FR2961306A1 - Moteur electrique pour systeme de mesure inertielle et systeme de mesure inertielle comportant un tel moteur - Google Patents

Abstract

La présente invention concerne un moteur électrique (1) pour entraîner en rotation au moins un dispositif de mesure inertielle (14, 14a, 14b), comportant une structure dans laquelle sont intégrés un stator (3), un rotor (4), des moyens électroniques de commande pour piloter la vitesse de rotation du rotor (4) et un support tournant pour le dispositif de mesure inertielle (14,14a, 14b), caractérisé en ce que le support tournant constitue le rotor (4) sur lequel sont fixés le dispositif de mesure inertielle (14, 14a, 14b) et au moins une partie de moyens électroniques de traitement associés au dispositif de mesure inertielle (14, 14a, 14b).

Description

«Moteur électrique pour système de mesure inertielle et système de mesure inertielle comportant un tel moteur» La présente invention se rapporte au domaine technique général des systèmes et des dispositifs de mesure inertielle utilisés dans l'aéronautique et plus particulièrement dans les aéronefs, du genre avion, giravion ou hélicoptère. La présente invention concerne plus particulièrement un moteur électrique et son procédé de commande pour obtenir une vitesse de rotation inertielle sensiblement constante.

Le pilotage et le guidage d'un aéronef requièrent que le pilote ait une perception objective des angles d'inclinaison et de cap de son aéronef. En vol à vue, les angles d'inclinaison peuvent être perçus directement par la vision de l'environnement extérieur. Le cap et la variation de cap peuvent aussi être estimés grâce à des repères au sol. L'utilisation d'un compas magnétique permet une estimation absolue et est indispensable à la navigation dans la majorité des cas. En vol sans visibilité, des instruments spécifiques sont nécessaires pour pallier la disparition des repères visuels extérieurs. En ce qui concerne les angles d'inclinaison et de cap, l'instrument en question est appelé AHRS (Attitude and Heading Reference System) associé à un écran de visualisation appelé MFD (Multi Function Display).

La fabrication d'un instrument AHRS impose d'utiliser des gyromètres d'une précision (ou dérive) de l'ordre de quelques degrés par heure. Pendant les deux dernières décennies, les gyromètres FOG (Fiber Optic Gyro) remplissaient parfaitement ce rôle, avec des dérives souvent inférieures au degré par heure. Avec l'avènement de la technologie appelée MEMS (Micro Electro Mechanical System), on a vu apparaître des gyromètres dont le prix est du même ordre de grandeur que celui d'un circuit intégré en silicium monolithique (les procédés de fabrication étant les mêmes), à savoir un prix extrêmement bas. Par contre, le biais (ou dérive) de tels gyromètres, d'une mise sous tension à l'autre (appelé « run to run ») se compte souvent en milliers de degrés par heure, tandis que la stabilité du biais en cours de fonctionnement (appelé « in run ») est au mieux d'une dizaine de degrés par heure et souvent d'une centaine de degrés par heure sous l'effet des variations rapides de température. II manque donc encore un facteur dix, sur la stabilité de biais dans cette technologie MEMS, pour atteindre les performances des instruments AHRS à haute intégrité tel que ceux requis pour les opérations sans visibilité dites I.F.R. (Instrument Flight Rules). Sur les trois axes de mesure, à savoir l'axe de lacet, l'axe de roulis et l'axe de tangage, c'est l'axe de lacet qui réclame le plus de précision, puisqu'un instrument AHRS a souvent vocation à fournir un cap, y compris en l'absence de magnétomètre. Un tel mode de fonctionnement est appelé mode directionnel. Les règles de certification d'un aéronef exigent, dans ce mode de fonctionnement, une dérive inférieure à quinze degrés par heure. Or une telle performance n'est pas atteinte de manière fiable et répétitive avec les gyromètres connus incorporant la technologie MEMS. On connaît par exemple par l'intermédiaire du document US 30 3 424 010, un dispositif de mesure inertielle comportant deux gyroscopes montés à 90° et tournant par rapport à un axe perpendiculaire au plan de mesure des deux vitesses de rotations, données par les deux gyroscopes. Ce dispositif permet d'atténuer les biais de mesure de deux des trois composantes de vitesse angulaire, mais il est basé sur une vitesse de rotation rapide puisque supérieure à la vitesse angulaire maximale de l'aéronef porteur. Un tel dispositif, n'étant pas basé sur une vitesse de rotation inertielle constante, a des performances médiocres. En outre, la vitesse de rotation élevée qui est requise génère une usure rapide des mécanismes ainsi qu'une consommation électrique élevée. On connaît aussi, par exemple par l'intermédiaire du document US 7 066 004, un dispositif de mesure inertielle comportant l'assemblage de gyromètres et d'actuateurs en technologie MEMS, pour éliminer un biais en phase statique ou dynamique. Du fait de la difficulté de réaliser en technologie MEMS des paliers autorisant une liberté de rotation complète autour d'un axe, le dispositif décrit dans ce document est basé sur des mouvements de rotation d'amplitude limitée, intermittents et de directions alternées. Les charnières autorisant les mouvements de rotation alternée sont constituées d'éléments flexibles. Ces éléments flexibles, en technologie MEMS, sont typiquement des structures en silicium de taille micrométrique, présentant une grande fragilité en cas de choc.

L'entraînement en rotation des dispositifs de mesure connus est en général basé sur des systèmes comportant un support tournant relié via un arbre à un moteur électrique. Ces systèmes sont souvent encombrants et sujets à une usure de leurs pièces constitutives.

De manière constante, il est recherché de diminuer l'encombrement des équipements embarqués de l'aéronautique. En outre, le nombre de pièces d'usure utilisées dans les systèmes connus augmente substantiellement le risque de dysfonctionnements. La fiabilité des mesures effectuées peut également être affectée par une usure prématurée de certaines pièces. Les systèmes connus présentent également l'inconvénient de nécessiter une puissance électrique élevée pour leur fonctionnement. Les systèmes connus utilisent en général des contacts électriques tournants pour transmettre les mesures effectuées par un dispositif de mesure inertielle vers une unité électronique fixe de traitement. Ces contacts électriques tournants subissent une usure importante, d'autant plus marquée que la vitesse de rotation est élevée. Le remplacement régulier de ces contacts électriques s'avère donc indispensable. L'invention a alors pour objet de proposer un nouveau moteur électrique fiable, permettant de s'affranchir des limitations mentionnées ci-dessus, et ce quelque soit la technologie utilisée pour le dispositif de mesure inertielle Un autre objet de la présente invention vise à fournir un nouveau moteur électrique compacte, intégrant au moins un dispositif de mesure inertielle et très économique sur le plan de sa consommation énergétique. Un autre objet de l'invention vise à fournir un nouveau moteur électrique particulièrement simple et présentant des performances remarquables tout en affichant un prix de revient extrêmement bas.

En particulier, l'invention a pour objet de proposer un nouveau procédé de commande et de régulation pour un moteur électrique intégrant au moins un dispositif de mesure inertielle utilisant la technologie MEMS, de manière à améliorer ses performances dudit dispositif de façon significative. Les objets assignés à l'invention sont atteints à l'aide d'un moteur électrique pour entraîner en rotation au moins un dispositif de mesure inertielle associé à des moyens électroniques de traitement, comportant une structure dans laquelle sont intégrés un stator, un rotor, des moyens électroniques de commande pour piloter la vitesse de rotation du rotor et un support tournant pour le dispositif de mesure inertielle, caractérisé en ce que le support tournant constitue le rotor sur lequel sont fixés le dispositif de mesure inertielle et au moins une partie de moyens électroniques de traitement associés au dispositif de mesure inertielle. Selon un exemple de réalisation conforme à l'invention, le moteur comprend des moyens inductifs d'une part pour alimenter électriquement le dispositif de mesure inertielle mobile et d'autre part pour transférer les mesures effectuées, par ledit dispositif de mesure inertielle, vers une unité électronique fixe. Selon un exemple de réalisation du moteur électrique conforme à l'invention, les moyens inductifs comprennent une moitié de transformateur fixe, solidaire du stator et une autre moitié de transformateur mobile, solidaire du rotor, lesdites moitiés de transformateurs étant séparées par un entrefer. Selon un exemple de réalisation du moteur électrique conforme à l'invention, les moyens électroniques de traitement comprennent un hacheur d'alimentation relié à la moitié de transformateur fixe du stator et un redresseur associé à un filtre reliés à la moitié de transformateur mobile du rotor délivrant une tension d'alimentation continue pour les éléments tournants fixés sur le rotor. Selon un exemple de réalisation du moteur électrique conforme à l'invention, les moyens électroniques de traitement comprennent sur le rotor, un convertisseur analogique/numérique recevant les mesures du dispositif de mesure inertielle, un microprocesseur transformant les mesures délivrées par le convertisseur analogique/numérique en signal numérique, un modulateur avec une porteuse haute fréquence pour alimenter la moitié de transformateur mobile avec le signal numérique série, les moyens électroniques de traitement comprenant sur le stator un démodulateur haute fréquence relié à la moitié de transformateur fixe pour délivrer le signal numérique démodulé à un calculateur d'une unité de mesure inertielle (IMU).

Selon un exemple de réalisation du moteur électrique conforme à l'invention, les moyens électroniques de commande comprennent des éléments pour mettre en oeuvre une boucle de régulation et de commande sur une vitesse de rotation inertielle constante du rotor.

Selon un exemple de réalisation du moteur électrique conforme à l'invention, le dispositif de mesure inertielle comprend au moins un gyromètre et au moins un accéléromètre. Selon un exemple de réalisation du moteur électrique conforme à l'invention, les moyens électroniques comprennent un moyen pour déterminer la position angulaire du support tournant dans un repère fixe, est basé sur des capteurs à effet Hall linéaires du stator ainsi que sur un capteur « tout ou rien ».

Selon un exemple de réalisation du moteur électrique conforme à l'invention, le ou les gyromètres sont des capteurs basés sur la technologie MEMS. Selon un exemple de réalisation conforme à l'invention, le moteur électrique comporte une arbre rotatif supportant le rotor, ledit arbre étant monté via un roulement à bille sur le boîtier avec l'une de ses extrémités et sur le couvercle via un autre roulement à billes avec son autre extrémité, le stator étant centré sur l'axe de l'arbre rotatif.

Selon une variante de réalisation conforme à l'invention, les roulements à billes peuvent être remplacés par des paliers lisses. Selon un exemple de réalisation du moteur électrique conforme à l'invention, le rotor comporte un disque de circuit imprimé faisant office de support tournant, un nombre pair d'aimants permanents disposés à la périphérie du disque de circuit imprimé et traversant ce dernier, l'aimantation des aimants permanents étant axiale et leurs pôles étant alternés, le rotor comportant également sur sa face opposée à celle en regard avec le stator, un anneau en matériau ferromagnétique périphérique destiné à refermer les lignes de flux pour les concentrer vers l'autre face et vers les enroulements du stator, et une partie des moyens électronique de traitement disposés sur la périphérie de la face du disque de circuit imprimé opposée à celle venant en regard du stator.

Selon un exemple de réalisation du moteur électrique conforme à l'invention, le stator comporte un autre circuit imprimé faisant office de support fixe, un anneau fixe en matériau ferromagnétique fixé sur la périphérie de la face venant en regard du rotor de cet autre disque de circuit imprimé, au moins deux bobines électriques installées en quadrature par rapport au pas polaire sur ledit anneau fixe en regard du rotor, au moins une partie des moyens électroniques de traitement et au moins une partie des moyens électroniques de commande. Les objets assignés à l'invention sont également atteints à l'aide d'une unité de mesure inertielle ou IMU (Inertial Measurement Unit) comprenant au moins deux dispositifs de mesure inertielle, intégrés chacun dans un moteur électrique tel que présenté ci-dessus, les axes de rotation desdits deux moteurs étant perpendiculaires entre eux de manière que l'IMU produise une mesure avec un bais atténué sur trois dimensions ainsi qu'un calculateur pour analyser et traiter les mesures effectuées. Les objets assignés à l'invention sont également atteints à l'aide d'une centrale de références primaires ou unité AHRS (Attitude, Heading, Reference System) comportant au moins un dispositif de mesure inertielle et au moins un moteur électrique tel que présenté ci-dessus. Les objets assignés à l'invention sont également atteints à l'aide d'un procédé de commande et de régulation pour asservir sur une consigne, la vitesse de rotation inertielle du moteur électrique tel que présenté ci-dessus, caractérisé en ce qu'il consiste à: - fixer la consigne et à mesurer la vitesse de rotation inertielle, - utiliser une boucle de régulation interne pour amplifier la différence entre la consigne et la vitesse de rotation inertielle, pour commander en couple le moteur électrique, délivrant ainsi en sortie de ladite boucle de régulation interne, la vitesse de rotation inertielle, - effectuer une intégration sur la vitesse de rotation inertielle, de manière à obtenir l'angle de rotation inertiel R, - calculer cos(3 et sin(3, - calculer l'intégrale Is de sinf3 et l'intégrale le de cos(3, - identifier les coordonnées Xc,Yc du centre du cercle défini par les valeurs des inégrales le et de Is, - appliquer un gain k sur Xc et sur Yc et calculer un terme correctif qui est une fonction des variables k, Xc et Yc, - et additionner ledit terme correctif à la consigne pour rétroagir sur ladite consigne à l'entrée de la boucle de régulation interne de manière que lesdites intégrales Is et le soient nulles en moyenne sur un nombre entier de tours. Selon un exemple de mise en oeuvre du procédé de commande et de régulation, l'identification des coordonnées Xc,Yc 15 est obtenue par la méthode des moindres carrées. Un avantage du moteur électrique conforme à l'invention réside dans la possibilité d'utiliser au moins un dispositif de mesure inertielle comportant des gyromètres de moins bonne qualité, du genre gyromètres MEMS, lesquels autoriseront une 20 construction miniaturisée dudit dispositif, tout en présentant une précision équivalente à celle des gyromètres à technologie FOG, une consommation moindre et une fiabilité bien supérieure. Un autre avantage du moteur électrique conforme à l'invention réside dans l'utilisation d'une vitesse de rotation 25 inertielle du rotor inférieure au taux de manoeuvre maximal de l'aéronef ou du véhicule. On diminue ainsi l'usure des mécanismes et on augmente la précision du dispositif de mesure inertielle dans la mesure où la vitesse de rotation inertielle est prise en considération. Le moteur électrique conforme à l'invention présente l'avantage de ne pas générer une consommation électrique importante tout en n'altérant pas la précision de la commande en vitesse de rotation inertielle du dispositif de mesure inertielle. En effet, on cherche à limiter les courants électriques dans les bobines du moteur électrique à des valeurs aussi faibles que possibles. En conséquence, la boucle de régulation interne du procédé de commande n'a qu'une faible autorité de couple et la vitesse de rotation inertielle sera inévitablement perturbée par la dynamique du porteur, laquelle engendre des variations des frottements des paliers et des courants de Foucault. Ces perturbations sont compensées grâce au procédé de commande et de régulation du moteur électrique conforme à l'invention. Un autre avantage du moteur électrique conforme à l'invention réside dans l'intégration dans ledit moteur des moyens sans contact permettant d'une part d'alimenter électriquement au moins un dispositif de mesure tournant et d'autre part de transmettre les mesures effectuées. Un autre avantage du moteur électrique conforme à l'invention réside dans une conception extrêmement simple ne nécessitant qu'un nombre limité de pièces constitutives. L'invention et ses avantages apparaîtront avec plus de détails dans le cadre de la description qui suit avec des exemples de réalisation donnés à titre illustratif et non limitatif, en référence aux figures annexées qui représentent : - la figure 1, une illustration en éclaté d'un exemple d'installation d'un moteur électrique conforme à l'invention, - la figure 2, une illustration du moteur électrique de la figure 1, hors de son boîtier, - la figure 3, une illustration d'un exemple de réalisation du boîtier du moteur électrique conforme à l'invention, - la figure 4, une illustration d'un exemple de réalisation d'un couvercle du boîtier de la figure 3 et 1, - la figure 5, une illustration d'un exemple de réalisation d'un arbre de rotation du moteur électrique conforme à l'invention, - la figure 6, une illustration d'un exemple de réalisation du 10 stator du moteur électrique conforme à l'invention, - la figure 7, une illustration selon une vue sensiblement de dessus d'un exemple de réalisation du rotor d'un moteur électrique conforme à l'invention, - la figure 8, une illustration selon une vue sensiblement de 15 dessous d'un exemple de réalisation du rotor d'un moteur électrique conforme à l'invention, - la figure 9, une illustration schématique partielle et en coupe d'un exemple de réalisation d'une partie du moteur électrique conforme à l'invention, constituant un moyen inductif 20 d'alimentation et de transfert de données d'un système de mesure inertielle, - la figure 10, une illustration schématique et fonctionnelle d'un système de mesure inertielle comportant un moteur électrique conforme à l'invention, 25 - et la figure 11, une illustration d'une loi de commande et de régulation de la vitesse de rotation inertielle du moteur électrique conforme à l'invention, ladite loi de commande permettant de compenser l'effet des fluctuations de la vitesse de rotation inertielle. Les éléments, structurellement et fonctionnellement identiques, présents dans plusieurs figures distinctes, sont affectés 5 d'une seule et même référence numérique ou alphanumérique. Les figures 1 à 8 illustrent en éclaté un exemple d'installation d'un moteur électrique 1 conforme à l'invention ainsi que ses pièces constitutives. Le moteur électrique 1 comprend un boîtier 2 dans lequel 10 sont montés un stator 3, un rotor 4, un arbre 5 et un couvercle 6 refermant ledit boîtier 2. La figure 2 représente le sous-ensemble constitué par le stator 3, le rotor 4 et l'arbre 5 hors du boîtier 2. Le rotor 4 est solidaire de l'arbre 5 par l'intermédiaire de 15 perçages respectifs 4a, 5a destinés à être traversés par des vis ou autres moyens de fixation. L'arbre 5 est pourvu à ses deux extrémités de roulements à billes 5b, 5c destinés à être logés dans des paliers correspondants 2a, 6a du boîtier 2 et du couvercle 6. Le stator 3 est fixé dans le 20 boîtier 2 et centré sur l'arbre 5. La figure 6 illustre un exemple de réalisation du stator 3 du moteur électrique 1. Le stator 3 comporte un disque de circuit imprimé 7 faisant office de support fixe et un anneau fixe 8 en matériau ferromagnétique fixé sur la périphérie de la face du 25 disque de circuit imprimé 7 venant en regard du rotor 4. Le stator 3 comporte également deux bobines électriques 9 et 10 installées sur ledit anneau fixe 8 en regard du rotor 4 et en quadrature par rapport au pas polaire dudit rotor 4.

Le stator 3 comporte, sur cette même face du disque de circuit imprimé 7, une partie de moyens électroniques de traitement et une partie de moyens électroniques de commande. La figure 8 illustre un exemple de réalisation du rotor 4 du moteur électrique 1. Le rotor 4 comporte un autre disque de circuit imprimé 11 faisant office de support tournant. Un nombre pair d'aimants permanents 12 sont disposés à la périphérie du disque de circuit imprimé 11 et traversent ce dernier. L'aimantation des aimants permanents 12 étant axiale et leurs pôles étant alternés, une paire d'aimants 12 définissant ainsi l'angle du pas polaire. Le rotor 4 illustré à la figure 7 comporte également un autre anneau en matériau ferromagnétique 13 disposé sur la périphérie de la face de l'autre disque de circuit imprimé 11, opposée à celle venant en regard du stator 3.

Le disque de circuit imprimé 11 avec les aimants permanents 12, joue le rôle d'un rotor 4 d'un moteur sans balais à flux axial (Pankake). Le circuit magnétique du stator 3 est lisse de manière rendre négligeable le couple de détente.

Le rotor 4 comporte également une partie des moyens électronique de traitement, montés sur cette même face de l'autre disque de circuit imprimé 11. Selon un exemple de réalisation conforme à l'invention, le moteur électrique 1 comprend des moyens inductifs d'une part pour alimenter électriquement un dispositif de mesure inertielle 14 mobile et d'autre part pour transférer les mesures effectuées, par ledit dispositif de mesure inertielle 14, vers une unité électronique fixe.

Les moyens inductifs comprennent par exemple une moitié de transformateur fixe 15, solidaire du stator 3 et une moitié de transformateur mobile 16, solidaire du rotor 4, lesdites moitiés de transformateurs 15 et 16 étant séparées par un espace ou entrefer 17, tel que représenté à la figure 9. La figure 9 est une illustration partielle en coupe d'un exemple de réalisation des moyens d'induction. Ces derniers comportent à cet effet une base fixe 18 (par exemple le boîtier du dispositif), supportant l'arbre 5 par l'intermédiaire d'un roulement à billes 19 et une partie fixe d'un noyau ferromagnétique en deux parties. La partie fixe du noyau comporte un enroulement 15a, constitue la moitié de transformateur fixe 15 et est solidaire de la base fixe 18. La partie tournante du noyau, constituant la moitié de 15 transformateur mobile 16 est solidaire de l'arbre 5 et comporte un enroulement 16a. La figure 10 est une illustration schématique et fonctionnelle d'un système de mesure inertielle comportant un moteur électrique 1 conforme à l'invention. 20 Selon un exemple de réalisation du moteur électrique 1 conforme à l'invention, les moyens électroniques de traitement comprennent un hacheur d'alimentation 20 relié à la moitié de transformateur fixe 15 du stator 3 et un redresseur 21 associé à un filtre 21 reliés à la moitié de transformateur mobile 16 du rotor 4, 25 délivrant ainsi une tension d'alimentation continue U pour les éléments tournants fixés sur le rotor 4. Les moyens électroniques de traitement comprennent également sur le rotor 4, un convertisseur analogique/numérique 22 recevant les mesures du dispositif de mesure inertielle 14 et un microcontrôleur 23 transformant les mesures délivrées par le convertisseur analogique/numérique 22 en signal numérique série. Le dispositif de mesure inertielle comprend avantageusement des gyromètres 14a et des accéléromètres 14b. L'utilisation de puces gyro MEMS qui ont une interface numérique permettrait de supprimer le convertisseur analogique/numérique 22. Les moyens électroniques de traitement comprennent également sur le rotor 4, un modulateur 24 avec une porteuse haute fréquence pour alimenter la moitié de transformateur mobile 16 avec le signal numérique modulé, et sur le stator 3 un démodulateur 25 relié à la moitié de transformateur fixe 15 pour délivrer le signal numérique démodulé à un calculateur 26 d'une unité de mesure inertielle (IMU). Selon un exemple de réalisation du moteur électrique conforme à l'invention, les moyens électroniques de commande comprennent des éléments pour mettre en oeuvre une boucle de régulation et de commande sur une vitesse de rotation inertielle w; sensiblement constante du rotor 4. Les moyens électroniques de commande sont fixes et comprennent par exemple un microcontrôleur pour générer des courants dans les bobines 9 et 10, proportionnels aux signaux sinusoïdaux en quadrature des capteurs à effet Hall linéaires 27, pour contrôler avec précision le couple du moteur électrique 1. On obtient ainsi un couple sans ondulation.

Un exemple de réalisation d'une telle boucle de commande et de régulation du moteur électrique 1 est schématisé à la figure 11. On définit un angle R correspondant à la position angulaire du rotor 4 par rapport à un repère inertiel. Pour effectuer la mesure de position angulaire inertielle, on tire profit d'un capteur inertiel 14 comprenant un gyromètre dont l'axe de sensibilité est parallèle à l'axe de rotation du rotor et on calcule l'intégrale de la mesure de vitesse angulaire délivrée par ce gyromètre. La vitesse de rotation inertielle w; = dei/dt du rotor 4 par rapport à un repère inertiel peut être très faible, de manière que la puissance requise du moteur soit très faible également. Ceci influence positivement l'usure des paliers correspondants. II suffit que ladite vitesse de rotation inertielle soit significativement supérieure à la largeur de bande de fréquence de l'instabilité du biais du gyromètre, soit quelques milli-hertz, c'est-à-dire une vitesse de rotation inertielle comprise par exemple entre 10 et 60 tr/mn. Pour les besoins des algorithmes exploitant les mesures inertielles en repère tournant, la position angulaire rotor 4 par rapport à une structure d'un aéronef doit être connue. Elle peut être mesurée par un capteur absolu sans contact (non représenté), du genre capteur à effet Hall. Le capteur absolu de mesure d'angles sans contact est par exemple basé sur des capteurs à effet Hall, tels que ceux commercialisé par la société Austria Microsystem, sous la référence AS5043. Selon une variante de réalisation du dispositif de mesure inertielle conforme à l'invention, le moyen pour déterminer la position angulaire de l'équipage mobile par rapport à la structure du véhicule est basé sur les capteurs à effet hall 27 linéaires du moteur électrique 1 sans balais, permettant une mesure modulo le pas polaire. Dans ce cas là, un capteur tout ou rien tel qu'une diode électroluminescente associée à un phototransistor permet de lever l'ambiguïté du pas polaire et de retrouver une mesure absolue.

Dans le cadre de la commande du moteur électrique 1, une consigne de vitesse de rotation inertielle wc arrive en entrée d'un opérateur Op4 qui soustrait à ladite consigne wc, la valeur actuelle de la vitesse de rotation inertielle w;. La vitesse de rotation inertielle w; correspond à la vitesse angulaire du rotor 4 par rapport au repère inertiel. On a donc w; = d(3/dt, d(3/dt étant la dérivée par rapport au temps de l'angle R. Le soustracteur Op4 délivre ensuite un signal correspondant à wc - w;, à des moyens de commande, lesquels vont piloter le 10 moteur 6 de manière à annuler ledit signal d'écart. Selon un exemple de réalisation, la rotation du rotor 4 est entretenue à une vitesse constante par rapport au repère inertiel. Cette vitesse de rotation inertielle est de l'ordre de 10 à 60 tours/minute soit 60 à 360°/s, ce qui peut être inférieur au taux 15 maximal de manoeuvre ou d'évolution de l'hélicoptère. A titre d'exemple, un taux de manoeuvre agressif en roulis d'un aéronef est de l'ordre de 100°/s. A titre d'exemple, si la consigne wc est de 60°/s et que l'aéronef évolue dans une fourchette comprise entre -100°/s et 20 +100°/s, alors la vitesse angulaire du rotor 4 par rapport à la structure da/dt est comprise dans l'intervalle de -40°/s à +160°/s, tandis que la vitesse angulaire inertielle du rotor 4 est maintenue à 60°/s. La commande du moteur conforme à l'invention est du type 25 « quatre quadrants », signifiant qu'elle est apte à contrôler une vitesse de rotation relative entre le rotor 4 et le stator 3, dans une sens ou dans un autre, selon les besoins de la manoeuvre actuelle de l'aéronef.

La figure 11 est une boucle de régulation basée sur une loi de commande du moteur électrique 1 conforme à l'invention. La loi de commande permet de compenser des fluctuations de la vitesse de rotation inertielle w;.

A titre d'exemple, ce résultat peut être obtenu en mettant en oeuvre le procédé de commande et de régulation pour asservir sur une consigne wc, la vitesse de rotation inertielle wi du moteur électrique 1 entraînant le dispositif de mesure inertielle 14. Le procédé de commande et de régulation consiste à fixer la 10 consigne we et à mesurer la vitesse de rotation inertielle wi. On utilise ensuite une boucle de régulation interne pour amplifier la différence we - wi entre la consigne we et la vitesse de rotation inertielle wi, pour commander en couple Cp le moteur électrique 1 (c'est-à-dire une commande en courant dans les 15 bobines du stator du moteur), délivrant ainsi en sortie de ladite boucle de régulation interne, une vitesse de rotation inertielle wi proche de la consigne wc. La différence (Ah- wi est élaborée par l'opérateur différence Op4 et amplifiée à l'aide de l'amplificateur Al. Le moteur électrique 1 est schématisé à l'aide d'un 20 intégrateur 11. On effectue ensuite par l'intermédiaire d'un intégrateur 12, une intégration sur la vitesse de rotation inertielle wi, de manière à obtenir l'angle de rotation inertiel (3. On calcule ensuite cos(3 et sin(3, à l'aide d'opérateurs 25 respectifs Op5 et Op6. On obtient ainsi deux signaux représentatifs de la pondération appliquée par la rotation aux biais (inconnus) des gyromètres.

On calcule ensuite l'intégrale Is de sin(3 et l'intégrale le de cosl, à l'aide respectivement des intégrateurs respectifs 13 et 14. Avec une rotation à vitesse angulaire inertielle uniforme, les deux signaux en sortie des intégrateurs 13 et 14 parcourent un cercle dont le centre est fixe. On identifie ensuite les coordonnées Xc,Yc du centre du cercle définit par les valeurs de le et de Is, par l'intermédiaire d'un opérateur Op7. L'identification des coordonnées Xc,Yc est obtenue par exemple par la méthode des moindres carrées mise en oeuvre par l'opérateur Op7. On applique ensuite un gain de contre-réaction (donc négatif) k sur les valeurs de Xc et de Yc et on calcule les termes correctifs k.Xc.sin(3 et k.Yc.cosj3. Le terme correctif k.Xc.sin(3 est obtenu grâce à un amplificateur A4 de gain négatif k et grâce à un multiplicateur Op9. Le terme correctif k.Yc.cosF est obtenu grâce à un amplificateur A3 de gain négatif k et grâce à un multiplicateur Op8. On additionne ensuite les termes correctifs précédents à la consigne w, pour réinjecter une consigne corrigée à l'entrée de la boucle de régulation interne et ce grâce à un sommateur Op10. On rétroagit ainsi sur la consigne wc pour que les coordonnées du centre dudit cercle soient maintenues nulles. On obtient ainsi des consignes d'évolution qui auront pour effet de maintenir le cercle définit par Is et Ic, centré en permanence sur l'origine du repère de représentation, sans erreur statique. Naturellement, la présente invention est sujette à de nombreuses variations quant à sa mise en oeuvre. Bien que plusieurs modes de réalisations aient été décrits, on comprend bien qu'il n'est pas concevable d'identifier de manière exhaustive tous les modes possibles. Il est bien sûr envisageable de remplacer un moyen décrit ou une étape de mise en oeuvre décrite par un moyen équivalent ou une étape équivalente sans sortir du cadre de la présente invention.

Claims (16)

1. REVENDICATIONS1. Moteur électrique (1) pour entraîner en rotation au moins un dispositif de mesure inertielle (14) associé à des moyens électroniques de traitement, comportant une structure (2,6) dans laquelle sont intégrés un stator (3), un rotor (4), des moyens électroniques de commande pour piloter la vitesse de rotation du rotor (4) et un support tournant pour le dispositif de mesure inertielle (14), caractérisé en ce que le rotor (4) est muni d'aimants permanents (12) et constitue le support tournant sur lequel sont fixés le dispositif de mesure inertielle (14) et au moins une partie de moyens électroniques de traitement associés au dispositif de mesure inertielle (14).
2. 2. Moteur électrique (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens inductifs d'une part pour alimenter électriquement le dispositif de mesure inertielle (14) mobile et d'autre part pour transférer les mesures effectuées, par ledit dispositif de mesure inertielle (14), vers une unité électronique fixe.
3. 3. Moteur électrique (1) selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens inductifs comprennent une moitié de transformateur fixe (15) solidaire du stator (3) et une moitié de transformateur mobile (16) solidaire du rotor (4), lesdites moitiés de transformateur (15,16) étant séparées par un entrefer (17).
4. 4. Moteur électrique (1) selon la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens électroniques de traitement comprennent un hacheur d'alimentation (20) relié à la moitié detransformateur fixe (15) du stator (3) et un redresseur associé à un filtre (21) reliés à la moitié de transformateur mobile (16) du rotor (4) délivrant une tension d'alimentation (U) continue pour les éléments tournants fixés sur le rotor (4).
5. 5. Moteur électrique (1) selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que les moyens électroniques de traitement comprennent sur le rotor (4), un convertisseur analogique/numérique (22) recevant les mesures du dispositif de mesure inertielle (14,14a,14b), un microcontrôleur (23) transformant les mesures délivrées par le convertisseur analogique/numérique (22) en signal numérique, un modulateur (24) avec une porteuse haute fréquence pour alimenter la moitié de transformateur mobile (16) avec le signal numérique modulé, les moyens électroniques de traitement comprenant sur le stator (3) un démodulateur (25) haute fréquence relié à la moitié de transformateur fixe (15) pour délivrer le signal numérique démodulé à un calculateur (26) d'une unité de mesure inertielle (IMU).
6. 6. Moteur électrique (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les moyens électroniques de commande comprennent des éléments pour mettre en oeuvre une boucle de régulation et de commande sur une vitesse de rotation inertielle (w;) sensiblement constante du rotor (4).
7. 7. Moteur électrique (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le dispositif de mesure inertielle (14) comprend au moins un gyromètre (14a) et au moins un accéléromètre (14b).
8. 8. Moteur électrique (1) selon la revendication 6, caractérisé en ce que les moyens électroniques de commande comprennent un moyen pour déterminer la position angulaire du support tournant dans un repère fixe, basé sur des capteurs à effet Hall (27) linéaires du stator (3) ainsi que sur un capteur « tout ou rien ».
9. 9. Moteur électrique (1) selon la revendication 7, caractérisé en ce que le ou les gyromètres (14a) sont des capteurs basés sur la technologie MEMS.
10. 10. Moteur électrique (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il comporte une arbre (5) rotatif supportant le rotor (4), ledit arbre (5) étant monté via un roulement à bille (5c) sur le boîtier (2) avec l'une de ses extrémités et sur le couvercle (6) via un autre roulement à billes (5b) avec son autre extrémité, le stator (3) étant centré sur l'axe de l'arbre rotatif (5).
11. 11. Moteur électrique (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que le rotor (4) comporte un disque de circuit imprimé (11) faisant office de support tournant, un nombre pair d'aimants permanents (12) disposés à la périphérie du disque de circuit imprimé (11) et traversant ce dernier, l'aimantation des aimants permanents étant axiale et leurs pôles étant alternés, le rotor (4) comportant également sur sa face opposée à celle en regard avec le stator (3), un anneau en matériau ferromagnétique (13) périphérique destiné à refermer les lignes de flux pour les concentrer vers l'autre face et vers les enroulements du stator (3), et une partie des moyens électronique de traitement disposés surla face du disque de circuit imprimé (Il) opposée à celle venant en regard du stator (3).
12. 12. Moteur électrique (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que le stator (3) comporte un autre circuit imprimé (7) faisant office de support fixe, un autre anneau en matériau ferromagnétique (8) fixé sur la périphérie de la face venant en regard du rotor (4) du disque de circuit imprimé (7), au moins deux bobines électriques (9,10) installées en quadrature par rapport au pas polaire sur ledit anneau fixe (8) en regard du rotor (4), au moins une partie des moyens électroniques de traitement et au moins une partie des moyens électroniques de commande.
13. 13. Unité de mesure inertielle ou IMU (Inertial Measurement Unit), caractérisée en ce qu'elle comprend au moins deux dispositifs de mesure inertielle (14,14a,14b), intégrés chacun dans un moteur électrique (1) conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 12, les axes de rotation desdits deux moteurs (1) sont perpendiculaires entre eux de manière que l'IMU produise une mesure avec un bais atténué sur trois dimensions ainsi qu'un calculateur pour analyser et traiter les mesures effectuées.
14. 14. Centrale de références primaires ou unité AHRS (Attitude, Heading, Reference System), caractérisée en ce qu'elle comporte au moins un dispositif de 25 mesure inertielle (14,14a,14b) et au moins un moteur électrique (1) conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 12.
15. 15. Procédé de commande et de régulation pour asservir sur une consigne (we), la vitesse de rotation inertielle (wi) dumoteur électrique (1) conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce qu'il consiste à: - fixer la consigne (wc) et à mesurer la vitesse de rotation inertielle (w;), - utiliser une boucle de régulation interne pour amplifier la différence (we - w;) entre la consigne (wc) et la vitesse de rotation inertielle (w,), pour commander en couple le moteur électrique (1), délivrant ainsi en sortie de ladite boucle de régulation interne, la vitesse de rotation inertielle (w), - effectuer une intégration sur la vitesse de rotation inertielle (w;), de manière à obtenir l'angle de rotation inertiel (13), - calculer cos(3 et sin(3, - calculer l'intégrale (Is) de sinl3 et l'intégrale (Ic) de cosl3, - identifier les coordonnées (Xc,Yc) du centre du cercle défini par les valeurs de (Ic) et de (Is), - appliquer un gain (k) sur (Xc) et sur (Yc) et calculer un terme correctif qui est une fonction des variables k, 13, Xc et Yc, - et additionner ledit terme correctif à la consigne (4 pour rétroagir sur ladite consigne à l'entrée de la boucle de régulation interne de manière que lesdites intégrales Is et le soient nulles en moyenne sur un nombre entier de tours.
16. 16. Procédé de commande et de régulation selon la revendication 15, caractérisé en ce que l'identification des coordonnées (Xc,Yc) est obtenue par la méthode des moindres carrées.