EP2553694B1 - Actionneur electromagnetique comportant des moyens de controle de position et procede utilisant un tel actionneur - Google Patents

Actionneur electromagnetique comportant des moyens de controle de position et procede utilisant un tel actionneur Download PDF

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EP2553694B1
EP2553694B1 EP11709999.4A EP11709999A EP2553694B1 EP 2553694 B1 EP2553694 B1 EP 2553694B1 EP 11709999 A EP11709999 A EP 11709999A EP 2553694 B1 EP2553694 B1 EP 2553694B1
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EP
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electric current
value
operating position
coefficient
actuator
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Charles Blondel
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Schneider Electric Industries SAS
Original Assignee
Schneider Electric Industries SAS
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Publication date
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    • H01F2007/1888—Circuit arrangements for obtaining desired operating characteristics, e.g. for slow operation, for sequential energisation of windings, for high-speed energisation of windings using pulse width modulation

Definitions

  • the invention relates to an electromagnetic actuator having a processing unit for acting on control means generating a PWM-type amplitude-modulated control voltage.
  • the actuator comprises at least one actuating coil connected to the control means, means for measuring the electric current flowing in the actuating coil and drifting means calculating the value derived from the electric current.
  • the invention also relates to a method for determining an operating position of an electromagnetic actuator as defined above.
  • an electromagnetic actuator is related to its conditions of use. Certain external conditions depend in particular on the nature and / or number of equipment to be operated and / or temperature conditions in which the actuator is used and / or the supply voltage range of said actuator. Other internal conditions depend in particular on the state of aging of the actuator. Since operating conditions may change during use, it may be useful to know the closing and / or opening speeds. A knowledge of the position and / or the speed of the moving armature then makes it possible to adapt the value of the electric current in the excitation coil to minimize the impact forces of the moving parts against the fixed parts and / or for optimize the amount of electric current consumed during the closing phase or the holding phase.
  • Some solutions are to use additional sensors to know the values of the operating parameters of the actuator. For example, some solutions use position and / or speed sensors. However, the use of sensors is sometimes complex given the limited space available and a more or less hostile environment related for example to high temperatures.
  • the document FR2745913 discloses a method of measuring the position of a moving core of an electromagnet without the use of an additional sensor.
  • the measurement of the position is made from the measurement of the voltage and the current flowing in the excitation coil of this electromagnet.
  • the inductance of the magnetic circuit is constant when the magnetic circuit is in the open position and in the closed position, that is to say that it is assumed in particular that the magnetic circuit is saturated in the closed position.
  • the magnetic circuit is not completely saturated in the closed position, so as to make full use of the performance of the magnetic circuit.
  • the inductance in the closed position is not constant but varies widely as a function of the current flowing in the excitation coil. Therefore, such a method is not suitable.
  • the document US5481187 calculates the operating position based on the derivative of the flux with respect to the electric current (D (flow) / Di). However, since the flux variation is also dependent on the saturation level, it is difficult to accurately determine the position using only this formula.
  • a position table then makes it possible to provide a correlation between the calculated or measured values of the electric current I and the induction L and the position of an armature.
  • This method although satisfactory in theory, has some disadvantages. Indeed, the calculation of the inductance L depending on an integration operation, promotes a certain amount of error in each program cycle. For example, an error of 5% on the value of the inductance can induce errors of 20 to 30% on the calculation of the position.
  • an amplitude modulated voltage such as a PWM type modulation
  • Conventional PWM type modulation operates at frequencies between 20 and 40 KHz. The cycle times corresponding to such frequencies are between 50 ⁇ s and 25 ⁇ s.
  • the working frequency of the processing unit commonly used for this type of application is of the order of 100 ⁇ s.
  • the working time period of the processing unit is much greater than the cycle time of the PWM modulation, it becomes difficult under these conditions to make an accurate measurement of the voltage applied to the coil.
  • the use of the resistance value of the coil in the calculations makes it necessary to measure this parameter regularly. Indeed, the temperature significantly affects the latter.
  • the invention therefore aims to overcome the disadvantages of the state of the art, so as to provide an electromagnetic actuator having precise position control means.
  • the processing unit of the electromagnetic actuator comprises first storage means of a first value derived from electric current during a voltage supply period of the actuating coil, second storage means a second value derived from electric current during a period of non-voltage supply of said coil.
  • the processing unit comprises calculation means for successively determining a first calculation coefficient dependent on the supply bus voltage, first and second values derived from electric current and comprises calculation means and an operating position of the electromagnetic actuator from a first correlation between the operating position, the first calculation coefficient and the value of the electric current.
  • the first and second storage means are connected to the control means so that the memorizations of the first and second derived values are respectively synchronized with the supply duration and the no-power duration. tension of the actuating coil.
  • the first correlation between the operating position, the first calculation coefficient and the value of the electric current is represented from a specific equation setting.
  • the first correlation between the operating position, the first calculation coefficient and the value of the electric current is represented from a first surface curve giving the operating position as a function of the first calculation coefficient and the value of the electric current. .
  • the processing unit comprises storage means storing the first curve in the form of one or more equations.
  • the processing unit comprises storage means storing the first curve in the form of a data table containing a plurality of operating position values of the actuator, first calculation coefficients and values of the electric current. .
  • the processing unit comprises means for measuring a total resistance of the actuating coil from an electrical reference current and / or a reference voltage.
  • the unit further comprises calculating means for determining a second calculation coefficient depending on the first calculation coefficient, the total resistance of the coil, the second derived value and the electric current, and calculation means for determining a speed of rotation. operating the electromagnetic actuator from a second correlation between the operating speed, the second calculation coefficient and between the partial derivative value of the inductance with respect to the displacement at a constant current.
  • the second correlation between the partial derivative of the inductance with respect to the operating position at a constant current and the operating position and the electric current is shown from a second surface curve.
  • the processing unit comprises storage means storing the second curve in the form of a data table containing a plurality of operating points giving the correspondence between the partial derivative of the inductance with respect to the operating position. at a constant current depending on the operating position and the electric current.
  • the method according to the invention consists in measuring the electric current flowing in the actuating coil, calculating the value derived from the electric current, storing a first value derived from electric current during a voltage supply period of the coil of actuation, memorize a second value derived from electric current during a period of non-voltage supply of said coil, determining a first calculation coefficient dependent on a supply bus voltage, first and second values derived from electric current and determining an operating position of the electromagnetic actuator from a first correlation between the operating position, the first calculation coefficient and the value of the electric current.
  • the method consists in measuring a total resistance of the actuating coil from a reference electric current and / or a reference voltage, to determining a second calculation coefficient. depending on the first calculation coefficient, the total resistance of the coil, the second derived value and the electric current and determining an operating speed of the electromagnetic actuator from a second correlation between the operating speed, the second coefficient of calculation and between the partial derivative value of the inductance with respect to displacement at a constant current.
  • the electromagnetic actuator 100 comprises processing means 2 intended to act on at least one actuating coil 3.
  • the electromagnetic actuator 100 comprises a magnetic circuit 1 having a fixed yoke 11 and a movable armature 12.
  • the movable armature 12 is mounted in the fixed yoke 11.
  • the movable armature 12 and the fixed yoke 11 thus form a magnetic circuit deformable having a variable air gap.
  • Said movable armature 12 is movable between an open position K1 and a closed position K2.
  • the processing means are powered by a continuous bus supply voltage U bus .
  • the processing means 2 comprise control means 20 generating a PWM modulated PWM modulated PWM control voltage.
  • the control means 20 are connected to the actuating coil 3 via a control transistor T1.
  • the control transistor T1 is controlled by its base by a voltage pulse generator 21.
  • the pulse generator 21 sends a succession of pulses during which the actuating coil 3 is energized during a so-called supply period T on .
  • the duration of supply T on are interspersed with so-called non-feeding time T off .
  • the cycle frequency between the T on and non-power supply T off times is 40 kHz.
  • the corresponding cycle time is equal to 25 ⁇ s.
  • the processing means 2 further comprise means for measuring the electric current I flowing in the actuating coil 3.
  • the measuring means may comprise in particular a shunt 24 connected in series with the actuating coil 3.
  • the shunt 24 authorizing a continuous measurement of the electrical current is connected to drifting means 25 continuously calculating a derived value di / dt of the electric current I.
  • the processing unit 2 comprises storage means M1, M2 of the derived value di / dt of the electric current I.
  • M1 of the first memory means is for storing a first value derived di 1 / dt is electric current I during the feeding time t on voltage of the actuator coil 3.
  • the first and second memory means M1, M2 are connected to the control means 20 and their respective operation is synchronized with the pulse generator 21 of the PWM type.
  • each first value derived di 1 / dt one recorded at a time T is then replaced by another first value recorded at a time T + T off and each second value derived di 2 / dt off recorded at a time T is then replaced by another second value recorded at a time T + T on .
  • the first and second storage means of the first and second derived values di 1 / dt on , di 2 / dt off are respectively synchronized with the supply and non-power periods t on , t off in voltage of the actuating coil 3.
  • the processing means 2 comprise calculation means 23 for determining a first calculation coefficient A depending on the supply bus voltage U bus , first and second derived values di 1 / dt on , di 2 / d off of electric current.
  • This first calculation coefficient A is determined periodically, in particular according to a working frequency of the processing means 2.
  • the processing means comprise calculation means 23 having a micro processor ⁇ C having an equal working frequency. kHz is a corresponding cycle time equal to 100 ⁇ s.
  • the processing means 2 comprise calculation means 23 for determining an operating position x of the electromagnetic actuator 100 from a first correlation between the operating position x, the first calculation coefficient A and the current value.
  • the first correlation between the operating position x, the first calculation coefficient A and the value of the electric current I is represented from a first surface curve 10 as shown in FIG. figure 3 giving the operating position x as a function of the first calculation coefficient A and the value of the electric current I.
  • the processing unit 2 comprises storage means 22 storing the first surface curve 10 in the form of a data table containing a plurality of operating position values x of the actuator, first calculation coefficients A and values of the electric current I.
  • the first calculation coefficient A is therefore a variable which depends on the operating position x and the current I.
  • a first method consists in using computer modeling software such as, in particular, finite element method modeling.
  • This method involves knowing perfectly the design parameters of the actuator, including the geometry of the different parts, as well as their magnetic properties such as permeability.
  • This solution makes it possible to obtain for a given operating point (a gap and a coil current) the magnetic variables (induction, flux), mechanical (force) and electrical (inductance) variables. From these variables, it is possible to reconstruct the partial derivatives of the inductance as a function of the evolution of the current and / or the operating position x. As shown below in Table 1, it is then possible to obtain a table of operating points giving the correspondence between the first calculation coefficient A, the operating position x and the current I.
  • the first correlation between the operating position x, the first calculation coefficient A and the value of the electric current I is represented from a setting in specific equations.
  • the processing unit 2 can then comprise storage means 22 memorizing the first curve 10 in the form of one or more equations.
  • a second method consists in using the analytical method based in particular on the analysis of the reluctant schemas. This solution requires a rather complex definition of the equation linking the operating position to the current and to the inductance. Indeed, electromagnetic type actuators have many phenomena of leakage and saturation.
  • the processing means 2 comprise calculation means 23 for determining a second calculation coefficient B dependent on the first calculation coefficient A, the total resistance R of the coil, the second value derived di 2 / dt off and the electric current.
  • R is the resistance of the actuating coil 3 calculated from a reference electric current Iref and / or a reference voltage Uref.
  • This second calculation coefficient B is determined periodically, in particular according to the working frequency of the processing means 2.
  • the processing means 2 comprise calculation means 23 for determining an operating speed V of the electromagnetic actuator 100 from a second correlation between the operating speed V, the second calculation coefficient B and the partial derivative of the electromagnetic actuator. inductance with respect to the operating position x at a constant current.
  • the correlation between the partial derivative of the inductance L with respect to the operating position x at a constant current and the operating position x and the current is represented from a second surface curve 9 as shown in FIG. figure 4 .
  • the processing unit 2 comprises storage means 22 storing the second surface curve 9 in the form of a data table containing a plurality of values of the partial derivative of the inductance L with respect to the operating position x to a constant current and the operating position x and the electric current I.
  • the second calculation coefficient B is a measured value and is a variable that depends directly on the speed V and the partial derivative of the inductance L with respect to the operating position x at a constant current.
  • One method is to use computer modeling software such as finite element modeling. This method involves knowing perfectly the design parameters of the actuator, including the geometry of the different parts, as well as their properties. magnetic such as permeability. This solution makes it possible to obtain for a given operating point (a gap and a coil current) the magnetic variables (induction, flux), mechanical (force) and electrical (inductance) variables. From these variables, it is possible to reconstruct the partial derivatives of the inductance as a function of the evolution of the current and / or the operating position x. As shown below in Table 3 below, it is then possible to obtain a table of operating points giving the correspondence between the partial derivative of the inductance L with respect to the displacement x at a constant current according to of position x and current I.
  • control means 20 connected and controlled by the processing unit 2 deliver in the actuating coil 3 an electric current I controlled according to the calculated operating position x and / or the speed V of the actuator.
  • the invention also relates to a method for determining an operating position x of an electromagnetic actuator 100 according to the embodiments of the invention as defined above.

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  • Electromagnetism (AREA)
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  • Power Engineering (AREA)
  • Control Of Linear Motors (AREA)
  • Reciprocating, Oscillating Or Vibrating Motors (AREA)

Description

    DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION
  • L'invention est relative à un actionneur électromagnétique ayant une unité de traitement destinée à agir sur des moyens de commande générant une tension de commande modulée en amplitude de type PWM. L'actionneur comprend au moins une bobine d'actionnement reliée aux moyens de 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 connaître 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 connaître 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 = ∫ U - R I I
    Figure imgb0001
  • Une table de 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 satisfaisante 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 50µs et 25µs. 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 100µs. 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 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 secondes 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 seconds 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 :
    • la figure 1 représente une vue schématique d'un actionneur électromagnétique selon un mode de réalisation de l'invention ;
    • la figure 2 représente un schéma des moyens de traitement d'un actionneur électromagnétique selon la figure 1 ;
    • 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 ;
    • 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 K1 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 de 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 25µs.
  • 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 continu du courant électrique est relié à des moyens dérivateurs 25 calculant en continu une valeur dérivée di/dt du courant électrique I.
  • Selon un mode préférentiel de réalisation de l'invention, l'unité de traitement 2 comporte des moyens de mémorisation M1, M2 de la valeur dérivée di/dt du courant électrique I.
  • Des premiers moyens de mémorisation M1 sont destinées à mémoriser une première valeur dérivée di1/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 di2/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 M1, 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 di1/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 mémorisation de la première et de la seconde valeur dérivée di1/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 di1/dton, di2/dtoff de courant électrique. Le premier coefficient de calcul A est calculé à partir de l'équation (1) suivante : A = U bus d i 1 d t on - d i 2 d t off
    Figure imgb0002
     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 µC ayant une fréquence de travail égale 10 kHz soit un temps de cycle correspondant égale à 100µs.
  • 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 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 . ∂ L ∂ i | x
    Figure imgb0003
  • 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 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 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 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 fonctionnement x et le courant I. Tableau 1
    Position
    X0 X1 X2 Xj
    Courant I0 A00 A01 A02 A0j
    I1 A10 A11 A12 A1j
    I2 A20 A21 A22 A2j
    Ii Ai0 Ai1 Ai2 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 fonctionnement x sont associée à des valeurs du premier coefficient de calcul A et du courant I :
    Figure imgb0004
  • 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 des 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 de type électromagnétique présentent 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 di2/dtoff et du courant électrique I. Le second coefficient de calcul B est calculé à partir de l'équation (3) suivante : B = - R I - A . d i 2 d t off I
    Figure imgb0005
  • Où R est la résistance de la bobine d'actionnement 3 calculée à partir d'un 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 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 : B = ∂ L ∂ x | I v
    Figure imgb0006
  • 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 : v = ∂ L ∂ x | I B
    Figure imgb0007
  • 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. Tableau 3
    Position
    X0 X1 x2 xj
    Courant I0 dLx/dx dLx/dx dLx/dx dLx/dx
    I1 dLx/dx dLx/dx dLx/dx dLx/dx
    I2 dLx/dx dLx/dx dLx/dx dLx/dx
    Ii 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 I ;
    • mémoriser une première valeur dérivée dii/dton de courant électrique pendant une durée d'alimentation ton en tension de la bobine d'actionnement 3 ;
    • mémoriser une seconde valeur dérivée di2/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 di1/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/dtoff 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.

Claims (11)

  1. Actionneur électromagnétique (100) ayant une unité de traitement (2) destinée à agir sur des moyens de commande (20) générant une tension de commande (Upwm) modulée en amplitude de type PWM, actionneur comprenant :
    - au moins une bobine d'actionnement (3) reliée aux moyens de commande (20),
    - des moyens de mesure (24) du courant électrique (I) circulant dans la bobine d'actionnement (3) ;
    - des moyens dérivateurs (25) calculant la valeur dérivée (di/dt) du courant électrique (I) ;
    caractérisé en ce que l'unité de traitement (2) comporte :
    - des premiers moyens de mémorisation (M1) d'une première valeur dérivée (di1/dton) de courant électrique pendant une durée d'alimentation (ton) en tension de la bobine d'actionnement (3) ;
    - des seconds moyens de mémorisation (M2) d'une seconde valeur dérivée (di2/dtoff) de courant électrique pendant une durée de non-alimentation (toff) en tension de ladite bobine ;
    - des moyens de calcul (23) pour déterminer successivement :
    - un premier coefficient de calcul (A) dépendant de la tension bus d'alimentation (Ubus), des premières et seconds valeurs dérivées (di1/dton, di2/dtoff) de courant électrique ;
    - 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).
  2. Actionneur électromagnétique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les premiers et seconds moyens de mémorisation (M1, M2) sont reliés aux moyens de commande (20) afin que les mémorisations de la première et de la seconde valeur dérivée (di1/dton, di2/dtoff) soient respectivement synchronisées avec la durée d'alimentation (ton) et la durée de non-alimentation (toff) en tension de la bobine d'actionnement (3).
  3. Actionneur électromagnétique selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que 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.
  4. Actionneur électromagnétique selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que 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) donnant la position de fonctionnement (x) en fonction du premier coefficient de calcul (A) et de la valeur du courant électrique (I).
  5. Actionneur électromagnétique selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'unité de traitement (2) comporte des moyens de mémorisation (22) mémorisant la première courbe (10) sous forme d'une ou plusieurs équations.
  6. Actionneur électromagnétique selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'unité de traitement (2) comporte des moyens de mémorisation (22) mémorisant la première courbe (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).
  7. Actionneur électromagnétique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'unité de traitement comporte :
    - des moyens de mesure d'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).
    - des moyens de calcul (23) pour déterminer successivement :
    - 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 (di2/d toff) et du courant électrique (I) ;
    - 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 au déplacement (x) à un courant constant.
  8. Actionneur électromagnétique selon la revendication 7, caractérisé en ce que la seconde corrélation entre la dérivée partielle de l'inductance par rapport à la position de fonctionnement (x) à un courant constant et la position de fonctionnement (x) et le courant électrique (I) est représentée à partir d'une deuxième courbe de surface (9).
  9. Actionneur électromagnétique selon la revendication 8, caractérisé en ce que 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 points de fonctionnement donnant la correspondance entre la dérivée partielle de l'inductance (L) par rapport à la position de fonctionnement (x) à un courant constant en fonction de la position de fonctionnement (x) et du courant électrique (I).
  10. Procédé pour déterminer une position de fonctionnement (x) d'un actionneur électromagnétique (100) selon les revendications précédentes, actionneur comprenant :
    - une unité de traitement (2) destinée à agir sur des moyens de commande (20) générant une tension de commande (Upwm) modulée en amplitude de type PWM,
    - au moins une bobine d'actionnement (3) reliée aux moyens de commande (21),
    - des moyens de mesure (24) du courant électrique (I) circulant dans la bobine d'actionnement (3),
    - des moyens dérivateurs (25) calculant la valeur dérivée (di/dt) du courant électrique;
    procédé qui consiste à :
    - mesurer le courant électrique (I) circulant dans la bobine d'actionnement (3) ;
    calculer la valeur dérivée (di/dt) du courant électrique (I) ;
    procédé caractérisé en ce qu'il consiste à :
    - mémoriser une première valeur dérivée (di1/dton) pendant une durée d'alimentation (ton) en tension de la bobine d'actionnement (3) ;
    - mémoriser une seconde valeur dérivée (di2/dtoff) pendant une durée de non-alimentation (toff) en tension de ladite bobine ;
    - déterminer un premier coefficient de calcul (A) dépendant d'une tension bus d'alimentation (Ubus), des premières et secondes valeurs dérivées (di1/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).
  11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il 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/dtoff) 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 au déplacement (x) à un courant constant.
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