de la fréquence des tensions d'excitation lors de l'étape 400, l'utilisateur peut 25 alors déterminer et fixer la fréquence des tensions d'excitation qu'il doit appliquer au moteur piézoélectrique pour avoir la vitesse de rotation fixée Vréelle (étape 420). 30 Le rotor du moteur piézoélectrique a alors une vitesse de rotation théorique Vthéorie Comme il a été précédemment expliqué, il y a une dérive du mode de fonctionnement du moteur 2903826 11 piézoélectrique du fait de l'échauffement du matériau céramique piézoélectrique, le moteur piézoélectrique ayant une vitesse de rotation plus élevée à basse température et une vitesse de rotation moins élevée à 5 haute température pour une même fréquence des tensions d'excitation. Il est très difficile de mesurer en tant que tel la température du matériau piézoélectrique. Ainsi, le seul 10 moyen actuellement connu pour compenser au cours du temps la vitesse de rotation du moteur piézoélectrique consiste à mesurer la vitesse de rotation réelle (étape 430) et de calculer s'il existe une différence entre la vitesse de rotation souhaitée théorique Vthéorie et la vitesse de 15 rotation réelle Vréelle (étape 440). Dans le cas d'une réponse positive et si la différence entre ces deux vitesses dépasse un certain seuil d'acceptabilité de dérive, alors, il convient de modifier la fréquence des tensions d'excitation théorique des secteurs 20 d'excitation. Le procédé recommence alors à l'étape 420. Dans le cas où la différence entre la vitesse de rotation souhaitée et la vitesse de rotation réelle est nulle ou négligeable, alors le moteur piézoélectrique est 25 autorisé à fonctionner sur une période de temps t au cours de laquelle les paramètres de fonctionnement du moteur ne sont pas modifiés (étape 450). Après ce laps de temps, il est de nouveau mesuré la vitesse de rotation réelle (étape 430) et de nouveau calculé la différence 30 entre la vitesse de rotation réelle et la vitesse de rotation théorique (étape 440). Selon ce procédé, il n'est pas tenu compte des variations de température, d'où une régulation de la 2903826 12 vitesse peu homogène au cours du temps et complexe à mettre en œuvre. La figure 5 représente un graphique illustrant la 5 variation de la vitesse de rotation d'un moteur piézoélectrique en fonction de la variation de fréquence des tensions d'excitation (l'amplitude et le déphasage des tensions d'excitation sont fixés) et pour deux températures données du matériau piézoélectrique. 10 Le présent Demandeur a découvert que l'inconnue C de l'équation de la variation de la vitesse de rotation en fonction de la fréquence des tensions d'excitation S2=A.exp(B.f2_ C2) dépend linéairement, au premier degré, 15 de la température. Ainsi, la courbe de variation de la vitesse de rotation en fonction de la fréquence des tensions d'excitation (pour un déphasage et une amplitude fixés) 20 se translate linéairement avec la température sur le repère représentant la vitesse de rotation en fonction de la fréquence. Ainsi, et comme cela apparaît sur la figure 5, il a 25 été déterminé la variation de la vitesse de rotation en fonction de la fréquence des tensions d'excitation pour deux températures et constaté expérimentalement que les deux courbes se superposent sensiblement par simple translation de l'une des courbes sur l'autre. 30 La modification en température du matériau piézoélectrique influe donc de manière linéaire sur la variation de la vitesse de rotation du moteur piézoélectrique en fonction de la fréquence des tensions 2903826 13 d'excitation (l'amplitude et le déphasage des tensions d'excitation étant fixés), ce qui se traduit par une translation du graphique illustrant cette variation. 5 La figure 6 est un schéma fonctionnel reprenant les principales étapes du procédé selon l'invention pour la commande de la vitesse de rotation du moteur piézoélectrique, le procédé selon l'invention étant basé sur le comportement linéaire à la température de la 10 variation de la vitesse de rotation du moteur piézoélectrique en fonction de la fréquence des tensions d'excitation. Lors d'une étape préliminaire, il est déterminé la 15 variation de la vitesse de rotation du rotor du moteur piézoélectrique en fonction de la fréquence des tensions d'excitation pour une température de référence (étape 600), l'amplitude et le déphasage des tensions d'excitation étant fixés. 20 Il est ensuite fixé la vitesse de rotation Vthéorie à laquelle l'utilisateur souhaite faire fonctionner le moteur piézoélectrique (étape 610). 25 Grâce à la détermination au préalable de la variation de la vitesse de rotation en fonction de la fréquence des tensions d'excitation, en ayant fixé la vitesse de rotation, il est alors déterminé la fréquence de référence théorique(étape 620). 30 Le moteur piézoélectrique est alors mis en route et il est mesuré la vitesse de rotation réelle Vréelle du moteur (étape 630). 2903826 14 Il est ensuite calculé la différence entre Vthéorie et Vréelle (étape 640). Si la différence entre ces deux valeurs ne dépasse pas une valeur seuil acceptable, alors le moteur est autorisé à fonctionner pendant un certain 5 laps de temps d'attente t (étape 650) et il est ensuite de nouveau mesuré la vitesse de rotation vréelle après ce laps de temps et on revient donc à l'étape de mesure de la vitesse de rotation du moteur piézoélectrique (étape 630). En général, le temps d'attente t correspond à une 10 période d'échantillonnage. Dans le cas où la différence entre vthéorie et vréelle est trop grande, du fait du comportement linéaire à la température de la variation de la vitesse de rotation en 15 fonction de la fréquence des tensions d'excitation, il est déterminé l'écart de température entre la température de référence et la température réelle (étape 660). La figure 7 représente de manière plus précise le 20 mode de détermination de la valeur de cet écart de températures. En effet, il est représenté à la figure 7 une première courbe représentant la variation de la vitesse 25 de rotation en fonction de la fréquence des tensions d'excitation pour une température de référence Tref (courbe en trait plein). La réalisation de cette courbe est réalisée lors de l'étape 600 de détermination de la vitesse de rotation du moteur piézoélectrique en fonction 30 de la fréquence des tensions d'excitation pour une température de référence avec l'amplitude et le déphasage des tensions d'excitation fixés. 2903826 15 Il est ensuite fixé la vitesse de rotation théorique Vthéorie (étape 610) pour cette température de référence. En déterminant la position du point D sur la courbe de la température de référence, il est alors 5 déterminé la fréquence des tensions d'excitation théorique fthéorie (étape 620). En mesurant la vitesse de rotation réelle Vréelle du moteur piézoélectrique, on détermine la position du point 10 E (étape 630) ainsi que la différence entre la température réelle Tréelle et la température de référence Tref (étape 640). On détermine alors la position du point F. 15 Du fait de la linéarité en température de la variation de la vitesse de rotation en fonction de la fréquence des tensions d'excitation, puisque l'on connaît l'écart de température et la position du point E, il est possible de tracer la courbe de variation de la vitesse 20 de rotation en fonction de la fréquence des tensions d'excitation pour la température réelle (courbe en tirets sur la figure 7 et passant par le point E). Il suffit en effet de translater la courbe tracée pour la température de référence jusqu'à ce que cette courbe passe par le 25 point E (étape 670). Il est ensuite possible de modifier la fréquence des tensions d'excitation (modifié en déterminant la position du point G sur la courbe à température réelle à 30 partir de la vitesse de rotation théorique souhaitée (étape 680). Par ailleurs, il est déterminé la courbe à température réelle de la variation de la vitesse de 2903826 1 6 rotation en fonction de la fréquence des tensions d'excitation par une approximation linéaire, c'est-à-dire une translation de la courbe, étant entendu qu'il est possible de déterminer de manière plus précise la 5 fonction à appliquer à la courbe à température de référence pour obtenir la courbe à température réelle, étant entendu que dans le mode de réalisation décrit ci-dessus cette fonction est linéaire. 10 De plus, si les modes de résonance du moteur sont relativement proches de la courbe de variation de la vitesse de rotation en fonction de la fréquence des tensions d'excitation pour une température de référence, il est possible, lors de la détermination de la courbe à 15 température réelle, de changer de mode de résonance et notamment, lors de la translation de la courbe à température de référence d'interférer avec un mode de résonance. 20 Il convient alors de changer de mode en modifiant le signe de la correction. La présente invention porte également sur un dispositif de commande de la vitesse de rotation d'un 25 rotor de moteur piézoélectrique fonctionnant selon le procédé tel que précédemment décrit. La présente invention a été décrite sur la base de la variation de la vitesse de rotation du rotor du moteur 30 piézoélectrique en fonction de la fréquence des tensions d'excitation, les autres paramètres physiques variables des tensions d'excitation ayant été fixés, à savoir l'amplitude et le déphasage des tensions d'excitations. Toutefois, il est également possible de déterminer la 2903826 17 variation de la vitesse de rotation du moteur piézoélectrique en fonction de l'amplitude des tensions d'excitation, le déphasage et la fréquence étant alors fixés, ou bien, alternativement en fonction du déphasage 5 des tensions d'excitation, la fréquence et l'amplitude des tensions d'excitation étant fixées. Il est alors possible d'appliquer le principe selon l'invention sur la base de ces variations. REVENDICATIONS 1. Procédé de commande de la vitesse de rotation d'un rotor d'un moteur piézoélectrique alimenté par au moins deux tensions d'excitation excitant chacune un secteur d'excitation (A, B) du matériau piézoélectrique, les deux tensions d'excitation étant variables à l'aide de paramètres physiques variables comprenant la fréquence, l'amplitude et le déphasage des deux tensions d'excitation, caractérisé en ce qu'il comprend au moins les étapes successives suivantes . - détermination de la variation de la vitesse de rotation du rotor du moteur piézoélectrique en fonction de l'un des paramètres physiques variables, les autres paramètres étant fixés, pour une température de référence (600); - fixation d'une vitesse de rotation (610) ; - détermination et alimentation du moteur avec des tensions d'excitation à la valeur théorique dudit paramètre physique variable (620) ; - mesure de la vitesse de rotation réelle (630) ; calcul de la différence entre la vitesse de rotation théorique et la vitesse de rotation réelle (640) ; o si la différence est inférieure à une valeur seuil, alors après un temps d'attente (650), le procédé recommence à ladite étape de mesure de la vitesse de rotation réelle (630); o si la différence est supérieure à une valeur seuil, alors, le procédé comprend les étapes supplémentaires suivantes : ^ détermination de :L'écart entre la température réelle et la température de référence (660); 2903826 19 ^ détermination de la variation de la vitesse de rotation en fonction dudit paramètre physique variable pour la température réelle (670) ; ^ modification dudit paramètre physique variable (680), et ^ retour à ladite étape de détermination et alimentation du moteur avec des tensions d'excitation à la valeur théorique dudit paramètre physique variable (620). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit paramètre physique variable est la fréquence des tensions d'excitation. 15 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la variation de la vitesse de rotation du moteur piézoélectrique en fonction dudit paramètre physique variable suit une loi 20 de type gaussienne. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la variation en température de la vitesse de rotation du moteur 25 piézoélectrique en fonction de la fréquence des tensions d'excitation est linéaire, pour une amplitude et un déphasage des tensions d'excitation fixés. 5. Dispositif de commande de la vitesse de rotation 30 d'un rotor de moteur piézoélectrique fonctionnant selon le procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes. 5 10