Brevet FR3029037A1 — publié le 20160527

ENSEMBLE MECATRONIQUE PILOTE PAR UN SIGNAL DE COUPLE ET DIRECTION DISTINCT DU SIGNAL DE PUISSANCE DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION [0001] La présente invention concerne le domaine des ensembles mécatroniques commandés en modulation de largeur d'impulsion, par exemple pour des applications automobiles telle que par exemple le déphasage de l'arbre à cames. ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE [0002]0n connaît, dans l'état de la technique, différentes solutions, et notamment celle décrite dans la demande de brevet FR2999825 décrivant un ensemble mécatronique pour le positionnement d'un organe comprenant une unité de commande et un actionneur. L'unité de commande (ECU) comprend un algorithme d'asservissement et un pont de puissance. Il pilote le pont de puissance, délivrant un signal électrique bifilaire composé d'un signal de couple et d'un signal de direction. L'actionneur comprend un moteur électrique sans balai polyphasé à N phases, des sondes de détection binaires de la position du rotor dudit moteur, des interrupteurs de puissance aptes à alimenter les N phases du moteur à partir du signal électrique bifilaire. L'état des interrupteurs de puissance est commandé directement par un signal issu des sondes de détection. [0003] Dans ce document, le signal bifilaire comprend l'information de couple, l'information de direction et véhicule aussi la puissance (tension/courant) utilisée par les phases du moteur. [0004] La solution proposée dans l'art antérieur est particulièrement efficace pour des moteurs électriques de faible puissance. [0005]Toutefois, pour des moteurs de plus forte puissance, l'alimentation directe du pont de puissance par les signaux provenant d'un ECU implique des pertes de puissance par effet Joule. Par ailleurs, les ECU ne sont généralement pas conçus pour la gestion de fortes puissances, ce qui peut conduire à un manque de fiabilité et un coût matériel non négligeable. 3029037 2 EXPOSE DE L'INVENTION [0006] L'objet de l'invention ici développée est de: -conserver la simplicité du circuit de pilotage décrit dans la demande FR2999825, -de piloter un moteur BLDC de forte puissance, 5 -d'être compatible avec une ECU de petite ou moyenne puissance voir même sans sortie de puissance. - de simplifier et réduire les coûts de l'ECU [0007] Le champ d'application visé par l'invention concerne les moteurs sans balai (BLDC) à forte puissance, par conséquent, sont exposées ici les solutions de 10 moteurs triphasés à commande bipolaire. Bien que faisable et également couvert par la présente invention, le cas des commandes unipolaires à une ou deux bobines, définies dans la demande FR2999825, est moins favorable. [0008] Plus particulièrement, l'invention se réfère à un ensemble mécatronique pour l'entrainement d'un organe destiné à être relié d'une part à une source 15 électrique continue de puissance et d'autre part à une unité de commande ECU comprenant un calculateur pour l'exécution d'un algorithme d'asservissement délivrant une information de direction et de couple, ledit ensemble comprenant un actionneur formé par un moteur électrique sans balai polyphasé à N phases, des sondes de détection binaires de la position du rotor dudit moteur, un circuit 20 électronique comprenant un pont de puissance pour l'alimentation des N phases du moteur, caractérisé en ce que il comporte en outre un circuit électronique de pilotage embarqué dont l'entrée reçoit ladite information de direction et de couple de l'ECU et dont la sortie commande ledit pont de puissance modulant directement le courant de la source électrique continue de puissance appliquée à 25 chacune desdites phases du moteur et en ce que l'information de couple et de direction fournie par l'ECU est distincte du signal de puissance délivré seulement par la source de puissance. 302 903 7 3 [0009] L'information de couple est une information qui permet d'ajuster au final, en sortie du pont de puissance, position ou vitesse du rotor du moteur en charge. [0010]Le domaine d'application privilégié ici est automobile, l'ensemble mécatronique étant par exemple destiné à un déphaseur d'arbre à cames. Le 5 moteur de l'ensemble mécatronique selon l'invention permet d'ajuster la phase de rotation de l'arbre à cames relativement à la rotation de l'arbre moteur. Dans cet exemple, l'ensemble mécatronique peut donc être placé à proximité de l'organe à piloter, relié à la batterie de l'automobile -la source de puissance-, l'ECU envoyant uniquement les informations de direction et de niveau de couple demandé sans 10 que cette ECU ne délivre de signal de puissance. On peut envisager d'autres applications où l'ensemble mécatronique est destiné à déplacer une vanne de recirculation des gaz brulés (EGR), ou bien encore permet le réglage d'un turbo à géométrie variable. [0011]Particulièrement, l'ensemble mécatronique comporte des moyens pour 15 extraire un premier signal de direction et un second signal de couple à partir de ladite information de direction et de couple délivrée par l'ECU. [0012] Dans un mode privilégié, l'information de direction et de couple délivrée par l'ECU est sous forme d'un signal de type « modulation de largeur d'impulsion » (MLI ou PWM dans la suite du texte). 20 [0013]Dans un mode de réalisation particulier, ledit moyen d'extraction dudit premier signal de direction et dudit second signal de couple délivre un premier état de direction lorsque la largeur d'impulsion sur une période est inférieure à une valeur-seuil (50%), et un deuxième état de direction lorsque la largeur d'impulsion sur une période est supérieure ou égale à ladite valeur-seuil. 25 [0014] Dans ce cas, ledit moyen d'extraction dudit premier signal de direction et dudit second signal de couple délivre un signal de couple fonction de l'écart en valeur absolue entre une valeur de référence et le rapport cyclique de ladite information délivrée par l'ECU. 3029037 4 [0015] Préférentiellement, ladite valeur-seuil est égale à ladite valeur de référence et égale à 0,5. [0016] Dans un autre mode de réalisation, l'ensemble mécatronique comporte des moyens pour extraire un premier signal de direction et un second signal de couple 5 à partir de ladite information de direction et de couple délivrée par l'ECU sous forme d'une première information de direction et d'une seconde information de couple, lesdites informations étant appliquées à un ensemble de portes logiques constituant ledit moyen d'extraction. [0017]Dans une version alternative, l'ensemble mécatronique comporte des 10 moyens pour extraire un premier signal de direction et un second signal de couple à partir de ladite information de direction et de couple délivrée par l'ECU sous forme d'un signal issu d'un pont H de puissance, lesdites informations étant appliquées à un ensemble de portes logiques constituant ledit moyen d'extraction. [0018]Dans une optique de gestion des erreurs, l'ensemble mécatronique 15 comporte des moyens d'information bidirectionnelle signalant un défaut dudit ensemble mécatronique à l'ECU sous forme d'une information forçant le signal de type « modulation de largeur d'impulsion » à zéro. [0019]Dans ce cas, il peut être envisagé que les moyens d'information bidirectionnelle permettent d'acquitter ledit défaut après prise en compte par l'ECU 20 en envoyant une information de retour en fonctionnement normal à l'ensemble mécatronique. BREVE DESCRIPTION DES FIGURES [0020] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront à la lecture qui suit d'exemples de réalisation détaillés, en référence aux figures annexées qui 25 représentent respectivement : - la figure 1, le schéma bloc général de l'ensemble de commande d'un ensemble mécatronique selon l'invention, 3029037 5 - la figure 2, un premier mode de réalisation de l'invention où les signaux de commande de couple et de direction sont sous la forme d'un seul signal de type MLI (aussi appelé PWM), - la figure 3, une image du couple appliqué au moteur en fonction du rapport 5 cyclique dans le cas du premier mode de réalisation, - la figure 4, le lien entre le rapport cyclique et le courant appliqué aux phases du moteur dans le cas du premier mode de réalisation, - la figure 5, l'utilisation du mode dit « rectification synchrone », - les figures 6 et 7, les schémas blocs électroniques permettant l'utilisation 10 d'un retour d'information sur erreur, - la figure 8, un schéma explicatif des signaux pertinents associés à l'utilisation des blocs décrits en figures 6 et 7, - la figure 9a, un deuxième mode de réalisation de l'invention où les signaux de commande de couple et de direction venant d'un pont de puissance H 15 de l'ECU et traités par un ensemble de portes logiques, - -la figure 9b, le résultat du traitement réalisé par les portes logiques utilisées en figure 9a, - la figure 10, un troisième mode de réalisation de l'invention où les signaux de commande de couple et de direction sont sous la forme de deux signaux 20 distincts de type MLI et TOR (tout ou rien) et entrant directement sur le circuit de pilotage. - la figure 11, un quatrième mode de réalisation permettant l'adaptation de l'ensemble mécatronique à des signaux de couple et de direction venant de l'ECU aussi bien sous la forme d'un signal issu d'un pont de puissance que 25 de signaux de type MLI et TOR. DESCRIPTION DETAILLEE D'UN MODE DE REALISATION [0021]La figure 1 décrit schématiquement un ensemble mécatronique selon l'invention ainsi que les éléments nécessaires à sa commande et alimentation. On y retrouve une unité de contrôle électronique -ECU- (1), par exemple un contrôleur automobile, l'ensemble mécatronique (2) selon l'invention, au moins un connecteur (3), une source continue de puissance électrique (4), par exemple une 302 903 7 6 batterie automobile, des sondes de Hall (11) - généralement au nombre de trois lorsque associées à un moteur triphasé - détectant la rotation du moteur sans balai (8) et destinées à permettre l'auto-commutation des phases du moteurs, un capteur de position angulaire (7) renseignant sur la position absolue d'un arbre de 5 sortie (12) commandé par le moteur (8) au travers d'un système de réduction mécanique de mouvement (9). Le capteur de position (7) renvoie une information de position (5) à l'ECU (1). Cet ECU (1) délivre une information de couple et de position (6) à un circuit électronique de pilotage ou « driver » (10) embarqué. Le signal de puissance venant de la source de puissance (4) est directement appliqué 10 au pont de puissance (13) contenant généralement 6 transistors pour l'alimentation des 3 phases du moteur (8) BLDC. [0022] La figure 2 décrit un premier mode de réalisation préféré où le signal de direction et de couple est donné uniquement par un seul signal de type MLI qui entre directement le circuit de pilotage. Le signal provenant de la source de 15 puissance entre le pont de puissance directement pour alimenter les phases du moteur selon l'ordre de commande issu du circuit de pilotage. Dans cette illustration, le signal venant de la source de puissance entre aussi le circuit de pilotage mais est uniquement destiné à alimenter, au besoin, le circuit au travers d'une régulateur de tension, typiquement un régulateur 5 Volts, ce régulateur 20 pouvant alors alimenter aussi les sondes de Hall (11a, 11b, 11c) servant à la détection de la position du rotor du moteur. Les signaux venant de ces sondes de Hall sont entrées dans le circuit de pilotage. [0023] Les figures 3 et 4 illustrent l'utilisation qui est faite du signal MLI et explique le principe général de fonctionnement. De manière proportionnelle, le rapport 25 cyclique permet de déterminer le niveau de couple appliqué aux phases et donc, en fonction du signe de la valeur moyenne du courant résultant, la direction de rotation qui sera donnée au moteur. A 50% de rapport cyclique, le courant moyen est nul dans les phases, maintenant le moteur en un état de repos. A plus de 50% de rapport cyclique, le courant moyen obtenu est positif, permettant la rotation 30 dans un sens du moteur et selon un niveau de couple proportionnel à la valeur 3029037 7 moyenne de courant. A moins de 50% de rapport cyclique, le courant moyen obtenu est négatif, permettant la rotation dans un autre sens du moteur et selon un niveau de couple proportionnel à la valeur moyenne de courant. [0024] La figure 5 présente la possibilité de configurer le fonctionnement du circuit 5 de pilotage avec une recirculation des courants dans le mode dit à décroissance rapide (Fast Decay) et également le mode rectification synchrone. Ce mode rectification synchrone permet le pilotage de façon complémentaire des deux transistors d'une même branche, permettant une circulation/recirculation du courant de/vers la source de puissance (batterie). 10 [0025] Dans la mesure où le circuit de pilotage fourni un signal de défaut, il est possible de remonter cette information à l'ECU par le biais d'une liaison bidirectionnelle véhiculant à la fois le signal MLI de commande et également le signal de défaut. Le schéma figure 6 illustre cela. [0026] Dans le cas où le circuit d'auto-commutation du circuit de pilotage 15 requerrait un acquittement du signal de défaut, il peut être envisagé de compléter le schéma avec le circuit donné pour exemple en figure 7, bien que d'autres solutions sur ce même principe peuvent être envisagées. [0027] La figure 8 explique alors le fonctionnement de ce mode permettant le retour d'information sur erreur : 20 [0028] En phase 1, aucun défaut n'est constaté, le fonctionnement est normal, le circuit de pilotage reçoit le signal MLI venant de l'ECU. [0029]A l'instant 2, le circuit de pilotage envoie une information d'erreur déclenchant la bascule monostable qui ferme le transistor Q2. Le signal MLI est alors forcé à zéro. 25 [0030] Pendant la phase 3, le signal MLI est maintenu à zéro par l'ECU qui a détecté le défaut. 3029037 8 [0031]A l'instant 4, la bascule monostable retrouve son état d'origine et ouvre le transistor Q2. Entre temps l'ECU peut éventuellement prolonger la phase 3 en forçant sa sortie MLI à zéro. [0032]A l'instant 5, l'ECU libère le forçage et renvoie son signal MLI. La porte ET 5 passe au niveau logique haut l'entrée d'acquittement d'erreur du circuit d'auto- commutation et permet ainsi le retour du signal de défaut à zéro. Le fonctionnement normal reprend. [0033] Comme présenté à la figure 9a, un deuxième mode de réalisation de l'invention peut être envisagé où les informations de direction et de couple sont 10 données par un signal bifilaire issu d'un pont de puissance, type pont H. En fonction du potentiel de chaque fil, direction et niveau de couple peuvent être donnés. Ces signaux nécessitent une mise en forme pour le circuit de pilotage et il est donc prévu, en amont du circuit de pilotage, d'utiliser des portes logiques pour formater ces signaux. 15 [0034] L'ECU fournit sur 2 fils les informations de direction et la commande de couple, ces informations proviennent d'un pont H initialement dédié à la commande et alimentation d'un moteur DC. Dans ce cas de figure, le programme de l'ECU restera identique à celui permettant le contrôle d'un moteur DC. [0035]Le système nécessite 4 points de connexion : 2 pour l'alimentation de 20 puissance en provenance de la batterie, 2 pour la commande couple/direction et aussi les 3 points de connexion dédiés au capteur de position absolu (7) également présent sur un système DC. [0036] La figure 9a reste simplifiée pour des besoins de description du principe. Le OV de référence est connecté directement à la batterie et les courants de la 25 puissance circulant par ce câble, le OV de l'ECU pourra être quelque peu différent. Il faudra donc veiller à ce que les niveaux de détection sur les signaux issus de l'ECU soient suffisamment tolérants à ces offsets variables sur le potentiel de référence. 302 903 7 9 [0037] Une solution consiste à interfacer les 2 fils en provenance du pont H avec un circuit différentiel. [0038] Nous ne reviendrons pas sur l'utilisation de 1 ou 2 bascules RS utilisées pour la discrimination du sens de rotation issu du signal fourni par le pont H de 5 l'ECU. Cela est notamment décrit dans la demande FR2999825. [0039] Le signal MLI permettant le hachage des transistors de puissance sera confié à une fonction OU EXCLUSIF extrayant l'information du signal fourni par le pont H de l'ECU. [0040] Comme visible en figure 9b, on peut observer que le OU Exclusif permet 10 d'obtenir un signal logique à 1 lorsque les sorties du pont H sont différentes : cas où la charge est alimentée. Ce OU EXCLUSIF peut être soit une porte logique ou alors une solution discrète construite autour de transistors et diodes. [0041 ] Le cas où l'ECU donne directement les deux informations de direction et de couple est donné en figure 10. L'utilisation est ici directe puisque l'ECU fournie 15 directement les signaux MLI et direction attendus par le driver BLDC. Pas besoin de discrimination ou de traitement spécifique autre que la protection, filtrage et adaptation de niveau traditionnel dans les interfaces automobiles. [0042] Une solution puriste se voudrait d'ajouter un 5ème fil permettant d'avoir une référence OV commune entre l'ECU et l'électronique de pilotage. Néanmoins en 20 tenant compte des remarques précédentes, ce fil peut être facultatif. [0043] Dans le cas où l'on souhaite disposer d'un seule ensemble mécatronique pouvant s'adapter aux types de signaux fournis par l'ECU, il peut être envisagé d'utiliser un interrupteur ou autres moyens de sélection permettant, dans une position, la liaison directe des signaux lorsque les signaux de l'ECU sont des 25 signaux déjà formatés (sortie type MLI et type binaire « tout ou rien ») ou bien, dans l'autre position, de faire transiter les signaux issu d'un pont de puissance au travers des portes logiques décrites en figures 9a et 9b afin de formater les signaux et donner un signal MLI pour l'information de couple et de type binaire 3029037 10 « tout ou rien » pour l'information de direction. Ce mode de réalisation adaptatif est ainsi présenté en figure 11. REVENDICATIONS1 - Ensemble mécatronique (2) pour l'entrainement d'un organe destiné à être relié d'une part à une source électrique continue de puissance (4) et d'autre part à une 5 unité de commande ECU (1) comprenant un calculateur pour l'exécution d'un algorithme d'asservissement délivrant une information (6) de direction et de couple, ledit ensemble (2) comprenant un actionneur formé par un moteur électrique sans balai (8) polyphasé à N phases, des sondes (11) de détection binaires de la position du rotor dudit moteur (8), un circuit électronique comprenant 10 un pont de puissance (13) pour l'alimentation des N phases du moteur (8), caractérisé en ce que il comporte en outre un circuit électronique de pilotage embarqué (10) dont l'entrée reçoit ladite information de direction et de couple (6) de l'ECU et dont la sortie commande ledit pont de puissance (13) modulant directement le courant de la 15 source électrique continue de puissance (4) appliquée à chacune desdites phases du moteur (8) et en ce que l'information de couple et de direction (6) fournie par l'ECU (1) est distincte du signal de puissance délivré seulement par la source de puissance (4). 20 2 - Ensemble mécatronique selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour extraire un premier signal de direction et un second signal de couple à partir de ladite information (6) de directien-et de couple délivrée par l'ECU. 25 3 - Ensemble mécatronique selon la revendication 2 caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour extraire un premier signal de direction et un second signal de couple à partir de ladite information de direction et de couple délivrée par l'ECU sous forme d'un signal de type « modulation de largeur d'impulsion >), 30 4 - Ensemble mécatronique selon la revendication 2 ou 3 caractérisé en ce que ledit moyen d'extraction dudit premier signal de direction et dudit second signal de couple délivre un premier état de direction lorsque la largeur d'impulsion sur. une 3029037 12 période est inférieure à une valeur-seuil (50%), et un deuxième état de direction lorsque la largeur d'impulSion sur une période est supérieure ou égale à ladite valeur-seuil. - Ensemble mécatronique selon la revendication 2, 3 ou 4 caractérisé en ce que ledit moyen d'extraction dudit premier signal de direction et dudit second signal de couple délivre un signai: de couple fonction de l'art en valeur absolue entre une valeur de référence et le rapport cyclique de ladite information délivrée par l'ECU. 6 - Ensemble mécatronique selon les revendications 4 et 5 caractérisé en ce que ladite valeur-seuil est égale à ladite valeur de référence. 7 - Ensemble mécatronique selon la revendication 6 caractérisé en ce que ladite valeur-seuil et ladite valeur de référence sont 0,5. 8 - Ensemble mécatronique selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour extraire un premier signal de direction et un second signal de couple à partir de ladite information de direction et de couple délivrée par l'ECU sous forme d'une première information de direction et d'une seconde information de couple, lesdites informations étant appliquées à un ensemble de portes logiques constituant ledit moyen d'extraction. 9 - Ensemble mécatronique selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour extraire un premier signal de direction et un second 25 signal de couple à partir de ladite information de direction et de couple délivrée par l'ECU sous forme d'un signal issu d'un pont H de puissance, lesdites informations étant appliquées à un ensemble de portes logiques constituant ledit moyen d'extraction. 30 10 - Ensemble mécatronique selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 caractérisé en- ce qu'il comporte des moyens d'information bidirectionnelle 13 signalant un défaut dudit ensemble mécatronique à l'ECU sous forme d'une information forçant le signal de type « modulation de largeur d'impulsion » à zéro. 11 - Ensemble mécatronique selon la revendication 10 caractérisé en ce que les moyens d'information bidirectionnelle permettent d'acquitter ledit défaut après prise en compte par l'ECU en envoyant une information de retour en fonctionnement normal à l'ensemble mécatronique. 12 - Ensemble mécatronique automobile caractérisé en ce qu'il est relié d'une part 10 à la batterie (4) de l'automobile et d'autre part à une unité de commande ECU (1) comprenant un calculateur pour l'exécution d'un algorithme d'asservissement délivrant une information (6) de direction et de couple, ledit ensemble (2) comprenant un actionneur formé par un moteur électrique sans balai (8) polyphasé à N phases, des sondes (11) de détection binaires de la position du 15 rotor dudit moteur (8), un circuit électronique comprenant un pont de puissance (13) pour l'alimentation des N phases du moteur (8), l'ensemble comportant en outre un circuit électronique de pilotage embarqué (10) dont l'entrée reçoit ladite information de direction et de couple (6) de l'ECU et dont la sortie commande ledit pont de puissance (13) modulant directement le courant de la source électrique 20 continue de puissance (4) appliquée à chacune desdites phases du moteur (8) et caractérisé en outre en ce que l'information dp couple et de direction (6) fournie par l'ECU (1) est distincte du signal de puissance délivré seulement par la batterie (4). 13 - Ensemble mécatronique selon la revendication 12 caractérisé en ce que ledit moteur (8) est destiné au réglage de la phase d'un arbre à cames relativement à l'arbre moteur. 14 Ensemble mécatronique selon la revendication 12 caractérisé en ce que ledit 30 moteur (8) est destiné au réglage d'une vanne de recirculation de gaz brulés. 3029037 14 15 - Ensemble mécatronique selon la revendication 12 caractérisé en ce que ledit moteur (8) est destiné au réglage d'un turbo à géométrie variable.