WO2018037191A1 - Procede et dispositif d'estimation de force - Google Patents

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WO2018037191A1
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force
acceleration
estimate
periodic
harmonic frequencies
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PCT/FR2017/052269
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John-Jairo MARTINEZ-MOLINA
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Institut Polytechnique De Grenoble
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    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction

Definitions

  • the present description relates to the field of force estimation methods and devices, and in particular to methods and devices for estimating a force in a mechanical or electromechanical system.
  • An object of embodiments of the present description is to at least partially meet one or more needs of the prior art.
  • a method for estimating a periodic or substantially periodic force present in a mechanical or electromechanical system comprising: estimating, by a processing device, one or more harmonic frequencies of a signal of acceleration representing an acceleration in the system, the substantially periodic force contributing to said acceleration; and estimating, by the processing device, the force based on a dynamic model of the system, the dynamic model being defined by said one or more estimated harmonic frequencies.
  • the dynamic model is updated based on an error signal representing the difference between a captured velocity signal and an estimated velocity signal.
  • the method further comprises generating an acceleration signal based on a time differential calculation for two or more values of a speed signal representing an angular or linear velocity in the system.
  • the estimation of said one or more harmonic frequencies of the acceleration signal involves the calculation of an error signal equal to:
  • r (k) is a current acceleration value, and is a
  • the mechanical or electromechanical system is a motor-assisted bicycle
  • the periodic or substantially periodic force is the pedaling force generated by the cyclist
  • the dynamic model comprises one or more of the estimates. where each of these estimates is defined as follows:
  • Ts is the sampling period
  • M is the mass of the cyclist and the bicycle
  • F M is the force generated by the engine, and represent one of the harmonic frequencies, is the estimate of the force exerted by the cyclist, and is an estimate of other forces in the system.
  • the mechanical or electromechanical system is a wind turbine
  • the periodic or substantially periodic force is a periodic component of the wind force on the blades of the wind turbine
  • the dynamic model includes one or more of the estimates. and where each of these estimates is defined as follows:
  • Ts is the sampling period, represent one of the harmonic frequencies, is the estimate of the force exerted by the wind, and is an estimate of other forces in the system
  • ⁇ ⁇ is the speed of the turbine, and is an estimate of the speed of the turbine
  • I is the inertia of the turbine, is the torque applied by the generator, equal for example to
  • Ke is the constant
  • engine speed and is the current generated by the generator, and represents the total torque generated by the wind, representing a cyclical component of this couple.
  • the one or more harmonic frequencies comprise at least one of the fundamental frequency, the first harmonic frequency, the second harmonic frequency and the third harmonic frequency.
  • a processing device arranged to estimate a periodic or substantially periodic force present in a mechanical or electromechanical system, the processing device being arranged to: estimate one or more harmonic frequencies of an acceleration signal representing an acceleration in the system, the substantially periodic force contributing to the acceleration; and estimating the force based on a dynamic model of the system, the dynamic model being defined by said one or more estimated harmonic frequencies.
  • Figure 1 illustrates a bicycle assisted by a motor according to an embodiment of the present description
  • FIG. 2 diagrammatically represents a force estimation system according to an exemplary embodiment
  • FIG. 3 is a flowchart illustrating steps in a force estimation method in a mechanical or electromechanical system according to an exemplary embodiment
  • FIG. 4 is a graph showing frequency components of an acceleration signal according to an exemplary embodiment
  • FIG. 5 schematically illustrates a force estimation method in a mechanical or electromechanical system according to an exemplary embodiment
  • Figure 6 schematically illustrates a part of the method of Figure 6 in more detail according to an exemplary embodiment
  • Fig. 7 is a flowchart showing in more detail steps in the method of Fig. 3 according to an example embodiment
  • Fig. 8A is a graph illustrating an acceleration signal and a resultant force according to an exemplary embodiment
  • Fig. 8B is a graph illustrating an acceleration signal and a dynamic constraint according to an exemplary embodiment
  • Figure 9 schematically illustrates a computing device according to an exemplary embodiment.
  • FIG. 10 illustrates a wind turbine according to an exemplary embodiment.
  • the embodiments described herein relate to a method and apparatus for estimating a periodic force. or substantially periodically in a mechanical or electromechanical system.
  • periodic force is used herein to refer to a force that is, at least within certain limits, of a cyclic nature. For example, the force exerted by a cyclist on the pedals of a bicycle is periodic since the force will generally result from the downward thrust applied by the cyclist's foot when each pedal reaches a certain range of angular position in its cycle. rotation.
  • a periodic or substantially periodic force is present and can be estimated by the techniques described herein.
  • the present inventor has discovered that the force exerted by the wind on the blades of a wind turbine generally has a periodic or substantially periodic component which can be estimated, as will be described in more detail below.
  • a periodic or substantially periodic force could be estimated according to the techniques described here, such as the force exerted on a train by a rower, or waves on a boat.
  • FIG. 1 illustrates a bicycle 100 assisted by a motor according to an exemplary embodiment.
  • the bicycle 100 comprises, for example, an electric motor 102.
  • the motor 102 is for example a roller motor pressing on the tire mounted near the bottom axle 103, so that the motor apply a force directly to the tire of the rear wheel.
  • the motor 102 could apply a force to the crank axle 103, or could be mounted elsewhere, such as on the hub of the front or rear wheel.
  • the motor 102 is for example an electric motor powered by a battery 104, which is for example mounted on a luggage rack disposed above the rear wheel of the bicycle.
  • the battery 104 could be mounted elsewhere on the bicycle.
  • the motor is for example controlled by a computer 106, which is for example mounted on the handlebars of the bicycle, although here again it could be mounted elsewhere.
  • the computer 106 allows for example the cyclist to select the level of assistance provided by the engine.
  • the computer 106 is for example adapted to estimate the useful force exerted by the cyclist.
  • the useful force is, for example, the force that leads to an acceleration of the bicycle, and excludes, for example, certain components of the force that are lost due to friction, etc.
  • the useful force will generally correspond to the torque applied to the pedal axle 103 from the pedal cranks.
  • the computer 106 includes a display, and is adapted to display an indication of the estimated force.
  • the computer 106 is for example adapted to control the motor 102 on the basis of the estimated force.
  • the level of assistance provided by the motor 102 is controlled so that the overall acceleration of the bicycle remains relatively constant, for example in a range of 10% around the average value.
  • the engine is for example controlled to provide greater assistance between the cyclist's pedal strokes.
  • the computer 106 may be adapted to control the motor 102 in a different manner on the basis of the estimated force, for example to provide a level of assistance that is proportional or inversely proportional to the estimated force.
  • FIG. 2 schematically illustrates a force estimation system 200 according to an exemplary embodiment.
  • the system 200 is for example partially implemented by the computer 106, and partially implemented by detectors and sensors described in more detail below.
  • the system 200 comprises, for example, a motor force detector (MOTOR FORCE DETECTOR) 202, which for example provides a signal F M indicating the force applied by the motor at a given instant.
  • the system 200 also comprises, for example, a pedaling sensor (PEDALLING SENSOR) 204, which provides a signal ⁇ Bp indicating the angular velocity of the pedal cranks. This signal can for example be used to determine the speed
  • a wheel speed sensor (WHEEL SPEED SENSOR) 206 is for example provided and generates a signal ⁇ * 3 ⁇ 4 indicating the speed of the bicycle.
  • the signal ⁇ * 3 ⁇ 4 indicating the speed of the bicycle could be provided directly by the motor, in which case the wheel speed sensor could be omitted
  • the signal ⁇ * 3 ⁇ 4 is for example composed of digital samples and comprises minus five samples for each complete rotation of a pedal crank, and preferably at least seven samples for each complete rotation of a pedal crank.
  • the system of 200 further comprises an estimator of unknown forces (UNKNON FORCE ESTIMATOR) 208, implemented for example by the computer 106, and adapted to estimate an unknown force F in the system, this force corresponding to the useful force exerted by the cyclist.
  • the estimator 208 receives, for example, the signal F M and an indication of the mass (MASS) of the bicycle and the cyclist.
  • the mass is provided by a mass estimator (MASS ESTIMATOR) 210, which for example receives the force of the motor F M from the motor force sensor 202, and also the speed of the bicycle 3 ⁇ 4, and estimates the mass based on these parameters while the cyclist is not pedaling.
  • the mass can be obtained by an information input provided by the user.
  • the unknown force estimator also receives a pedaling speed signal a> p from the pedal sensor 204 and / or a bicycle speed signal ⁇ * 3 ⁇ 4 from a speed sensor. wheel.
  • the estimator 208 also receives, for example, a biased cyclist force F C from a previous force calculation, which is used as the basis for calculating a next force value during a next iteration, as described further in detail below.
  • the unknown force estimator 208 provides, for example, an estimate F of the effective force generated by the cyclist in the system, which contributes to the acceleration of the bicycle.
  • CONSTRAINTS receives, for example, the estimated forces F and the pedaling speed ⁇ 3 ⁇ 4>, and generates a biased cyclist force F C , which is supplied on a feedback path to the unknown force estimator 208.
  • the force signal For example, a bias cyclist F C is also supplied to a cyclist power estimator (CYCLIST POWER ESTIMATOR) 214, which also receives, for example, the speed of the bicycle ⁇ * 3 ⁇ 4, and generates the estimated power of the cyclist. In particular, it will appear
  • this force could be expressed as a power value, equal to the multiplied force by the distance in time.
  • the wattage can be obtained by the following equation:
  • v (k) is the speed of the bicycle, and is the estimated useful strength of the cyclist.
  • the force exerted by the cyclist could be expressed as a torque.
  • the torque in Nm can be obtained by the following equation:
  • the acceleration in m / s 2 generated by the cyclist could be obtained by the following equation: where M is the mass of the cyclist and the bicycle.
  • the engine could be shut down, so that the force of the motor F M remains zero.
  • FIG. 3 is a flowchart illustrating steps in a method of determining the strength of a cyclist on an engine-assisted bicycle, such as bicycle 100 of FIG. 1. The method is for example implemented by the computer 106.
  • a reading of the speed v (k) of the bicycle is for example obtained.
  • this rate may be generated based on the signal ⁇ * 3 ⁇ 4 from a wheel speed sensor or other input.
  • the speed v (k) can be calculated on the basis of a reading of the engine speed C0MOTOR 'in radiants per second, and on the basis of the engine radius Rm, with for example
  • an acceleration value a (k) is calculated on the basis of the speed value, for example by a differential calculation on the speed signal over time.
  • the frequency of one or more harmonics of the acceleration signal a (t) is for example determined.
  • the term "harmonic" is used to designate a fundamental frequency and / or the first, second, third, etc., harmonic frequencies.
  • the harmonic frequencies are determined on the basis of an iterative algorithm.
  • Fig. 4 is a graph illustrating an example of the amplitudes of frequency components of the acceleration signal.
  • the frequency axis has, for example, the normalized frequency in the form of fractions of the sampling frequency 1 / Ts, where Ts is the sampling period.
  • the sampling frequency is 20 Hz, and so the sampling period Ts is 50 ms. More generally, the sampling frequency is for example between 10 and 50 Hz.
  • the harmonic frequencies correspond to peaks of the frequency distribution curve, referenced 402, 404 and 406, which are, for example, respectively approximately 3, 5 and 9 Hz. There is also by for example a DC component, DC, of the acceleration signal represented by a peak 408 at 0 Hz.
  • the step 303 of FIG. 3 involves, for example, the estimation of the frequency of one or more of the harmonics 402, 404 , 406.
  • a pattern is generated for the forces present in the bicycle system, based on the harmonic frequencies.
  • This model includes a strength component .
  • the force component is extracted from the model to obtain the estimate of the useful force exerted by the cyclist.
  • another step 306 involves determining an ERROR error value associated with the estimated force. .
  • Fig. 5 is a block diagram showing the steps
  • Block 502 in FIG. 5 represents the implementation of steps 302 and 303 of FIG. 3.
  • Block 502 receives the speed value v (k), and calculates, on the basis of a model of a transfer function. harmonics updated on the basis of the speed value v (k).
  • a block 504 in FIG. 5 represents the implementation of the steps 304, 305 and 306 of FIG. 3.
  • the block 504 receives the speed value v (k), the harmonics generated by the block
  • the force of the motor F M can for example be determined on the basis of the speed constant of the motor Ke and a measurement of the current I supplied to the motor.
  • the force of the motor is for example generated on the basis of the engine torque 3 ⁇ 4, equal for example to Ke * I, where Ke is the motor speed constant and I is the current.
  • the force of the motor F M is, for example, equal to 3 ⁇ 4 / Rm, where Rm is the radius of the motor, in the case of a roller motor on a tire, like the motor 102 of FIG. 1.
  • the block 504 generates by example an estimate of the useful force exerted by the cyclist.
  • block 504 further generates an error value ERROR indicating a margin of error of the force estimate.
  • Figure 6 illustrates the block 504 of Figure 5 in more detail according to an exemplary embodiment.
  • a dynamic model (DY AMIC MODEL) 606 receives, for example, the force of the motor Fj ⁇ k), the harmonic frequencies and an error value obtained by subtracting from the speed value v (k) an estimate speed.
  • Block 606 for example provides an updated dynamic model Xe (k).
  • Block 608 represents the extraction from the dynamic model Xe (k) of the force estimate .
  • Another block 610 represents the determination of the error associated with the force estimation.
  • Fig. 7 is a flowchart showing the method of Fig. 3 in more detail according to an example embodiment.
  • step 302 involves for example the calculation of the acceleration value a (k) as a value ⁇ ⁇ (k) based on the pedal speed value. For example, the value
  • Ts is the sampling period, for example equal to the time period between samples of the
  • acceleration a (k) could be calculated on the basis of another speed signal.
  • Steps 703 to 705 of FIG. 7 implement step 303 of FIG. 3, involving finding one or more harmonics of the acceleration signal.
  • Step 703 involves for example the calculation of a vector ⁇ in the form [r (k-1); r (k-2)], where and
  • Step 704 involves for example the calculation of an error value ei (k) and a parameter L (k).
  • error value ei (k) is for example based on the following formula:
  • the parameter L (k) is for example based on the following formula:
  • FF is a forgetting factor, for example equal to 0.95
  • P (k) is a matrix which is for example initialized to a certain value, for example to a value of:
  • a harmonic vector is for example generated on the basis of the following formula:
  • harmonic vector for example the following form
  • Step 304 involves, for example, substeps 706 and 707.
  • a dynamic model Xe representing the bicycle system is, for example, modified on the basis of the last speed value v (k).
  • the dynamic model is based on the following equation for the driving force of the bicycle:
  • the dynamic model following Xe can for example be defined as being a vector having the following components:
  • a matrix Ad (k), and vectors Ld (k) and P2 (k + 1) are for example calculated.
  • the matrix Ad (k) is for example calculated on the basis of the following formula:
  • Ts is the sampling period
  • M is the mass of the bicycle and the cyclist.
  • the vector Ld (k) is for example calculated on the basis of the following formula:
  • Vd is a constant representing the expected covariance of the speed measurements.
  • the vector P2 (k + 1) is for example calculated on the basis of the following formula:
  • Wd is a constant matrix representing the expected covariance of process perturbations, ie the covariance of exogenous forces.
  • the vector Xe (k + 1) is for example calculated on the basis of the following formula:
  • a step 305 the force exerted by the cyclist is extracted, corresponding for example to the third element Xe (3) of the vector Xe. Additionally, other forces can be extracted, these corresponding for example to the second element Xe (2) of the vector Xe.
  • Step 306 involves, for example, determining an error value associated with the estimated force, as shown by block 610 in Figure 6.
  • the error value is for example determined on the basis of the following equation for an error vector ERROR of the vector Xe:
  • the error value is, for example, extracted as the third ERROR element (3) from the ERROR vector.
  • the magnitude of the error value is then compared to a permissible level, to decide if the force estimate is accurate enough to be useful. For example, the following operation is implemented:
  • ⁇ is the allowable level, for example equal to a value between 2 and 10 percent, and in some embodiments between 2 and 5 percent.
  • a step 708 the motor of the bicycle is controlled on the basis of the estimated force, if for example the estimated force is determined in step 306 as permissible.
  • Fig. 8A is a graph including a curve 802 showing an example of the estimated acceleration produced by the cyclist before considering the constraints.
  • Dotted lines 804 and 806 respectively represent the maximum and minimum accelerations produced by gravity, assuming a road gradient of not more than 20 percent.
  • Curves 808 and 810 represent other constraints, calculated for example by the module 212 of Figure 2 in real time.
  • the curve 808 represents the maximum acceleration produced by the weight of the cyclist on the pedals, this signal falling for example to zero during periods in which the cyclist stops pedaling.
  • Curve 810 represents, for example, the maximum acceleration in the presence of aerodynamic losses.
  • Fig. 8B is another graph illustrating the constraints 804, 806, 808 and 810 of Fig. 8A, and illustrating in addition, a curve 812 representing the forced force F C after having taken into account the constraints.
  • curves 804, 808 and 810 represent maximum stress values Cmax (t), while curve 806 represents a minimum stress value Cmin (t).
  • F ⁇ Cmin (t) F C is for example equal to Cmin (t)
  • F> Cmax (t) F C is for example equal to Cmax (t).
  • FIG. 9 schematically illustrates a computer 900 arranged to implement the method of FIG. 3 and / or FIG. 7 to calculate a cyclist force, and which corresponds, for example, to the computer 106 of FIG.
  • the computer 900 comprises, for example, a processing device (P) 902 comprising one or more processors under the control of instructions stored in an instruction memory (Instruction Memory) 904.
  • An input interface (I / O INTERFACE) 906 makes it possible, for example, to introduce into the processing device 902 readings from different measuring devices, for example from the electric motor, and / or from a separate speed sensor.
  • a memory (MEMORY) 908 stores for example the various parameters, vectors and matrices described above for the implementation of the method.
  • FIGS. 3 and 7, and the device of FIG. 9 could be applied to estimate the force exerted by the cyclist.
  • wind on the blades of a wind turbine as will now be described in more detail with reference to Figure 10.
  • Figure 10 illustrates an example of a wind turbine 1000, comprising two or more blades 1002 coupled to an axis 1004, which in turn is coupled to an electricity generator 1006.
  • the equations 1, 2 and 5 remain unchanged, for example, whereas the equations 2 and 3 are for example replaced by the following equations 1 ', 2 'and 3':
  • ⁇ ⁇ is the speed of the turbine, and is an estimate of the speed of the turbine
  • Ts is the sampling period
  • I is the inertia of the turbine
  • Ke is the engine speed constant and is the current generated by the generator, and represents the total torque generated by the wind, representing a cyclical component of this couple.
  • the speed of the turbine ⁇ ⁇ is for example detected by a speed sensor located on the main shaft of the turbine and / or by using a generator speed measurement, based for example on rotation encoders.
  • the speed of the generator depends on both the torque produced by the wind and the torque produced by the generator, which is proportional to the electric current from the generator. In some embodiments, estimating the torque produced by the wind can be used to control the speed of the generator by controlling the current level
  • An advantage of controlling the generator torque in this manner is that cyclic fluctuations in the speed of the blades 1002 can be avoided, thus avoiding or reducing the risk of damaging the turbine.
  • An advantage of the embodiments described herein is that a periodic or substantially periodic force in a mechanical or electromechanical system can be estimated substantially in real time and with relatively high accuracy in a relatively simple manner.
  • various alterations, modifications and improvements will readily occur to those skilled in the art.
  • a particular example of a dynamic model is given by the aforementioned equations 1 to 5, it will be apparent to one skilled in the art that modifications could be made to these equations, for example to take account of additional forces present in the system, and that the equations could be adapted to other applications than the bicycle and wind turbine examples described here.

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Abstract

L'invention concerne un procédé d'estimation d'une force périodique ou sensiblement périodique présente dans un système mécanique ou électromécanique, le procédé comprenant : estimer, par un dispositif de traitement, une ou plusieurs fréquences harmoniques d'un signal d'accélération représentant une accélération dans le système, la force sensiblement périodique contribuant à ladite accélération; et estimer, par le dispositif de traitement, la force sur la base d'un modèle dynamique du système, le modèle dynamique étant défini par lesdites une ou plusieurs fréquences harmoniques estimées.

Description

PROCEDE ET DISPOSITIF D'ESTIMATION DE FORCE
La présente demande de brevet revendique la priorité de la demande de brevet français FR16/57939 qui sera considérée comme faisant partie intégrante de la présente description.
Domaine de l'invention
La présente description concerne le domaine des procédés et dispositifs d'estimation de force, et en particulier des procédés et dispositifs pour estimer une force dans un système mécanique ou électromécanique.
Exposé de l'art antérieur
Dans certains domaines il serait souhaitable de pouvoir estimer une ou plusieurs forces variables qui influencent le système. Par exemple, dans le cas d'une bicyclette assistée par un moteur, il pourrait être souhaitable de pouvoir estimer la force exercée par le cycliste. De façon similaire, dans le cas d'une éolienne, il pourrait être souhaitable de pouvoir estimer la force générée par le vent.
Dans le cas de bicyclettes assistées par un moteur, on a proposé d'utiliser un détecteur de couple ou de puissance afin de détecter la force exercée par chaque pied du cycliste. De tels détecteurs de couple ou de puissance sont basés sur la détection d'une déformation mécanique, par exemple la torsion de l'arbre dans l'arbre de pédale. On a aussi proposé de prévoir des détecteurs de force dans les pédales de la bicyclette. Toutefois, un inconvénient de telles solutions est que leur précision est en général affectée par des variations de température et par le vieillissement des matériaux utilisés, ce qui signifie qu'un étalonnage fréquent est habituellement nécessaire. En outre, de tels détecteurs ajoutent du poids à la structure et sont relativement coûteux à installer.
Il existe donc un besoin dans la technique d'un procédé et d'un dispositif d'estimation de forces qui résolvent certains ou la totalité des inconvénients susmentionnés.
Résumé
Un objet de modes de réalisation de la présente description est de répondre au moins partiellement à un ou plusieurs besoins de l'art antérieur.
Selon un aspect, on prévoit un procédé d'estimation d'une force périodique ou sensiblement périodique présente dans un système mécanique ou électromécanique, le procédé comprenant : estimer, par un dispositif de traitement, une ou plusieurs fréquences harmoniques d'un signal d'accélération représentant une accélération dans le système, la force sensiblement périodique contribuant à ladite accélération ; et estimer, par le dispositif de traitement, la force sur la base d'un modèle dynamique du système, le modèle dynamique étant défini par lesdites une ou plusieurs fréquences harmoniques estimées.
Selon un mode de réalisation, le modèle dynamique est mis à jour sur la base d'un signal d'erreur représentant la différence entre un signal de vitesse capturée et un signal de vitesse estimée.
Selon un mode de réalisation, le procédé comprend en outre la génération d'un signal d'accélération sur la base d'un calcul de différentielle dans le temps pour deux ou plusieurs valeurs d'un signal de vitesse représentant une vitesse angulaire ou linéaire dans le système. Selon un mode de réalisation, l'estimation desdites une ou plusieurs fréquences harmoniques du signal d'accélération implique le calcul d'un signal d'erreur égal à :
Figure imgf000005_0001
où r(k) est une valeur d'accélération courante, et est une
Figure imgf000005_0002
estimation de l'accélération basée sur un vecteur
Figure imgf000005_0003
représentant les fréquences harmoniques et un vecteur φ représentant une ou plusieurs valeurs d'accélération précédentes.
Selon un mode de réalisation, le système mécanique ou électromécanique est une bicyclette assistée par un moteur, et la force périodique ou sensiblement périodique est la force de pédalage générée par le cycliste, et le modèle dynamique comprend une ou plusieurs des estimations
Figure imgf000005_0005
où chacune de ces estimations est définie de la façon suivante :
Figure imgf000005_0004
où Ts est la période d'échantillonnage, M est la masse du cycliste et de la bicyclette, FM est la force générée par le moteur,
Figure imgf000005_0006
et
Figure imgf000005_0011
représentent l'une des fréquences harmoniques,
Figure imgf000005_0007
est l'estimation de la force exercée par le cycliste, et
Figure imgf000005_0008
est une estimation d'autres forces dans le système.
Selon un mode de réalisation, le système mécanique ou électromécanique est une éolienne, et la force périodique ou sensiblement périodique est une composante périodique de la force du vent sur les pales de l'éolienne, et le modèle dynamique comprend une ou plusieurs des estimations
Figure imgf000005_0009
et où chacune de ces estimations est définie de la manière suivante :
Figure imgf000005_0010
Figure imgf000006_0001
où Ts est la période d'échantillonnage,
Figure imgf000006_0002
représentent l'une des fréquences harmoniques,
Figure imgf000006_0003
est l'estimation de la force exercée par le vent, et
Figure imgf000006_0004
est une estimation d' autres forces dans le système, où ωτ est la vitesse de la turbine, et
Figure imgf000006_0005
est une estimation de la vitesse de la turbine, I est l'inertie de la turbine,
Figure imgf000006_0006
est le couple appliqué par le générateur, égal par exemple à où Ke est la constante
Figure imgf000006_0007
de vitesse du moteur et
Figure imgf000006_0008
est Ie courant généré par le générateur, et
Figure imgf000006_0009
représente le couple total généré par le vent,
Figure imgf000006_0010
représentant une composante cyclique de ce couple.
Selon un mode de réalisation, l'une ou plusieurs fréquences harmoniques comprennent au moins l'une parmi la fréquence fondamentale, la première fréquence harmonique, la deuxième fréquence harmonique et la troisième fréquence harmonique.
Selon un autre aspect, on prévoit un dispositif de traitement agencé pour estimer une force périodique ou sensiblement périodique présente dans un système mécanique ou électromécanique, le dispositif de traitement étant agencé pour : estimer une ou plusieurs fréquences harmoniques d'un signal d'accélération représentant une accélération dans le système, la force sensiblement périodique contribuant à l'accélération ; et estimer la force sur la base d'un modèle dynamique du système, le modèle dynamique étant défini par lesdites une ou plusieurs fréquences harmoniques estimées.
Brève description des dessins
Les objets et avantages susmentionnés, et d'autres, apparaîtront clairement avec la description détaillée suivante de modes de réalisation, donnée à titre d'illustration et non de limitation, en faisant référence aux dessins joints, dans lesquels :
la figure 1 illustre une bicyclette assistée par un moteur selon un exemple de réalisation de la présente description ;
la figure 2 représente schématiquement un système d'estimation de force selon un exemple de réalisation ;
la figure 3 est un organigramme illustrant des étapes dans un procédé d'estimation de force dans un système mécanique ou électromécanique selon un exemple de réalisation ;
la figure 4 est un graphique représentant des composantes fréquentielles d'un signal d'accélération selon un exemple de réalisation ;
la figure 5 illustre schématiquement un procédé d'estimation de force dans un système mécanique ou électromécanique selon un exemple de réalisation ;
la figure 6 illustre schématiquement une partie du procédé de la figure 6 plus en détail selon un exemple de réalisation ;
la figure 7 est un organigramme représentant plus en détail des étapes dans le procédé de la figure 3 selon un exemple de réalisation ;
la figure 8A est un graphique illustrant un signal d'accélération et une force résultante selon un exemple de réalisation ;
la figure 8B est un graphique illustrant un signal d'accélération et une contrainte dynamique selon un exemple de réalisation ;
la figure 9 illustre schématiquement un dispositif informatique selon un exemple de réalisation ; et
la figure 10 illustre une éolienne selon un exemple de réalisation.
Description détaillée
Les modes de réalisation décrits ici concernent un procédé et un dispositif destinés à estimer une force périodique ou sensiblement périodique dans un système mécanique ou électromécanique. Le terme "force périodique" est utilisé ici pour désigner une force qui est, au moins dans certaines limites, de nature cyclique. Par exemple, la force exercée par un cycliste sur les pédales d'une bicyclette est périodique puisque la force va généralement résulter de la poussée vers le bas appliquée par le pied du cycliste lorsque chaque pédale atteint une certaine plage de position angulaire dans son cycle de rotation. Il y a d'autres systèmes mécaniques ou électromécaniques dans lesquels une force périodique ou sensiblement périodique est présente et peut être estimée par les techniques décrites ici. Par exemple, le présent inventeur a découvert que la force exercée par le vent sur les pales d'une éolienne a en général une composante périodique ou sensiblement périodique qui peut être estimée, comme on va le décrire plus en détail ci-après. L'homme de l'art connaîtra d'autres applications dans lesquelles une force périodique ou sensiblement périodique pourrait être estimée selon les techniques décrites ici, comme par exemple la force exercée sur une rame par un rameur, ou par des vagues sur un bateau.
La figure 1 illustre une bicyclette 100 assistée par un moteur selon un exemple de réalisation. La bicyclette 100 comprend par exemple un moteur électrique 102. Dans l'exemple de la figure 1, le moteur 102 est par exemple un moteur à galet appuyant sur le pneu monté à proximité de l'axe de pédalier 103, de sorte que le moteur applique une force directement sur le pneu de la roue arrière. Dans des variantes de réalisation, le moteur 102 pourrait appliquer une force à l'axe de pédalier 103, ou pourrait être monté ailleurs, comme sur le moyeu de la roue avant ou arrière. Le moteur 102 est par exemple un moteur électrique alimenté par une batterie 104, qui est par exemple montée sur un porte-bagages disposé au-dessus de la roue arrière de la bicyclette. Dans des variantes de réalisation, la batterie 104 pourrait être montée ailleurs sur la bicyclette. Le moteur est par exemple contrôlé par un ordinateur 106, qui est par exemple monté sur le guidon de la bicyclette, bien qu'ici encore il pourrait être monté ailleurs. L'ordinateur 106 permet par exemple au cycliste de sélectionner le niveau de l'assistance fournie par le moteur.
L'ordinateur 106 est par exemple adapté à estimer la force utile exercée par le cycliste. La force utile est par exemple la force qui conduit à une accélération de la bicyclette, et exclut par exemple certaines composantes de la force qui sont perdues en raison des frictions, etc. La force utile va en général correspondre au couple appliqué à l'axe de pédalier 103 à partir des manivelles de pédale. Dans certains modes de réalisation, l'ordinateur 106 comprend un afficheur, et est adapté à afficher une indication de la force estimée.
En plus ou à la place, l'ordinateur 106 est par exemple adapté à contrôler le moteur 102 sur la base de la force estimée. Par exemple, le niveau d'assistance fourni par le moteur 102 est contrôlé de telle sorte que l'accélération globale de la bicyclette reste relativement constante, par exemple dans une plage de 10 % autour de la valeur moyenne. En d'autres termes, le moteur est par exemple contrôlé de façon à fournir une plus grande assistance entre les coups de pédale du cycliste. En variante, l'ordinateur 106 peut être adapté à commander le moteur 102 d'une manière différente sur la base de la force estimée, par exemple pour fournir un niveau d'assistance qui est proportionnel ou inversement proportionnel à la force estimée.
La figure 2 illustre schématiquement un système d'estimation de force 200 selon un exemple de réalisation. Le système 200 est par exemple partiellement mis en œuvre par l'ordinateur 106, et partiellement mis en œuvre par des détecteurs et des capteurs décrits plus en détail ci-après.
Le système 200 comprend par exemple un détecteur de force de moteur (MOTOR FORCE DETECTOR) 202, qui fournit par exemple un signal FM indiquant la force appliquée par le moteur à un instant donné. Le système 200 comprend aussi par exemple un capteur de pédalage (PEDALLING SENSOR) 204, qui fournit un signal <Bp indiquant la vélocité angulaire des manivelles de pédale. Ce signal peut par exemple être utilisé pour déterminer la vitesse (OQ de la bicyclette. En plus ou à la place du capteur de pédalage, un capteur de vitesse de roue (WHEEL SPEED SENSOR) 206 est par exemple prévu et génère un signal <*¾ indiquant la vitesse de la bicyclette. Dans des variantes de réalisation, le signal <*¾ indiquant la vitesse de la bicyclette pourrait être fourni directement par le moteur, auquel cas le capteur de vitesse de roue pourrait être omis. Le signal <*¾ est par exemple composé d'échantillons numériques et comprend au moins cinq échantillons pour chaque rotation complète d'une manivelle de pédale, et de préférence au moins sept échantillons pour chaque rotation complète d'une manivelle de pédale.
Le système de 200 comprend en outre un estimateur de forces inconnues (UNKNON FORCE ESTIMATOR) 208, mis en œuvre par exemple par l'ordinateur 106, et adapté à estimer une force inconnue F dans le système, cette force correspondant à la force utile exercée par le cycliste. L'estimateur 208 reçoit par exemple le signal FM et une indication de la masse (MASS) de la bicyclette et du cycliste. Dans certains modes de réalisation, la masse est fournie par un estimateur de masse (MASS ESTIMATOR) 210, qui par exemple reçoit la force du moteur FM à partir du détecteur de force de moteur 202, et aussi la vitesse de la bicyclette <*¾, et estime la masse sur la base de ces paramètres pendant que le cycliste n'est pas en train de pédaler. En variante, la masse peut être obtenue par une entrée d'information fournie par l'utili- sateur.
Dans certains modes de réalisation, l'estimateur de forces inconnues reçoit aussi un signal de vitesse de pédalage a>p à partir du capteur de pédalage 204 et/ou un signal de vitesse de bicyclette <*¾ à partir d'un capteur de vitesse de roue. L'estimateur 208 reçoit aussi par exemple une force de cycliste contrainte FC provenant d'un calcul de force précédent, qui est utilisée comme base pour le calcul d'une valeur de force suivante pendant une itération suivante, comme cela est décrit plus en détail ci-après. L'estimateur de force inconnue 208 fournit par exemple une estimation F de la force utile générée par le cycliste dans le système, force qui contribue à l'accélération <*¾ de la bicyclette.
Un générateur de contraintes cinématiques (KINEMATIC
CONSTRAINTS) 212 reçoit par exemple les forces F estimées et la vitesse de pédalage <¾>, et génère une force de cycliste contrainte FC, qui est fournie sur un chemin de rétroaction vers l'estimateur de force inconnue 208. Le signal de force de cycliste contrainte FC est aussi par exemple fourni à un estimateur de puissance de cycliste (CYCLIST POWER ESTIMATOR) 214, qui reçoit aussi par exemple la vitesse de la bicyclette <*¾, et génère la puissance de cycliste estimée En particulier, il apparaîtra
Figure imgf000011_0005
clairement à l'homme de l'art que, alors que dans les modes de réalisation décrits une force de cycliste est estimée, dans certains modes de réalisation cette force pourrait être exprimée sous forme d'une valeur de puissance, égale à la force multipliée par la distance dans le temps. Par exemple, dans certains modes de réalisation la puissance en watts peut être obtenue par l'équation suivante :
Figure imgf000011_0001
où v(k) est la vitesse de la bicyclette, et
Figure imgf000011_0002
est la force utile estimée du cycliste.
En variante, plutôt que d'être exprimée sous forme d'une force linéaire, la force exercée par le cycliste pourrait être exprimée sous forme d'un couple. Par exemple, le couple en Nm peut être obtenu par l'équation suivante :
Figure imgf000011_0003
Dans encore un autre exemple, l'accélération en m/s2 générée par le cycliste pourrait être obtenue par l'équation suivante :
Figure imgf000011_0004
où M est la masse du cycliste et de la bicyclette.
Bien sûr, dans certains modes de réalisation, le moteur pourrait être coupé, de sorte que la force du moteur FM reste égale à zéro.
La figure 3 est un organigramme illustrant des étapes dans un procédé de détermination de la force d'un cycliste sur une bicyclette assistée par un moteur, comme la bicyclette 100 de la figure 1. Le procédé est par exemple mis en œuvre par l'ordinateur 106.
Dans une étape 301, une lecture de la vitesse v(k) de la bicyclette est par exemple obtenue. Dans certains modes de réalisation, cette vitesse peut être générée sur la base du signal <*¾ provenant d'un capteur de vitesse de roue ou d'une autre entrée. En variante, la vitesse v(k) peut être calculée sur la base d'une lecture de la vitesse du moteur CÛMOTOR' en radiants par seconde, et sur la base du rayon du moteur Rm, avec par exemple
Figure imgf000012_0001
Dans une étape 302, une valeur d'accélération a(k) est calculée sur la base de la valeur de vitesse, par exemple par un calcul de différentielle sur le signal de vitesse dans le temps.
Dans une étape 303, la fréquence d'un ou plusieurs harmoniques du signal d'accélération a(t) est par exemple déterminée. Le terme "harmonique" est utilisé pour désigner une fréquence fondamentale et/ou les première, deuxième, troisième, etc., fréquences harmoniques. Dans un mode de réalisation décrit plus en détail ci-après, les fréquences harmoniques sont déterminées sur la base d'un algorithme itératif.
La figure 4 est un graphique illustrant un exemple des amplitudes de composantes de fréquences du signal d'accélération. L'axe des fréquences présente par exemple la fréquence normalisée sous forme de fractions de la fréquence d'échantillonnage 1/Ts, où Ts est la période d'échantillonnage. Dans un mode de réalisation, la fréquence d'échantillonnage est égale à 20 Hz, et ainsi la période d'échantillonnage Ts est égale à 50 ms. Plus généralement, la fréquence d'échantillonnage est par exemple comprise entre 10 et 50 Hz.
Dans l'exemple de la figure 4, les fréquences harmoniques correspondent à des pics de la courbe de distribution de fréquence, référencés 402, 404 et 406, qui sont par exemple respectivement à environ 3, 5 et 9 Hz. Il y a aussi par exemple une composante de courant continu, DC, du signal d'accélération représentée par un pic 408 à 0 Hz. L'étape 303 de la figure 3 implique par exemple l'estimation de la fréquence d'un ou plusieurs des harmoniques 402, 404, 406.
En faisant de nouveau référence à la figure 3, dans une étape 304, un modèle est généré pour les forces présentes dans le système de bicyclette, sur la base des fréquences harmoniques. Ce modèle comprend une composante de force
Figure imgf000013_0001
.
Dans une étape 305, la composante de force
Figure imgf000013_0002
est extraite du modèle pour obtenir l'estimation de la force utile exercée par le cycliste.
Dans certains modes de réalisation, une autre étape 306 implique la détermination d'une valeur d'erreur ERROR associée à la force estimée
Figure imgf000013_0003
.
La figure 5 est un schéma blocs représentant les étapes
302 à 305 de la figure 3 plus en détail.
Un bloc 502 en figure 5 représente la mise en œuvre des étapes 302 et 303 de la figure 3. Le bloc 502 reçoit la valeur de vitesse v(k), et calcule, sur la base d'un modèle d'une fonction de transfert
Figure imgf000013_0006
les harmoniques
Figure imgf000013_0004
mis à jour sur la base de la valeur de vitesse v(k) .
Un bloc 504 en figure 5 représente la mise en œuvre des étapes 304, 305 et 306 de la figure 3. Le bloc 504 reçoit la valeur de vitesse v(k), les harmoniques
Figure imgf000013_0005
générés par le bloc
502, et la force du moteur La force du moteur FM peut par exemple être déterminée sur la base de la constante de vitesse du moteur Ke et d'une mesure du courant I fourni au moteur. En particulier, la force du moteur est par exemple générée sur la base du couple moteur ¾, égal par exemple à Ke*I, où Ke est la constante de vitesse du moteur et I est le courant. La force du moteur FM est donc par exemple égale à ¾/Rm, où Rm est le rayon du moteur, dans le cas d'un moteur à galet sur pneumatique, comme le moteur 102 de la figure 1. Le bloc 504 génère par exemple une estimation de la force utile exercée par le cycliste. Dans
Figure imgf000014_0010
certains modes de réalisation, le bloc 504 génère en outre une valeur d'erreur ERROR indiquant une marge d'erreur de l'estimation de force.
La figure 6 illustre le bloc 504 de la figure 5 plus en détail selon un exemple de réalisation.
Un modèle dynamique (DY AMIC MODEL) 606 reçoit par exemple la force du moteur Fj^k), les fréquences harmoniques
Figure imgf000014_0002
et une valeur d'erreur
Figure imgf000014_0009
obtenue en soustrayant, de la valeur de vitesse v(k), une estimation
Figure imgf000014_0004
de la vitesse. Le bloc 606 fournit par exemple un modèle dynamique mis à jour Xe(k) . Un bloc 608 représente l'extraction à partir du modèle dynamique Xe(k) de l'estimation de force
Figure imgf000014_0003
.
Un autre bloc 610 représente la détermination de l'erreur associée à l'estimation de force.
La figure 7 est un organigramme représentant le procédé de la figure 3 plus en détail selon un exemple de réalisation.
Après l'étape 301 dans laquelle la valeur de vitesse v(k) est lue, l'étape 302 implique par exemple le calcul de la valeur d'accélération a(k) sous forme d'une valeur ώΡ (k) basée sur la valeur de vitesse de pédale . Par exemple, la valeur
Figure imgf000014_0006
d'accélération de pédale
Figure imgf000014_0005
est calculée par l'équation suivante :
Figure imgf000014_0001
où est une valeur précédente de la vitesse de pédale, et
Figure imgf000014_0008
Ts est la période d'échantillonnage, par exemple égale à la période de temps entre les échantillons de la
Figure imgf000014_0007
vitesse de pédale. Bien sûr, plutôt que d'être basée sur la vitesse de pédale dans des variantes de réalisation la valeur
Figure imgf000015_0012
d'accélération a(k) pourrait être calculée sur la base d'un autre signal de vitesse.
Les étapes 703 à 705 de la figure 7 mettent en œuvre l'étape 303 de la figure 3, impliquant de trouver un ou plusieurs harmoniques du signal d'accélération.
L'étape 703 implique par exemple le calcul d'un vecteur φ sous la forme [r (k-1) ;r (k-2) ] , où et
Figure imgf000015_0002
Figure imgf000015_0003
Figure imgf000015_0004
L'étape 704 implique par exemple le calcul d'une valeur d'erreur ei(k) et d'un paramètre L(k).
La valeur d'erreur ei(k) est par exemple basée sur la formule suivante :
Figure imgf000015_0001
où
Figure imgf000015_0005
est par exemple un vecteur représentant une estimation des fréquences harmoniques et qui est initialisé à zéro, et
Figure imgf000015_0006
est une estimation de l'accélération.
Le paramètre L(k) est par exemple basé sur la formule suivante :
Figure imgf000015_0007
où FF est un facteur d'oubli, par exemple égal à 0,95, et P(k) est une matrice qui est par exemple initialisée à une certaine valeur, par exemple à une valeur de :
Figure imgf000015_0008
et est recalculée pour chaque nouvelle itération par la formule suivante :
Figure imgf000015_0009
Dans une étape 705, un vecteur d'harmonique
Figure imgf000015_0010
est par exemple généré sur la base de la formule suivante :
Figure imgf000015_0011
Par exemple, dans le cas d'un seul harmonique, vecteur d'harmonique
Figure imgf000016_0004
a par exemple la forme suivante
Figure imgf000016_0001
où représente la fréquence de l'harmonique, par exemple sous la forme
Figure imgf000016_0002
f étant la fréquence de l'harmonique, et
Figure imgf000016_0003
représente le facteur de qualité de l'harmonique, qui est par exemple proche de 1.
L'étape 304 implique par exemple des sous-étapes 706 et 707. Dans ces étapes, un modèle dynamique Xe représentant le système de bicyclette est par exemple modifié sur la base de la dernière valeur de vitesse v(k) . Par exemple, le modèle dynamique est basé sur l'équation suivante pour la force motrice de la bicyclette :
Figure imgf000016_0005
où représente la force exercée par le cycliste et
Figure imgf000016_0006
représente les autres forces contribuant à la force globale sur la bicyclette, comme le vent, le terrain, etc. Sur la base de cette équation, le modèle dynamique suivant Xe peut par exemple être défini comme étant un vecteur ayant les composantes suivantes :
Figure imgf000016_0007
où sont définis de la manière
Figure imgf000016_0008
suivante :
Figure imgf000016_0009
Dans une étape 706, une matrice Ad(k), et des vecteurs Ld(k) et P2 (k+1) sont par exemple calculés.
La matrice Ad(k) est par exemple calculée sur la base de la formule suivante :
Figure imgf000017_0001
où Ts est la période d'échantillonnage, et M est la masse de la bicyclette et du cycliste.
Le vecteur Ld(k) est par exemple calculé sur la base de la formule suivante :
Figure imgf000017_0002
où Cd est par exemple le vecteur [1 0 0 0] , et Vd est une constante représentant la covariance attendue des mesures de vitesse.
Le vecteur P2 (k+1) est par exemple calculé sur la base de la formule suivante :
Figure imgf000017_0003
où Wd est une matrice constante représentant la covariance attendue des perturbations de processus, c'est-à-dire la covariance des forces exogènes.
Dans une étape 707, le vecteur Xe(k+1) est par exemple calculé sur la base de la formule suivante :
Figure imgf000017_0004
où e2Çk) est une valeur d'erreur égale à est
Figure imgf000017_0005
une estimation de la vitesse v(k).
Dans une étape 305, la force
Figure imgf000017_0006
exercée par le cycliste est extraite, correspondant par exemple au troisième élément Xe(3) du vecteur Xe. Additionnellement, les autres forces
Figure imgf000017_0007
peuvent être extraites, celles-ci correspondant par exemple au deuxième élément Xe(2) du vecteur Xe.
L'étape 306 implique par exemple la détermination d'une valeur d'erreur
Figure imgf000017_0008
associée à la force estimée, comme cela est représenté par le bloc 610 en figure 6. La valeur d'erreur est par exemple déterminée sur la base de l'équation suivante pour un vecteur d'erreur ERROR du vecteur Xe :
Figure imgf000018_0001
La valeur d'erreur
Figure imgf000018_0002
est ensuite par exemple extraite en tant que troisième élément ERROR (3) du vecteur ERROR. Dans certains modes de réalisation, l'amplitude de la valeur d'erreur
Figure imgf000018_0004
est alors comparée à un niveau admissible, pour décider si l'estimation de force est suffisamment exacte pour être utile. Par exemple, l'opération suivante est mise en œuvre :
Figure imgf000018_0003
où ε est le niveau admissible, par exemple égal à une valeur comprise entre 2 et 10 pourcent, et dans certains modes de réalisation entre 2 et 5 pourcent.
Optionnellement, dans une étape 708, le moteur de la bicyclette est contrôlé sur la base de la force estimée, si par exemple la force estimée est déterminée dans l'étape 306 comme étant admissible.
La figure 8A est un graphique comprenant une courbe 802 représentant un exemple de l'accélération estimée produite par le cycliste avant de considérer les contraintes. Des lignes en pointillés 804 et 806 représentent respectivement les accélérations maximum et minimum produites par la pesanteur, en supposant une pente de route au maximum de 20 pourcent. Des courbes 808 et 810 représentent d'autres contraintes, calculées par exemple par le module 212 de la figure 2 en temps réel. En particulier, la courbe 808 représente l'accélération maximum produite par le poids du cycliste sur les pédales, ce signal tombant par exemple à zéro pendant des périodes dans lesquelles le cycliste arrête de pédaler. La courbe 810 représente par exemple l'accélération maximum en présence de pertes aérodynamiques.
La figure 8B est un autre graphique illustrant les contraintes 804, 806, 808 et 810 de la figure 8A, et illustrant en outre une courbe 812 représentant la force contrainte FC après avoir pris en compte les contraintes. En particulier, les courbes 804, 808 et 810 représentent des valeurs de contraintes maximum Cmax(t), alors que la courbe 806 représente une valeur de contrainte minimum Cmin(t) .
La force contrainte FC est par exemple égale à la force du cycliste non contrainte estimée F si aucune des contraintes n'est dépassée, par exemple puisque Cmin (t) <=F<=Cmax (t) . En variante, si F<Cmin(t), FC est par exemple égale à Cmin(t), et si F>Cmax(t), FC est par exemple égale à Cmax(t).
La figure 9 illustre schématiquement un ordinateur 900 agencé pour mettre en œuvre le procédé de la figure 3 et/ou de la figure 7 pour calculer une force de cycliste, et qui correspond par exemple à l'ordinateur 106 de la figure 1.
L'ordinateur 900 comprend par exemple un dispositif de traitement (P) 902 comportant un ou plusieurs processeurs sous le contrôle d'instructions mémorisées dans une mémoire d'instructions (INSTRUCTION MEMORY) 904. Une interface d'entrée (I/O INTERFACE) 906 permet par exemple d'introduire dans le dispositif de traitement 902 des lectures provenant de différents appareils de mesure, comme par exemple provenant du moteur électrique, et/ou d'un capteur de vitesse séparé. Une mémoire (MEMORY) 908 mémorise par exemple les divers paramètres, vecteurs et matrices décrits ci-avant pour la mise en œuvre du procédé.
Plutôt que d'être utilisés pour calculer une estimation de la force exercée par un cycliste, dans une variante de réalisation, les procédés des figures 3 et 7, et le dispositif de la figure 9, pourraient être appliqués pour estimer la force exercée par le vent sur les pales d'une éolienne, comme on va le décrire maintenant plus en détail en faisant référence à la figure 10.
La figure 10 illustre un exemple d' éolienne 1000, comprenant deux ou plusieurs pales 1002 couplées à un axe 1004, qui à son tour est couplé à un générateur d'électricité 1006. Parmi les équations 1 à 5 indiquées précédemment et représentant le modèle dynamique des forces sur la bicyclette, les équations 1, 2 et 5 restent par exemple inchangées, alors que les équations 2 et 3 sont par exemple remplacées par les équations suivantes 1' , 2' et 3' :
Figure imgf000020_0001
où ωτ est la vitesse de la turbine, et
Figure imgf000020_0002
est une estimation de la vitesse de la turbine, Ts est la période d'échantillonnage, I est l'inertie de la turbine,
Figure imgf000020_0003
est le couple appliqué par le générateur, égal par exemple à
Figure imgf000020_0004
où Ke est la constante de vitesse du moteur et
Figure imgf000020_0005
est Ie courant généré par le générateur, et
Figure imgf000020_0006
représente le couple total généré par le vent,
Figure imgf000020_0007
représentant une composante cyclique de ce couple. La vitesse de la turbine ωτ est par exemple détectée par un capteur de vitesse situé sur l'arbre principal de la turbine et/ou en utilisant une mesure de vitesse de générateur, basée par exemple sur des codeurs de rotation.
La vitesse du générateur dépend à la fois du couple produit par le vent et du couple produit par le générateur, qui est proportionnel au courant électrique
Figure imgf000020_0008
tiré du générateur. Dans certains modes de réalisation, l'estimation du couple
Figure imgf000020_0009
produit par le vent peut être utilisée pour contrôler la vitesse du générateur en contrôlant le niveau du courant
Figure imgf000020_0010
Un avantage du fait de contrôler le couple du générateur de cette manière est que l'on peut éviter des fluctuations cycliques dans la vitesse des pales 1002, évitant ou réduisant ainsi le risque d'endommager la turbine.
Un avantage des modes de réalisation décrits ici est qu'une force périodique ou sensiblement périodique dans un système mécanique ou électromécanique peut être estimée pratiquement en temps réel et avec une précision relativement élevée de manière relativement simple. Avec la description ainsi faite d'au moins un mode de réalisation illustratif, diverses altérations, modifications et améliorations apparaîtront facilement à l'homme de l'art. Par exemple, bien qu'un exemple particulier de modèle dynamique soit donné par les équations 1 à 5 susmentionnés, il apparaîtra clairement à l'homme de l'art que des modifications pourraient être faites à ces équations, par exemple pour prendre en compte des forces additionnelles présentes dans le système, et que les équations pourraient être adaptées à d'autres applications que les exemples de bicyclette et d'éolienne décrits ici.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé d'estimation d'une force périodique ou sensiblement périodique présente dans un système mécanique ou électromécanique, le procédé comprenant :
estimer, par un dispositif de traitement, une ou plusieurs fréquences harmoniques d'un signal d'accélération représentant une accélération dans le système, la force sensiblement périodique contribuant à ladite accélération ; et estimer, par le dispositif de traitement, la force sur la base d'un modèle dynamique du système, le modèle dynamique étant défini par lesdites une ou plusieurs fréquences harmoniques estimées.
2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le modèle dynamique est mis à jour sur la base d'un signal d'erreur (e2 (k) ) représentant la différence entre un signal de vitesse capturée (v(k)) et un signal de vitesse estimée
Figure imgf000022_0004
.
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, comprenant en outre la génération d'un signal d'accélération sur la base d'un calcul de différentielle dans le temps pour deux ou plusieurs valeurs d'un signal de vitesse représentant une vitesse angulaire ou linéaire dans le système.
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel l'estimation desdites une ou plusieurs fréquences harmoniques du signal d'accélération implique le calcul d'un signal d'erreur égal à :
Figure imgf000022_0001
où r(k) est une valeur d'accélération courante, et
Figure imgf000022_0002
est une estimation de l'accélération basée sur un vecteur
Figure imgf000022_0003
représentant les fréquences harmoniques et un vecteur φ représentant une ou plusieurs valeurs d'accélération précédentes.
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel le système mécanique ou électromécanique est une bicyclette assistée par un moteur, et la force périodique ou sensiblement périodique est la force de pédalage générée par le cycliste, et dans lequel le modèle dynamique comprend une ou plusieurs des estimations où chacune de
Figure imgf000023_0011
ces estimations est définie de la façon suivante :
Figure imgf000023_0001
où Ts est la période d'échantillonnage, M est la masse du cycliste et de la bicyclette, FM est la force générée par le moteur, et
Figure imgf000023_0002
représentent l'une des fréquences harmoniques,
Figure imgf000023_0003
est l'estimation de la force exercée par le cycliste, et
Figure imgf000023_0004
est une estimation d'autres forces dans le système.
6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel le système mécanique ou électromécanique est une éolienne, et la force périodique ou sensiblement périodique est une composante périodique de la force du vent sur les pales de l' éolienne, et dans lequel le modèle dynamique comprend une ou plusieurs des estimations
Figure imgf000023_0005
où chacune de ces estimations est définie de la manière suivante :
Figure imgf000023_0006
où Ts est la période d'échantillonnage, représentent l'une des fréquences harmoniques,
Figure imgf000023_0007
est l'estimation de la force exercée par le vent, et
Figure imgf000023_0008
est une estimation d' autres forces dans le système, où ωτ est la vitesse de la turbine, et
Figure imgf000023_0009
est une estimation de la vitesse de la turbine, I est l'inertie de la turbine, est Ie couple appliqué par le
Figure imgf000023_0010
générateur, égal par exemple à
Figure imgf000024_0001
où Ke est la constante de vitesse du moteur et
Figure imgf000024_0002
est Ie courant généré par le générateur, et
Figure imgf000024_0003
représente le couple total généré par le vent,
Figure imgf000024_0004
représentant une composante cyclique de ce couple.
7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel l'une ou plusieurs fréquences harmoniques comprennent au moins l'une parmi la fréquence fondamentale, la première fréquence harmonique, la deuxième fréquence harmonique et la troisième fréquence harmonique.
8. Dispositif de traitement agencé pour estimer une force périodique ou sensiblement périodique présente dans un système mécanique ou électromécanique, le dispositif de traitement étant agencé pour :
estimer une ou plusieurs fréquences harmoniques d'un signal d'accélération représentant une accélération dans le système, la force sensiblement périodique contribuant à l'accélération ; et
estimer la force sur la base d'un modèle dynamique du système, le modèle dynamique étant défini par lesdites une ou plusieurs fréquences harmoniques estimées.
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