Brevet FR2958444A1 — publié le 20111007

ACTIONNEUR ELECTROMAGNETIQUE COMPORTANT DES MOYENS DE CONTROLE DE POSITION ET PROCEDE UTILISANT UN TEL ACTIONNEUR DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION L'invention est relative à un actionneur électromagnétique ayant une unité de traitement destinée à agir sur des moyens commande générant une tension de commande modulée en amplitude de type PWM. L'actionneur comprend au moins une bobine d'actionnement reliée aux moyens commande, des moyens de mesure du courant électrique circulant dans la bobine d'actionnement et des moyens dérivateurs calculant la valeur dérivée du courant électrique. L'invention est aussi relative à un procédé pour déterminer une position de fonctionnement d'un actionneur électromagnétique tel que défini ci-dessus. ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE Une connaissance de certains paramètres de fonctionnement des actionneurs électromagnétiques permet de garantir un fonctionnement optimal dudit actionneur. Le fonctionnement d'un actionneur électromagnétique est lié à ses conditions d'utilisation. Certaines conditions externes dépendent notamment de la nature et/ou du nombre d'appareillages à actionner et/ou des conditions de température dans lesquelles l'actionneur est utilisé et/ou de la plage de tension d'alimentation dudit actionneur. D'autres conditions internes dépendent notamment de l'état de vieillissement de l'actionneur. Les conditions de fonctionnement pouvant changer en cours d'utilisation, il peut être utile de connaitre les vitesses de fermeture et/ou d'ouverture. Une connaissance de la position et/ou de la vitesse de l'armature mobile permet alors d'adapter la valeur du courant électrique dans la bobine d'excitation pour minimiser les forces d'impact des parties mobiles contre les parties fixes et/ou pour optimiser la quantité de courant électrique consommé pendant la phase de fermeture ou la phase de maintien. Certaines solutions consistent à utiliser des capteurs additionnels permettant de connaitre les valeurs des paramètres de fonctionnement de l'actionneur. Par exemple, certaines solutions utilisent des capteurs de position et/ou de vitesse. Cependant, l'utilisation de capteur est parfois complexe compte tenu du peu de place disponible et d'un environnement plus ou moins hostile lié par exemple à des températures élevées. Le document FR2745913 décrit une méthode de mesure de la position d'un noyau mobile d'un électroaimant sans l'utilisation de capteur additionnel. La mesure de la position est réalisée à partir de la mesure de la tension et du courant circulant dans la bobine d'excitation de cet électroaimant. Cependant, dans cette méthode, on fait l'hypothèse que l'inductance du circuit magnétique est constante lorsque le circuit magnétique est en position ouverte et en position fermée, c'est-à-dire que l'on fait notamment l'hypothèse que le circuit magnétique est saturé en position fermée. Or, dans beaucoup d'appareils interrupteurs de type contacteur ou contacteur-disjoncteur, le circuit magnétique n'est pas complètement saturé en position fermée, de façon à utiliser pleinement les performances du circuit magnétique. Ainsi, l'inductance en position fermée n'est pas constante mais varie largement en fonction du courant circulant dans la bobine d'excitation. C'est pourquoi, une telle méthode n'est alors pas adaptée. D'autres solutions telles que décrites dans les documents FR2835061, US5424637, décrivent aussi des procédés de mesure de la position de l'armature mobile d'un électroaimant sans l'utilisation de capteur additionnel. Ces solutions utilisent la mesure de la tension et du courant électrique dans la bobine d'excitation pour déterminer la position de l'armature mobile. Le document US5424637 décrit une méthode d'estimation de la position grâce à une utilisation complète des équations électriques, mécaniques et magnétiques (force). Il est alors nécessaire de connaitre tous les paramètres électriques, mécaniques et magnétiques du système. Cependant la modification des paramètres mécaniques liée notamment à l'usure n'est pas prise en compte ce qui réduit la précision de l'estimation. Le document US5481187 permet de calculer la position de fonctionnement en se basant sur la dérivée du flux par rapport au courant électrique (D(flux)/Di). Cependant, la variation du flux étant aussi dépendante du niveau de saturation, il est donc difficile de déterminer précisément la position en utilisant uniquement cette formule. Les documents EP1069284, FR2835061 décrivent une méthode de détermination de la position d'une armature d'un électro-aimant à l'aide de la valeur de l'inductance. Le principe consiste à réaliser le calcul de l'inductance suivant la formule suivante : L= JUùRI I Une table position permet ensuite de fournir une corrélation entre d'une part les valeurs calculées ou mesurées du courant électrique I et de l'induction L et d'autre part la position d'une armature. Cette méthode bien que satisfaisant en théorie présente quelques inconvénients. En effet, le calcul de l'inductance L dépendant d'une opération d'intégration, favorise un certain cumul d'erreur à chaque cycle programme. A titre d'exemple, une erreur de 5% sur la valeur de l'inductance peut induire des erreurs de 20 à 30% sur le calcul de la position. Cependant, lorsque la bobine est alimentée par une tension modulée en amplitude telle qu'une modulation de type PWM, il y a dans ce cas une inadéquation entre la génération de la tension de commande et le système de mesure. Une modulation de type PWM classique fonctionne à des fréquences comprises entre 20 et 40 KHz. Les temps de cycle correspondant à de telles fréquences sont compris entre 50ps et 25ps. Une précision d'un pourcent implique alors une mesure inférieure à la microseconde. La fréquence de travail de l'unité de traitement couramment utilisée pour ce type d'application est de l'ordre de 100ps. Ainsi, compte tenu que la période de temps de travail de l'unité de traitement est largement supérieure au temps de cycle de la modulation PWM, il devient alors difficile dans ces conditions de réaliser une mesure précise de la tension appliquée à la bobine. Pour palier à ce dernier problème, il faudrait utiliser des unités de traitement comportant des microcontrôleurs plus rapides mais généralement trop coûteux pour ce type d'application. L'utilisation de la valeur de résistance de la bobine dans les calculs oblige à réaliser une mesure de ce paramètre régulièrement. En effet, la température influe de façon importante sur ce dernier. EXPOSE DE L'INVENTION L'invention vise donc à remédier aux inconvénients de l'état de la technique, de manière à proposer un actionneur électromagnétique comportant des moyens de contrôle de position précis. L'unité de traitement de l'actionneur électromagnétique selon l'invention comporte des premiers moyens de mémorisation d'une première valeur dérivée de courant électrique pendant une durée d'alimentation en tension de la bobine d'actionnement, des seconds moyens de mémorisation d'une seconde valeur dérivée de courant électrique pendant une durée de non-alimentation en tension de ladite bobine. L'unité de traitement comporte des moyens de calcul pour déterminer successivement un premier coefficient de calcul dépendant de la tension bus d'alimentation, des premières et seconds valeurs dérivées de courant électrique et comporte des moyens de calcul et une position de fonctionnement de l'actionneur électromagnétique à partir d'une première corrélation entre la position de fonctionnement, du premier coefficient de calcul et de la valeur du courant électrique. Selon un mode préférentiel de réalisation, les premiers et second moyens de mémorisation sont reliés aux moyens de commande afin que les mémorisations de la première et de la seconde valeurs dérivées soient respectivement synchronisées avec la durée d'alimentation et la durée de non-alimentation en tension de la bobine d'actionnement. De préférence, la première corrélation entre la position de fonctionnement, le premier coefficient de calcul et la valeur du courant électrique est représentée à partir d'une mise en équations spécifiques. La première corrélation entre la position de fonctionnement, le premier coefficient de calcul et la valeur du courant électrique est représentée à partir d'une première courbe de surface donnant la position de fonctionnement en fonction du premier coefficient de calcul et de la valeur du courant électrique. De préférence, l'unité de traitement comporte des moyens de mémorisation mémorisant la première courbe sous forme d'une ou plusieurs équations. De préférence, l'unité de traitement comporte des moyens de mémorisation mémorisant la première courbe sous forme d'un tableau de données contenant une pluralité de valeurs de position de fonctionnement de l'actionneur, de premiers coefficients de calcul et de valeurs du courant électrique. Selon un mode de développement de l'invention, l'unité de traitement comporte des moyens de mesure d'une résistance totale de la bobine d'actionnement à partir d'un courant électrique de référence et/ou d'une tension de référence. L'unité comprend en outre des moyens de calcul pour déterminer un second coefficient de calcul dépendant du premier coefficient de calcul, de résistance totale de la bobine, de la seconde valeur dérivée et du courant électrique et des moyens de calcul pour déterminer une vitesse de fonctionnement de l'actionneur électromagnétique à partir d'une seconde corrélation entre la vitesse de fonctionnement, le second coefficient de calcul et entre la valeur de dérivée partielle de l'inductance par rapport au déplacement à un courant constant. La seconde corrélation entre la dérivée partielle de l'inductance par rapport à la position de fonctionnement à un courant constant et la position de fonctionnement et le courant électrique est représentée à partir d'une deuxième courbe de surface. De préférence, l'unité de traitement comporte des moyens de mémorisation mémorisant la seconde courbe sous forme d'un tableau de données contenant une pluralité de points de fonctionnement donnant la correspondance entre la dérivée partielle de l'inductance par rapport à la position de fonctionnement à un courant constant en fonction de la position de fonctionnement et du courant électrique. Le procédé selon l'invention consiste à mesurer le courant électrique circulant dans la bobine d'actionnement, à calculer la valeur dérivée du courant électrique, mémoriser une première valeur dérivée de courant électrique pendant une durée d'alimentation en tension de la bobine d'actionnement, mémoriser une seconde valeur dérivée de courant électrique pendant une durée de non-alimentation en tension de ladite bobine, déterminer un premier coefficient de calcul dépendant d'une tension bus d'alimentation, des premières et secondes valeurs dérivées de courant électrique et à déterminer une position de fonctionnement de l'actionneur électromagnétique à partir d'une première corrélation entre la position de fonctionnement, du premier coefficient de calcul et de la valeur du courant électrique. Selon un mode de développement de l'invention, le procédé consiste à mesurer une résistance totale de la bobine d'actionnement à partir d'un courant électrique de référence et/ou d'une tension de référence, à déterminer un second coefficient de calcul dépendant du premier coefficient de calcul, de résistance totale de la bobine, de la seconde valeur dérivée et du courant électrique et à déterminer une vitesse de fonctionnement de l'actionneur électromagnétique à partir d'une seconde corrélation entre la vitesse de fonctionnement, le second coefficient de calcul et entre la valeur de dérivée partielle de l'inductance par rapport au déplacement à un courant constant. BREVE DESCRIPTION DES FIGURES D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de modes particuliers de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs, et représentés aux dessins annexés sur lesquels : û la figure 1 représente une vue schématique d'un actionneur électromagnétique selon un mode de réalisation de l'invention ; û la figure 2 représente un schéma des moyens de traitement d'un actionneur électromagnétique selon la figure 1 ; û la figure 3 montre une première courbe de surface représentative de l'entrefer d'un actionneur électromagnétique en fonction d'un premier coefficient de calcul dudit actionneur et du courant électrique circulant dans la bobine ; û la figure 4 montre une seconde courbe de surface représentative de la dérivée partielle de l'inductance par rapport à la position de fonctionnement à un courant constant en fonction de la position de fonctionnement et du courant électrique. DESCRIPTION DETAILLEE D'UN MODE DE REALISATION Selon un premier mode préférentiel de réalisation, l'actionneur électromagnétique 100 comporte des moyens de traitement 2 destinés à agir sur au moins une bobine d'actionnement 3. A titre d'exemple de réalisation tel que représenté sur la figure 1, l'actionneur électromagnétique 100 comprend un circuit magnétique 1 ayant une culasse fixe 11 et une armature mobile 12. L'armature mobile 12 est montée dans la culasse fixe 11. L'armature mobile 12 et la culasse fixe 11 forment ainsi un circuit magnétique déformable présentant un entrefer variable. Ladite armature mobile 12 est mobile entre une position ouverte KI et une position fermée K2. Les moyens de traitement sont alimentés par une tension bus d'alimentation Ubus continue. Les moyens de traitement 2 comportent des moyens commande 20 générant une tension de commande UPWM modulée en amplitude de type PWM. A titre d'exemple de réalisation, les moyens de commande 20 sont reliés à la bobine d'actionnement 3 via un transistor de commande T1. Le transistor de commande T1 est commandé par sa base par un générateur d'impulsions de tension 21. A titre d'exemple de réalisation, le générateur d'impulsion 21 envoie une succession d'impulsions durant lesquelles la bobine d'actionnement 3 est alimentée pendant une durée dite d'alimentation Ton. Les durée d'alimentation Ton sont entrecoupées de durée dites de non-alimentation Toff. La fréquence du cycle entre les durées d'alimentation Ton et de non-alimentation Toff est égale à 40 kHz. Le temps de cycle correspondant est égal à 25ps. Les moyens de traitement 2 comportent en outre des moyens de mesure du courant électrique I circulant dans la bobine d'actionnement 3. Les moyens de mesure peuvent comprendre notamment un shunt 24 connecté en série avec la bobine d'actionnement 3. Le shunt 24 autorisant une mesure en continue du courant électrique est relié à des moyens dérivateurs 25 calculant en continue une valeur dérivée di/dt du courant électrique L Selon un mode préférentiel de réalisation de l'invention, l'unité de traitement 2 comporte des moyens de mémorisation MI, M2 de la valeur dérivée di/oit du courant électrique I. Des premiers moyens de mémorisation MI sont destinées à mémoriser une première valeur dérivée dit/dton de courant électrique I pendant la durée d'alimentation ton en tension de la bobine d'actionnement 3. Des seconds moyens de mémorisation M2 d'une seconde valeur dérivée die/dtoff de courant électrique pendant la durée de non-alimentation toff en tension de ladite bobine d'actionnement 3. Les premier et second moyens de mémorisation MI, M2 sont reliés au moyens de commande 20 et leur fonctionnement respectif est synchronisé avec le générateur d'impulsion 21 de type PWM. Autrement dit, chaque première valeur dérivée dii/dton enregistrée à un temps T est ensuite remplacée par une autre première valeur enregistrée à un temps T+ Toff et chaque seconde valeur dérivée di2/dtoff enregistrée à un temps T est ensuite remplacée par une autre seconde valeur enregistrée à un temps T+ Ton. Ainsi, les premier et second moyens de mémorisations de la première et de la seconde valeur dérivée dit/dton, di2/dtoff sont respectivement synchronisées avec les durées d'alimentation et de non-alimentation ton, toff en tension de la bobine d'actionnement 3. Les moyens de traitements 2 comportent des moyens de calcul 23 pour déterminer un premier coefficient de calcul A dépendant de la tension bus d'alimentation Ubus, des premières et secondes valeurs dérivées dit/dton, di2/dtoff de courant électrique. Le premier coefficient de calcul A est calculé à partir de l'équation (1) suivante : (1) A _ Ubäs di2 di-on dtoff Où Ubus est la tension bus d'alimentation des moyens de traitement 2. Ce premier coefficient de calcul A est déterminé périodiquement, notamment selon une fréquence de travail des moyens de traitement 2. A titre d'exemple, les moyens de traitement comportent des moyens de calcul 23 ayant un micro processeur pC ayant une fréquence de travail égale 10 kHz soit un temps de cycle correspondant égale à 100ps. Les moyens de traitements 2 comportent des moyens de calcul 23 pour déterminer une position de fonctionnement x de l'actionneur électromagnétique 100 à partir d'une première corrélation entre la position de fonctionnement x, le premier coefficient de calcul A et de la valeur du courant électrique I. La première corrélation entre la position de fonctionnement x, le premier coefficient de calcul A et la valeur du courant électrique I est représentée à partir d'une première courbe de surface 10 telle que représentée sur la figure 3 donnant la position de fonctionnement x en fonction du premier coefficient de calcul A et de la valeur du courant électrique I. L'unité de traitement 2 comporte des moyens de mémorisation 22 mémorisant la première courbe de surface 10 sous forme d'un tableau de données contenant une pluralité de valeurs de position de fonctionnement x de l'actionneur, de premiers coefficients de calcul A et de valeurs du courant électrique I. En effet, le premier coefficient de calcul A est une variable qui dépend 20 directement de l'inductance L et du courant I. En effet, la valeur du premier coefficient de calcul A peut s'exprimer sous la forme de l'équation (2) suivante : A=L+I. (2) al x Sachant que l'inductance L et que la dérivée partielle de l'inductance L par rapport au courant I à une position de fonctionnement x constante sont 25 dépendantes de la position de fonctionnement x de l'actionneur et du courant I de la bobine, le premier coefficient de calcul A est donc une variable qui dépend de la position de fonctionnement x et du courant I. Pour déterminer une correspondance entre la valeur du premier coefficient de aL calcul A, la position de fonctionnement x et le courant I, deux méthodes sont possibles pour calculer une table de points de fonctionnement. Une première méthode consiste à utiliser un logiciel informatique de modélisation tel que, notamment une modélisation par méthode des éléments finis. Cette méthode implique de connaitre parfaitement les paramètres de conception de l'actionneur, notamment la géométrie des différentes pièces, ainsi que leurs propriétés magnétiques telle que la perméabilité. Cette solution permet d'obtenir pour un point de fonctionnement donné (un entrefer et un courant bobine) les variables magnétiques (induction, flux), mécanique (force) et lo électrique (inductance). A partir de ces variables, il est possible de reconstituer les dérivées partielles de l'inductance en fonction de l'évolution du courant et/ou de la position de fonctionnement x. Tel que représentée ci-dessous sur le tableau 1, il est alors possible d'obtenir une table de points de fonctionnement donnant la correspondance entre le premier coefficient de calcul A, la position de 15 fonctionnement x et le courant I. Position X0 Xl X2 Xj IO A00 A01 A02 A0j Courant I1 Al0 Al1 Al2 Alj 12 A20 A21 A22 A2j li AiO Ail Ait Aij Par une recherche de points et une interpolation, il est alors possible de calculer une nouvelle table de points de fonctionnement donnant la correspondance entre le premier coefficient de calcul A, le courant I et la position de fonctionnement x. Tel que représentée ci-dessous sur le tableau 2, des valeurs de position de 20 fonctionnement x sont associée à des valeurs du premier coefficient de calcul A et du courant I : A A0 Al A2 A. xOO xOl x02 xOj Courant 11 x10 x11 x12 xl j 12 x20 x21 x22 x2' li xjO xil xi2 xij Tableau 1 Tableau 2 Selon un mode perfectionné de réalisation de la première méthode, la première corrélation entre la position de fonctionnement x, le premier coefficient de calcul A et la valeur du courant électrique I est représentée à partir d'une mise en équations spécifiques. On obtient ces équations à partir de logiciels de calcul qui vont « interpoler » les tableaux ci-dessus. L'unité de traitement 2 peut alors comporter des moyens de mémorisation 22 mémorisant la première courbe 10 sous forme d'une ou plusieurs équations. Une seconde méthode consiste à utiliser la méthode analytique se basant notamment sur l'analyse les schémas réluctants. Cette solution requiert une définition assez complexe de l'équation liant la position de fonctionnement au courant et à l'inductance. En effet, les actionneurs type électromagnétique présente de nombreux phénomènes de fuites et de saturation. Les moyens de traitement 2 comportent des moyens de calcul 23 pour déterminer un second coefficient de calcul B dépendant du premier coefficient de calcul A, de la résistance totale R de la bobine, de la seconde valeur dérivée die/dtoff et du courant électrique I. Le second coefficient de calcul B est calculé à partir de l'équation (3) suivante : -RI - A. di 2 (3) B _ dtoff I Où R est la résistance de la bobine d'actionnement 3 calculée à partir d'un 20 courant électrique de référence Iref et/ou d'une tension de référence Uref. Ce second coefficient de calcul B est déterminé périodiquement, notamment selon la fréquence de travail des moyens de traitement 2. Les moyens de traitements 2 comportent des moyens de calcul 23 pour déterminer une vitesse de fonctionnement V de l'actionneur électromagnétique 25 100 à partir d'une seconde corrélation entre la vitesse de fonctionnement V, le second coefficient de calcul B et la dérivée partielle de l'inductance par rapport à la position de fonctionnement x à un courant constant. La corrélation entre la dérivée partielle de l'inductance L par rapport à la position de fonctionnement x à un courant constant et la position de fonctionnement x et le courant est représentée à partir d'une seconde courbe de surface 9 telle que représentée sur la figure 4. L'unité de traitement 2 comporte des moyens de mémorisation 22 mémorisant la seconde courbe de surface 9 sous forme d'un tableau de données contenant une pluralité de valeurs de la dérivée partielle de l'inductance L par rapport à la position de fonctionnement x à un courant constant et la position de fonctionnement x et le courant électrique I. En effet, le second coefficient de calcul B est une valeur mesurée et est une variable qui dépend directement de la vitesse V et de la dérivée partielle de l'inductance L par rapport à la position de fonctionnement x à un courant constant. Le second coefficient de calcul B peut s'écrire sous la forme de l'équation (4) suivante : (4) De l'équation (4) précédente, la valeur de la vitesse V peut être calculée. La vitesse peut s'exprimer sous la forme de l'équation (5) suivante : aL V= ax I (5) B Une méthode consiste à utiliser un logiciel informatique de modélisation tel que, notamment une modélisation par méthode des éléments finis. Cette méthode implique de connaitre parfaitement les paramètres de conception de l'actionneur, notamment la géométrie des différentes pièces, ainsi que leurs propriétés magnétiques telle que la perméabilité. Cette solution permet d'obtenir pour un point de fonctionnement donné (un entrefer et un courant bobine) les variables magnétiques (induction, flux), mécanique (force) et électrique (inductance). A partir de ces variables, il est possible de reconstituer les dérivées partielles de l'inductance en fonction de l'évolution du courant et/ou de la position de fonctionnement x. Tel que représenté ci-dessous sur le tableau 3 ci-dessous, il est alors possible d'obtenir une table de points de fonctionnement donnant la correspondance entre la dérivée partielle de l'inductance L par rapport au déplacement x à un courant constant en fonction de la position x et le courant I. Position X0 X1 x2 xj 10 dlx/dx dlx/dx dlx/dx dlx/dx Courant 11 dlx/dx dlx/dx dlx/dx dlx/dx 12 dlx/dx dlx/dx dlx/dx dlx/dx li dlx/dx dlx/dx dlx/dx dlx/dx Connaissant la valeur de dérivée partielle de l'inductance L par rapport à la position de fonctionnement x à un courant constant ainsi que la valeur du second coefficient de calcul B, il est possible de déterminer la valeur de vitesse à partir de l'équation (5). Selon un mode de réalisation de l'invention, les moyens de commande 20 reliés et pilotés par l'unité de traitement 2 délivrent dans la bobine d'actionnement 3 un courant électrique I asservi en fonction de la position de fonctionnement x calculée et/ou de la vitesse V de l'actionneur. L'invention est aussi relative à un procédé pour déterminer une position de fonctionnement x d'un actionneur électromagnétique 100 selon les modes de réalisation de l'invention tels que définis ci-dessus. Selon un premier mode de fonctionnement, le procédé consiste à mesurer le courant électrique I circulant dans la bobine d'actionnement 3 ; calculer la valeur dérivée di/dt du courant électrique 1 ; Tableau 3 mémoriser une première valeur dérivée dit/dton de courant électrique pendant une durée d'alimentation ton en tension de la bobine d'actionnement 3 ; - mémoriser une seconde valeur dérivée die/dtoff de courant électrique pendant une durée de non-alimentation toff en tension de ladite bobine ; - déterminer un premier coefficient de calcul A dépendant de la tension bus d'alimentation Ubus, des premières et secondes valeurs dérivées dit/dton, di2/dtoff de courant électrique ; déterminer une position de fonctionnement x de l'actionneur électromagnétique 100 à partir d'une première corrélation entre la position de fonctionnement x, du premier coefficient de calcul A et de la valeur du courant électrique I. Selon un mode particulier de fonctionnement, le procédé consiste à : mesurer une résistance totale R de la bobine d'actionnement 3 à partir d'un courant électrique de référence Iref et/ou d'une tension de référence Uref. déterminer un second coefficient de calcul B dépendant du premier coefficient de calcul A, de résistance totale R de la bobine, de la seconde valeur dérivée di2/d toff et du courant électrique I ; déterminer une vitesse de fonctionnement V de l'actionneur électromagnétique 100 à partir d'une seconde corrélation entre la vitesse de fonctionnement V, le second coefficient de calcul B et entre la valeur de dérivée partielle de l'inductance L par rapport à la position de fonctionnement x à un courant constant.