WO2020001904A1 - Moteur electrique a courant continu sans balai et procede de commande associe - Google Patents

Moteur electrique a courant continu sans balai et procede de commande associe Download PDF

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WO2020001904A1
WO2020001904A1 PCT/EP2019/063879 EP2019063879W WO2020001904A1 WO 2020001904 A1 WO2020001904 A1 WO 2020001904A1 EP 2019063879 W EP2019063879 W EP 2019063879W WO 2020001904 A1 WO2020001904 A1 WO 2020001904A1
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WO
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rotor
electric motor
rotation
hall effect
effect sensor
Prior art date
Application number
PCT/EP2019/063879
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English (en)
Inventor
Jose-Luis Herrada
Original Assignee
Valeo Systemes D'essuyage
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P6/00—Arrangements for controlling synchronous motors or other dynamo-electric motors using electronic commutation dependent on the rotor position; Electronic commutators therefor
    • H02P6/14—Electronic commutators
    • H02P6/16—Circuit arrangements for detecting position
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P6/00—Arrangements for controlling synchronous motors or other dynamo-electric motors using electronic commutation dependent on the rotor position; Electronic commutators therefor
    • H02P6/20—Arrangements for starting

Definitions

  • the present invention relates to a brushless direct current electric motor intended in particular for motor vehicle equipment.
  • Brushless DC electric motors can have many advantages such as long life, space and consumption.
  • electric motors are more complex compared to brushed electric motors because to allow proper operation it is necessary to know precisely the angular position of the rotor of the brushless DC electric motor.
  • electric motors include electromagnetic excitation coils arranged at the stator and supplied alternately via an inverter to allow the driving of permanent magnets arranged on the rotor.
  • the determination of the position of the rotor, at start-up or at precise points to allow the switching of the inverter requires a plurality of sensors, for example Hall effect sensors to determine the precise points and an incremental sensor to determine the position at start.
  • the plurality of sensors could, as an example always, include three Hall effect sensors configured to identify six steps. These sensors tend to significantly increase the cost price of the electric motor.
  • the present invention relates to a method for controlling a brushless direct current electric motor, said electric motor comprising:
  • a Hall effect sensor configured to detect predetermined angular positions of the rotor
  • the possible rotor positions are determined as a function of the signal emitted by the Hall effect sensor
  • control process can also include at least one of the following aspects:
  • the Hall effect sensor is associated with a control magnet located on the rotor, said control magnet comprising a number of pairs of poles equal to three times the number of pairs of poles of the electric motor.
  • the rotor rotation lock is detected by a duration between two changes of state of the Hall effect sensor greater than a predetermined duration.
  • the electric motor includes an additional angular position sensor and during the step of applying the sequence of excitation signals, the direction of rotation of the rotor is determined and whether the rotor rotates in the direction of rotation opposite to the direction of rotation. desired, we resume the different stages of starting by choosing a different predetermined excitation signal.
  • the choice of a different predetermined excitation signal depends on the signal emitted by the Hall effect sensor during the previous start-up steps.
  • the electric motor comprises three phases and a rotor cycle can be divided into six angular portions associated respectively with six excitation signals, three angular portions corresponding to a first signal level of the Hall effect sensor and three other angular portions corresponding to a second signal level of the Hall effect sensor so that the predetermined excitation signal applied at startup corresponds to an excitation signal associated with one of the three angular portions corresponding to the level of the signal emitted by the Hall effect sensor.
  • the control method comprises six excitation signals, each excitation signal corresponding to the supply of a first phase by a positive voltage, the supply of a second phase by a negative voltage and a third phase connected to a mass.
  • the present invention also relates to a brushless direct current electric motor comprising:
  • a Hall effect sensor configured to detect angular positions predetermined rotor
  • control unit configured to apply predetermined excitation signals to the coils as a function of the position of the rotor to drive the rotor in rotation, said control unit also being configured during start-up for:
  • the electric motor can also include at least one of the following aspects:
  • the Hall effect sensor is associated with a control magnet located on the rotor, said control magnet comprising a number of pairs of poles equal to three times the number of pairs of poles of the electric motor.
  • the electric motor includes an additional angular position sensor and the control unit is also configured to determine the direction of rotation of the rotor during the step of applying the predetermined sequence of excitation signals and to resume the different steps of the start by choosing a different predetermined excitation signal if the rotor turns in the opposite direction of rotation from the desired direction of rotation.
  • the additional angular position sensor is a second Hall effect sensor.
  • the present invention also relates to a geared motor comprising: - an electric motor as described above,
  • a reduction mechanism connected on one side to the rotor of the electric motor and on the other side to an output shaft intended to be connected to an external mechanism, in particular a wiping system
  • the electric motor control unit is configured to determine a direction of rotation of the rotor from the additional angular position sensor and to determine the direction of rotation of the rotor during the step of applying the predetermined sequence of signals excitation and to resume the different stages of start-up by choosing a different predetermined excitation signal if the rotor turns in the opposite direction of rotation from the desired direction of rotation.
  • FIG. T represents a diagram of an electric motor and of its power supply according to a first embodiment
  • FIG. 2 represents a flow diagram of the various stages of the method for controlling an electric motor according to the present invention
  • FIG. 3 represents a diagram of the supply signals of the various phases as a function of the angle of rotation of the rotor
  • FIG. 4 represents a diagram of a signal supplied by a Hall effect sensor and the torque produced by the various excitation signals of FIG. 2 as a function of the angle of rotation of the rotor
  • FIG. 5 represents a diagram of an electric motor and of its supply according to a second embodiment.
  • the present invention relates to a brushless direct current electric motor, for example an electric motor used in motor vehicle equipment such as geared motors for wiping devices.
  • FIG. 1 represents a diagram of an electric motor 1, a supply device 3, a control module 5 and a module for determining the position of the rotor 7.
  • the electric motor 1 comprises a rotor 9 provided with at least two pairs of poles.
  • the pairs of poles are for example produced by permanent magnets distributed regularly around the periphery of the rotor 9.
  • the electric motor 1 also comprises a stator 11 having a plurality of electromagnetic excitation coils intended to interact with the poles of the rotor 9. These coils form the phases of the motor and their power is supplied by an inverter 13 coupled to a voltage source 15 to allow the rotor 9 to rotate.
  • an electric motor 1 comprising three phases will be considered, however the present invention is not limited to such an electric motor 1 but can also be adapted to electric motors 1 comprising a different number of phases.
  • the control of the electric motor 1 to obtain the desired rotation of the rotor 9 comprises a preliminary step 101 of determining the excitation signals to be applied to the phases of the electric motor 1 as a function of the position of the rotor 9.
  • a cycle can be divided into six angular portions each corresponding to a predefined state of excitation of the different phases.
  • FIG. 3 represents a diagram of the excitation signals associated with these different states denoted E1, E2, E3, E4, E5 and E6.
  • a state corresponds to an angular portion of 60 ° electrical. This means that the same excitation signal is applied to the coils of the stator 11 during a rotation of 60 ° electrical. The sequence of six states is then repeated to maintain the rotation of the rotor 9 over time.
  • control unit 5 comprises processing means such as for example a microcontroller or a microprocessor.
  • the signal Si corresponds to the supply signal of the first phase A
  • the signal S2 corresponds to the supply signal of the second phase B
  • the signal S3 corresponds to the supply signal of the third phase C.
  • the supply signals correspond to the application of a positive voltage V + or of a negative voltage V- or the absence of supply (switch open or connected to ground).
  • the first state E1 corresponds to the application of a voltage V + at the level of phase A, of a voltage V- at the level of phase B and the phase C connected to ground. This state must be applied for the angular portion of the rotor 9 between o and 6o ° electrical.
  • the second state E2 corresponds to the application of a voltage V + at the level of phase A, of a voltage V- at the level of phase C and phase B connected to ground. This state must be applied for the angular portion of the rotor 9 between 60 and 120 electrical degrees.
  • the third state E3 corresponds to the application of a voltage V + at the level of phase B, of a voltage V- at the level of phase C and phase A connected to ground. This state must be applied for the angular portion of the rotor 9 between 120 and 18 o 0 electric.
  • the fourth state E4 corresponds to the application of a voltage V + at the level of phase B, of a voltage V- at the level of phase A and the phase C connected to ground. This state must be applied for the angular portion of the rotor 9 between 180 and 240 electrical degrees.
  • the fifth state E5 corresponds to the application of a voltage V + at the level of phase C, of a voltage V- at the level of phase A and phase B connected to ground. This state must be applied for the angular portion of the rotor 9 between 240 and 300 electrical degrees.
  • the sixth state E6 corresponds to the application of a voltage V + at the level of phase C, of a voltage V- at the level of phase B and phase A connected to ground. This state must be applied for the angular portion of the rotor 9 between 300 and 360 ° electrical.
  • FIG. 4 represents a diagram of the signal C supplied by the Hall effect sensor 17 as well as the torque produced by the various excitation signals.
  • the curves fi, f2, f3, f4, fs and f6 correspond respectively to the torques generated by the excitation signals associated with the respective states Et, E2, E3, E4, E5 and E6 described above.
  • the Hall effect sensor 17 makes it possible to know the switching instants but does not make it possible to know the position of the rotor 9 at the start of so as to determine which is the excitation signal to be applied to generate a high torque allowing the rotation of the rotor 9 in the desired direction during this start-up.
  • the signal C supplied by the Hall effect sensor 17 makes it possible to determine three possible angular portions for the position of the rotor 9. In fact, if the signal supplied by the Hall effect sensor 17 corresponds to the high level, the rotor 9 is located in one of the following angular portions:
  • the rotor 9 is located in one of the following angular portions:
  • step 102 the possible portions relating to the position of the rotor 9 are determined from the signal supplied by the Hall effect sensor 17 ⁇
  • the rotor 9 can be located in one of the three possibilities described above (portion o ° -6o ° or 120 ° -I8O ° or 240 0 - 300 °) and we go to step 103 and if the signal supplied is at a low level then the rotor 9 can be located in one of the three possibilities described above (portion 60-120 ° or 180 ° -240 ° OR 300 ° -36O °) and we go to step 108.
  • step 103 one of the three possible angular portions is chosen arbitrarily. For example the portion o ° -6o °.
  • step 104 the predetermined excitation signal associated with the chosen position of the rotor 9 is applied, then, during the changes of state of the Hall effect sensor 17, the sequence of states of excitation signals determined previously is applied. and corresponding to the signals of FIG. 3.
  • the applied excitation signal will produce the torque associated with the curve fi at the 120 ° -I8O ° portion.
  • the torque produced is negative and therefore tends to rotate the rotor 9 in the opposite direction to the desired direction of rotation.
  • the rotor 9 will be in the portion 6o ° -i20 ° and the excitation signal applied will be that of the curve f2 producing the maximum torque in this portion 6o ° -i20 °.
  • the rotor 9 is then driven in rotation in the desired direction of rotation during this second portion.
  • the rotor 9 rotates less than 60 ° electric in the opposite direction before being driven in the desired direction.
  • the electric motor 1 is then synchronized so that the rotor 9 can then be driven in rotation with a high torque by applying the predetermined sequence of states of excitation signals at each switching.
  • the applied excitation signal will produce the torque associated with the curve fi at the 240 ° -300 ° portion, the torque produced is negative and therefore tends to rotate the rotor 9 in the opposite direction to the desired direction of rotation.
  • the rotor 9 therefore passes, at the next switching, in the portion 180 ° -240 ° where the signal applied is that producing the maximum torque in the portion 60 ° -20 °, that is to say the excitation signal associated with curve f2.
  • the curve f2 in the portion 180 ° -240 ° corresponds to a negative torque so that the rotor 9 continues to rotate in the opposite direction to the desired direction up to the portion 120 ° -80 ° during the next switching.
  • the applied excitation signal corresponds to that producing the maximum torque in the 120 ° -I8O ° portion, that is to say the signal associated with the curve f3.
  • the curve f3 in the portion 120 ° -I8O ° corresponds to the maximum torque in this portion so that the rotor 9 is then driven in the desired direction.
  • the rotor 9 then being synchronized with the predetermined excitation signals so that the rotor 9 is then driven in the desired direction and the predetermined sequence of states of excitation signals can be applied to each switch.
  • the rotor 9 travels less than 180 ° electric before being synchronized and driven in the desired direction and with a high torque.
  • step 107 one can choose one of the three possible portions and apply the excitation signal corresponding to one of these portions in step 108 and the driving of the rotor 9 in the desired direction should be obtained after less than one revolution of the rotor 9.
  • step 105 it is determined whether the rotor 9 is blocked or whether the application of the predetermined sequence of state of excitation signals of step 104 leads to the desired rotation of the rotor 9.
  • Locking in rotation of the rotor 9 is for example detected when the duration until the next change of state of the Hall effect sensor exceeds a predetermined time.
  • This predetermined time can advantageously be less than 1 s, more preferably less than 300 ms, or more preferably still less than 100 ms.
  • step 105 If a blockage of the electric motor 1 is detected in step 105, we go to step 103 'otherwise, the application of the sequence of states of excitation signals is continued.
  • step 103 ′ an arbitrarily chosen portion different from the portion chosen in step 103 is chosen from the three possible portions. For example the portion 120 ° -I8O ° if the portion chosen in step 103 was the portion o-6o °.
  • step 104 ' the predetermined excitation signal associated with the selected position of the rotor 9 is applied, then, during the changes of state of the Hall effect sensor 17, the sequence of states of determined excitation signals is applied. previously and corresponding to the signals of FIG. 3.
  • step 105 If a new blockage is detected in step 105 ', we go to step 103 "where we choose the last possible portion different from the portions chosen in steps 103 and 103', the 240 ° -300 ° portion in the present case.
  • step 104 " the predetermined excitation signal associated with the chosen position of the rotor 9 is applied, then, during the changes of state of the Hall effect sensor 17, the sequence of states of determined excitation signals is applied. previously and corresponding to the signals of FIG. 3.
  • Steps 109, 107 ', 108', 109 ', 107 ”, 108”, 109 “correspond respectively to steps 105, 103', 104 ', 105', 103", 104 "and 105" in the case where the sensor Hall effect 17 provides a low signal and the possible portions are the 6o ° -i20 °, I8O ° -240 ° and 300 ° -36O ° portions.
  • the method described above allows the starting of a brushless direct current electric motor 1 in which the rotor 9 is synchronized in less than one cycle and for which a single Hall effect sensor 17 is necessary, which makes it possible to reduce the number of sensors necessary for the operation of the electric motor 1 and thus reduce the cost of such electric motors 1.
  • an additional angular position sensor for example a second Hall effect sensor 17 ′ as shown in FIG. 5 or an incremental sensor.
  • the incremental sensor can be positioned at the level of an output shaft of the reducer so that the position of the rotor 9 is determined by taking into account the reduction ratio of the reducer.
  • This second sensor makes it possible in particular to rapidly detect, that is to say during a rotation of the rotor less than 6o ° for example, the rotation of the rotor 9 in the opposite direction to the desired direction and to restart the starting steps in choosing a different excitation signal for starting.
  • This second embodiment makes it possible to obtain faster synchronization of the electric motor 1 and therefore faster starting when the choice of the angular portion in which the rotor 9 is located does not correspond to the portion chosen arbitrarily.
  • this change of state of the Hall effect sensor 17 indicating the switching instants
  • this change of state should be taken into account (or even possibly these changes of states if the rotation is greater than 6o °) to determine the signal to be applied during the next start attempt.
  • the Hall effect sensor 17 provides a high level signal and the angular portion o- 6o ° is chosen to determine the excitation signal to be applied and then a rotation is detected in the opposite direction as well as a change of state of the Hall effect sensor 17, it is then necessary to choose, for the second attempt to start, one of the angular portions corresponding to a low level signal but by obscuring the portion angular 300 ° -3ôo ° which would amount to applying an excitation signal similar to the signal applied during the first attempt and leading to a rotation of the rotor 9 in the opposite direction to the desired direction of rotation.
  • the excitation signal producing a high torque is then chosen at the angular portion 60-120 ° or at the angular portion 180 ° -240 °, that is to say the signals respectively producing the torque of the curve f2 or of the curve ⁇ 4.
  • control method of the present invention makes it possible in particular to obtain a synchronization of a brushless direct current electric motor 1 in less than 180 ° electric using a single Hall effect sensor 17 or an even faster synchronization by using a second position sensor making it possible to determine the direction of rotation of the rotor in less than 60 ° electrical.
  • Such a control method therefore makes it possible to obtain reliable control of such an electric motor 1 at a reduced cost.

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  • Power Engineering (AREA)
  • Control Of Motors That Do Not Use Commutators (AREA)

Abstract

La présente invention concerne un procédé de commande d'un moteur électrique (1) à courant continu sans balai, ledit moteur électrique (1) comprenant : - un rotor (9) comprenant des éléments magnétiques répartis autour du rotor, - un stator (11) présentant des bobines d'excitation électromagnétique, - un capteur à effet Hall (17) configuré pour détecter des positions angulaires prédéterminées du rotor (9), le procédé comprenant : - une étape préliminaire (101) de détermination des signaux d'excitation à appliquer aux bobines en fonction de la position du rotor (9) pour entraîner le rotor (9) en rotation, - les étapes suivantes de démarrage du moteur électrique (1) : - on détermine (103) les positions possibles du rotor (9) en fonction du signal émis par le capteur à effet Hall (17) (102), - on applique (104) un signal d'excitation prédéterminé associé à l'une des positions possibles du rotor (9), - on applique (104) ensuite une séquence prédéterminée de signaux d'excitation à chaque changement d'état du capteur à effet Hall (17), - si on détecte un blocage (105) en rotation du rotor (9), on reprend les différentes étapes du démarrage (102-104) en choisissant un signal d'excitation prédéterminé différent.

Description

MOTEUR ELECTRIQUE A COURANT CONTINU SANS BALAI ET PROCEDE DE COMMANDE ASSOCIE
La présente invention concerne un moteur électrique à courant continu sans balai destiné notamment à des équipements de véhicule automobile.
De nombreux moteurs électriques à courant continu sans balais sont utilisés dans les équipements de véhicules automobiles notamment dans les motoréducteurs des dispositifs d'essuyage.
Les moteurs électriques à courant continu sans balai peuvent présenter de nombreux avantages comme une grande durée de vie, un encombrement et une consommation réduits.
Cependant, la commande des moteurs électriques est plus complexe par rapport aux moteurs électriques à balais car pour permettre un bon fonctionnement il est nécessaire de connaître précisément la position angulaire du rotor du moteur électrique à courant continu sans balai. En effet, de tels moteurs électriques comprennent des bobines d'excitation électromagnétique disposées au niveau du stator et alimentées alternativement via un onduleur pour permettre l'entraînement d'aimants permanents disposés sur le rotor.
Or, afin de pouvoir commuter les interrupteurs de l'onduleur et donc l'alimentation des bobines électromagnétiques à des instants optimaux pour obtenir l'entraînement désiré du rotor, il convient de connaître la position du rotor au moins par secteurs avec quelques points précis lors de la commutation d'état (en général pour une excitation trapézoïdale, six commutations à chaque tour du rotor).
De plus, au moment du démarrage il est nécessaire de connaître la position du rotor de manière à pouvoir appliquer un signal d'excitation adéquat. Il est possible d'utiliser un capteur de position dédié mais cela représente un coût supplémentaire.
Or, la détermination de la position du rotor, au démarrage ou à des points précis pour permettre les commutations de l'onduleur requiert une pluralité de capteurs, par exemple des capteurs à effet Hall pour déterminer les points précis et un capteur incrémental pour déterminer la position au démarrage. Dans le cas d’un motoréducteur triphasé, la pluralité de capteur pourrait, à titre d’exemple toujours, comprendre trois capteurs à effet Hall configurés pour identifier six pas. Ces capteurs tendent à augmenter significativement le coût de revient du moteur électrique.
Il convient donc de trouver une solution permettant de limiter le nombre de capteurs nécessaire au fonctionnement du moteur électrique de manière à réduire le coût global du moteur électrique.
A cet effet, la présente invention concerne un procédé de commande d'un moteur électrique à courant continu sans balai, ledit moteur électrique comprenant :
- un rotor comprenant des éléments magnétiques répartis autour du rotor,
- un stator présentant des bobines d'excitation électromagnétique,
- un capteur à effet Hall configuré pour détecter des positions angulaires prédéterminées du rotor,
le procédé comprenant :
- une étape préliminaire de détermination des signaux d'excitation à appliquer aux bobines en fonction de la position du rotor pour entraîner le rotor en rotation,
- les étapes suivantes de démarrage du moteur électrique :
- on détermine les positions possibles du rotor en fonction du signal émis par le capteur à effet Hall,
- on applique un signal d'excitation prédéterminé associé à l'une des positions possibles du rotor,
- on applique ensuite une séquence prédéterminée de signaux d'excitation à chaque changement d'état du capteur à effet Hall,
- si on détecte un blocage en rotation du rotor, on reprend les différentes étapes du démarrage en choisissant un signal d'excitation prédéterminé différent.
Le procédé de commande peut également comprendre au moins l'un des aspects suivants :
Le capteur à effet Hall est associé à un aimant de commande situé sur le rotor, ledit aimant de commande comprenant un nombre de paire de pôles égal à trois fois le nombre de paire de pôles du moteur électrique.
Le blocage en rotation du rotor est détecté par une durée entre deux changements d'état du capteur à effet Hall supérieure à une durée prédéterminée.
Le moteur électrique comprend un capteur de position angulaire supplémentaire et pendant l'étape d'application de la séquence de signaux d'excitation, on détermine le sens de rotation du rotor et si le rotor tourne dans le sens de rotation inverse du sens de rotation désiré, on reprend les différentes étapes du démarrage en choisissant un signal d'excitation prédéterminé différent.
Le choix d'un signal d'excitation prédéterminé différent dépend du signal émis par le capteur à effet Hall lors des étapes précédentes du démarrage.
Le moteur électrique comprend trois phases et un cycle du rotor peut être divisée en six portions angulaires associées respectivement à six signaux d'excitation, trois portions angulaires correspondant à un premier niveau de signal du capteur à effet Hall et trois autres portions angulaires correspondant à un deuxième niveau de signal du capteur à effet Hall de sorte que le signal d'excitation prédéterminé appliqué au démarrage correspond à un signal d'excitation associé à l'une des trois portions angulaires correspondant au niveau du signal émis par le capteur à effet Hall .
Le procédé de commande comprend six signaux d'excitation, chaque signal d’excitation correspondant à l'alimentation d'une première phase par une tension positive, l'alimentation d'une deuxième phase par une tension négative et une troisième phase reliée à une masse.
La présente invention concerne également un moteur électrique à courant continu sans balai comprenant :
- un rotor comprenant des éléments magnétiques répartis autour du rotor,
- un stator présentant des bobines d'excitation électromagnétique,
- un capteur à effet Hall configuré pour détecter des positions angulaires prédéterminées du rotor,
- une unité de commande configurée pour appliquer des signaux d'excitation prédéterminés aux bobines en fonction de la position du rotor pour entraîner le rotor en rotation, ladite unité de commande étant également configurée lors du démarrage pour :
- déterminer les positions possibles du rotor en fonction du signal émis par le capteur à effet Hall,
- appliquer un signal d'excitation prédéterminé associé à l’une des positions possibles du rotor,
- appliquer ensuite une séquence prédéterminée de signaux d'excitation à chaque changement d'état du capteur à effet Hall,
- reprendre les différentes étapes du démarrage en choisissant un signal d'excitation prédéterminé différent si un blocage en rotation du rotor est détecté.
Le moteur électrique peut également comprendre au moins l'un des aspects suivants :
Le capteur à effet Hall est associé à un aimant de commande situé sur le rotor, ledit aimant de commande comprenant un nombre de paire de pôles égal à trois fois le nombre de paire de pôles du moteur électrique.
Le moteur électrique comprend un capteur de position angulaire supplémentaire et l'unité de commande est également configurée pour déterminer le sens de rotation du rotor pendant l'étape d'application de la séquence prédéterminée de signaux d'excitation et pour reprendre les différentes étapes du démarrage en choisissant un signal d'excitation prédéterminé différent si le rotor tourne dans le sens de rotation inverse du sens de rotation désiré.
Le capteur de position angulaire supplémentaire est un deuxième capteur à effet Hall.
La présente invention concerne également un motoréducteur comprenant : - un moteur électrique tel que décrit précédemment,
- un mécanisme réducteur relié d'un côté au rotor du moteur électrique et de l'autre côté à un arbre de sortie destiné à être relié à un mécanisme externe, notamment un système d'essuyage,
- un capteur de position angulaire supplémentaire situé au niveau de l'arbre de sortie,
dans lequel l'unité de commande du moteur électrique est configurée pour déterminer un sens de rotation du rotor à partir du capteur de position angulaire supplémentaire et pour déterminer le sens de rotation du rotor pendant l'étape d'application de la séquence prédéterminée de signaux d'excitation et pour reprendre les différentes étapes du démarrage en choisissant un signal d'excitation prédéterminé différent si le rotor tourne dans le sens de rotation inverse du sens de rotation désiré.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description suivante, donnée à titre d'exemple et sans caractère limitatif, en regard des dessins annexés sur lesquels : la figure t représente un schéma d'un moteur électrique et de son alimentation selon un premier mode de réalisation,
la figure 2 représente un organigramme des différentes étapes du procédé de commande d'un moteur électrique selon la présente invention, la figure 3 représente un schéma des signaux d'alimentation des différentes phases en fonction de l'angle de rotation du rotor,
la figure 4 représente un schéma d'un signal fourni par un capteur à effet Hall et le couple produit par les différents signaux d'excitation de la figure 2 en fonction de l'angle de rotation du rotor,
la figure 5 représente un schéma d'un moteur électrique et de son alimentation selon un deuxième mode de réalisation.
Sur toutes les figures, les éléments identiques portent les mêmes numéros de référence. Les réalisations suivantes sont des exemples. Bien que la description se réfère à un ou plusieurs modes de réalisation, ceci ne signifie pas nécessairement que chaque référence concerne le même mode de réalisation ou que les caractéristiques s'appliquent seulement à un seul mode de réalisation. De simples caractéristiques de différents modes de réalisation peuvent également être combinées ou interchangées pour fournir d'autres réalisations.
La présente invention concerne un moteur électrique à courant continu sans balais, par exemple un moteur électrique utilisé dans des équipements de véhicules automobiles comme les motoréducteurs des dispositifs d'essuyage.
La figure 1 représente un schéma d'un moteur électrique 1, un dispositif d'alimentation 3, un module de commande 5 et un module de détermination de la position du rotor 7.
Le moteur électrique 1 comprend un rotor 9 muni d'au moins deux paires de pôles. Les paires de pôles sont par exemple réalisées par des aimants permanents répartis régulièrement sur le pourtour du rotor 9.
Le moteur électrique 1 comprend également un stator 11 présentant une pluralité de bobines d'excitation électromagnétique destinées à interagir avec les pôles du rotor 9. Ces bobines forment les phases du moteur et leur alimentation est assurée par un onduleur 13 couplé à une source de tension 15 pour permettre la mise en rotation du rotor 9. Dans la suite de la description, on considérera un moteur électrique 1 comprenant trois phases, néanmoins la présente invention ne se limite pas à un tel moteur électrique 1 mais peut également s'adapter à des moteurs électriques 1 comprenant un nombre de phases différent.
Les différentes étapes du procédé permettant le démarrage du moteur électrique 1 vont maintenant être décrites à partir de l'organigramme de la figure 2.
La commande du moteur électrique 1 pour obtenir la rotation désirée du rotor 9 comprend une étape préliminaire 101 de détermination des signaux d'excitation à appliquer aux phases du moteur électrique 1 en fonction de la position du rotor 9.
Dans le cas d'un moteur comprenant trois phases, il est nécessaire de commuter les bobines d'excitation six fois à chaque cycle (360° électriques) pour pouvoir entraîner le moteur électrique t en rotation (dans le cas d'une excitation trapézoïdale). Ainsi, un cycle peut être divisé en six portions angulaires correspondant chacune à un état d'excitation prédéfinie des différentes phases.
La figure 3 représente un schéma des signaux d'excitation associés à ces différents états notés El, E2, E3, E4, E5 et E6. Un état correspond à une portion angulaire de 6o° électriques. Cela signifie que le même signal d'excitation est appliqué aux bobines du stator 11 pendant une rotation de 6o° électriques. La séquence de six d'états est ensuite répétée pour maintenir la rotation du rotor 9 au cours du temps.
Certaines des étapes du procédé, notamment les étapes suivant l'étape 101, sont par exemple réalisées par l'unité de commande 5. L'unité de commande 5 comprend des moyens de traitement comme par exemple un microcontrôleur ou un microprocesseur.
Sur la figure 3, le signal Si correspond au signal d'alimentation de la première phase A, le signal S2 correspond au signal d'alimentation de la deuxième phase B et le signal S3 correspond au signal d'alimentation de la troisième phase C. Les signaux d'alimentation correspondent à l'application d'une tension positive V+ ou d'une tension négative V- ou l'absence d'alimentation (interrupteur ouvert ou relié à la masse).
Le premier état El correspond à l'application d'une tension V+ au niveau de la phase A, d'une tension V- au niveau de la phase B et la phase C reliée à la masse. Cet état doit être appliqué pour la portion angulaire du rotor 9 comprise entre o et 6o° électriques.
Le deuxième état E2 correspond à l'application d'une tension V+ au niveau de la phase A, d'une tension V- au niveau de la phase C et la phase B reliée à la masse. Cet état doit être appliqué pour la portion angulaire du rotor 9 comprise entre 60 et 120° électriques.
Le troisième état E3 correspond à l'application d'une tension V+ au niveau de la phase B, d'une tension V- au niveau de la phase C et la phase A reliée à la masse. Cet état doit être appliqué pour la portion angulaire du rotor 9 comprise entre 120 et 18 o 0 électriques.
Le quatrième état E4 correspond à l'application d'une tension V+ au niveau de la phase B, d'une tension V- au niveau de la phase A et la phase C reliée à la masse. Cet état doit être appliqué pour la portion angulaire du rotor 9 comprise entre 180 et 240° électriques.
Le cinquième état E5 correspond à l'application d'une tension V+ au niveau de la phase C, d'une tension V- au niveau de la phase A et la phase B reliée à la masse. Cet état doit être appliqué pour la portion angulaire du rotor 9 comprise entre 240 et 300° électriques.
Le sixième état E6 correspond à l'application d'une tension V+ au niveau de la phase C, d'une tension V- au niveau de la phase B et la phase A reliée à la masse. Cet état doit être appliqué pour la portion angulaire du rotor 9 comprise entre 300 et 360° électriques.
Afin d'appliquer ces signaux d'excitation au bon moment, il est nécessaire de connaître la position du rotor 9 de manière précise au moins aux instants de commutation qui correspondent au passage d'un état à un autre, c'est-à-dire tous les 6o° électriques. Cette détermination peut être obtenue en utilisant un capteur à effet Hall 17 combiné à un aimant de commande 19 comprenant un nombre de pôles égal à trois fois le nombre de pôles du moteur électrique 1. L'aimant de commande 19 est couplé en rotation au rotor 9. Un tel capteur à effet Hall 17 couplé à une unité de détermination de la position du rotor 7 permet de déterminer précisément, via l'unité de commande 5, les instants de commutation des signaux d'alimentation des bobines d'excitation électromagnétiques formant les phases du moteur électrique 1.
La figure 4 représente un schéma du signal C fourni par le capteur à effet Hall 17 ainsi que le couple produit par les différents signaux d'excitation. Les courbes fi, f2, f3, f4, fs et f6 correspondent respectivement aux couples générés par les signaux d'excitation associés aux états respectifs Et, E2, E3, E4, E5 et E6 décrits précédemment.
Ainsi, en appliquant le signal d'excitation prédéfini à la figure 3 pour chaque portion angulaire, un couple élevé (correspondant aux sommets des courbes fi...f6) est généré à chacun des états permettant la mise en rotation du moteur électrique 1 dans le sens de rotation désiré (pour une mise en rotation dans le sens inverse, l'ordre des états devra être inversé).
Toutefois, le capteur à effet Hall 17 permet de connaître les instants de commutation mais ne permet pas de connaître la position du rotor 9 au démarrage de manière à déterminer quel est le signal d'excitation à appliquer pour générer un couple élevé permettant la rotation du rotor 9 dans le sens désiré lors de ce démarrage.
Cependant, le signal C fourni par le capteur à effet Hall 17 permet de déterminer trois portions angulaires possibles pour la position du rotor 9. En effet, si le signal fourni par le capteur à effet Hall 17 correspond au niveau haut, le rotor 9 se situe dans l'une des portions angulaires suivantes :
- la portion o°-6o° associée à l'état Et,
- la portion 120°-I8O° associée à l'état E3,
- la portion 240°-300° associée à l’état E5,
et si le signal C fourni par le capteur à effet Hall 17 correspond au niveau bas, le rotor 9 se situe dans l'une des portions angulaires suivantes :
- la portion 6o°-i20° associée à l'état E2,
- la portion I8O°-240° associée à l'état E4,
- la portion 300°-36o° associée à l'état E6.
Ainsi, au démarrage, lors de l'étape 102, on détermine les portions possibles concernant la position du rotor 9 à partir du signal fourni par le capteur à effet Hall 17·
Si le signal fourni est au niveau haut alors le rotor 9 peut être situé dans l'une des trois possibilités décrites précédemment (portion o°-6o° ou 120°-I8O° ou 2400- 300°) et on passe à l'étape 103 et si le signal fourni est au niveau bas alors le rotor 9 peut être situé dans l'une des trois possibilités décrites précédemment (portion 60- 120° ou I8O°-240° OU 300°-36O°) et on passe à l'étape 108.
A l'étape 103, on choisit de manière arbitraire l'une des trois portions angulaires possibles. Par exemple la portion o°-6o°.
A l'étape 104 on applique le signal d'excitation prédéterminé associé à la position choisie du rotor 9 puis, lors des changements d'état du capteur à effet Hall 17, on applique la séquence d'états de signaux d'excitation déterminée précédemment et correspondant aux signaux de la figure 3.
On choisit donc arbitrairement l'une des trois portions angulaires, par exemple la portion o°-6o° et on applique le signal d'excitation fournissant le couple le plus élevé dans cette portion, c'est-à-dire le signal d'excitation associé à la courbe fi. Si le rotor 9 est effectivement dans la portion o°-6o° au moment du démarrage, le signal d'excitation appliqué fournit alors le couple maximal et le moteur électrique 1 démarre de façon correcte et dans le sens de rotation désiré et on applique ensuite les différents signaux d'excitation prédéterminés à chaque commutation, c'est-à-dire à chaque changement d'état du capteur à effet Hall 17. Dans ce premier cas, le démarrage est réalisé normalement.
Si le rotor 9 est en réalité dans la portion 120°-I8O° au moment du démarrage, le signal d'excitation appliqué produira le couple associé à la courbe fi au niveau de la portion 120°-I8O°. Le couple produit est négatif et tend donc à faire tourner le rotor 9 dans le sens inverse du sens de rotation désiré. Cependant, au signal de commutation suivant, le rotor 9 sera dans la portion 6o°-i20° et le signal d'excitation appliqué sera celui de la courbe f2 produisant le couple maximal dans cette portion 6o°-i20°. Le rotor 9 est alors entraîné en rotation dans le sens de rotation désiré lors de cette deuxième portion. Ainsi, dans ce deuxième cas, le rotor 9 fait une rotation inférieure à 6o° électrique dans le sens inverse avant d'être entraîné dans le sens désiré. Le moteur électrique 1 est alors synchronisé de sorte que le rotor 9 peut alors être entraîné en rotation avec un couple élevé en appliquant la séquence prédéterminée d'états de signaux d'excitation à chaque commutation.
Si le rotor 9 est en réalité dans la portion 240°-300° au moment du démarrage, le signal d'excitation appliqué produira le couple associé à la courbe fi au niveau de la portion 240°-300°, le couple produit est négatif et tend donc à faire tourner le rotor 9 dans le sens inverse du sens de rotation désiré. Le rotor 9 passe donc, à la commutation suivante, dans la portion I8O°-240° où le signal appliqué est celui produisant le couple maximal dans la portion 6o°-i20°, c'est-à-dire le signal d'excitation associé à la courbe f2. La courbe f2 dans la portion I8O°-240° correspond à un couple négatif de sorte que le rotor 9 continue à tourner en sens inverse au sens désiré jusqu'à la portion 120°-I8O° lors de la commutation suivante. A cet instant, le signal d'excitation appliqué correspond à celui produisant le couple maximal dans la portion 120°-I8O°, c'est-à-dire le signal associé à la courbe f3. La courbe f3 dans la portion 120°-I8O° correspond au couple maximal dans cette portion de sorte que le rotor 9 est alors entraîné dans le sens désiré. Le rotor 9 étant alors synchronisé avec les signaux d'excitation prédéterminés de sorte que le rotor 9 est alors entraîné dans le sens désiré et la séquence prédéterminée d’états de signaux d'excitation peut être appliquée à chaque commutation. Ainsi dans ce troisième cas, le rotor 9 parcours moins de 180° électriques avant d'être synchronisé et entraîné dans le sens désiré et avec un couple élevé.
De la même manière, si à l'étape 102 le signal fourni par le capteur à effet Hall 17 est un signal bas, on peut choisir à l'étape 107 l'une des trois portions possibles et appliquer le signal d'excitation correspondant à l'une de ces portions à l'étape 108 et l'entraînement du rotor 9 dans le sens désiré devrait être obtenu après moins d'un tour de rotor 9.
A l'étape 105, on détermine si le rotor 9 est bloqué ou si l’application de la séquence prédéterminée d'état de signaux d'excitation de l'étape 104 conduit à la rotation désirée du rotor 9.
En effet, il est possible qu'au démarrage le rotor 9 soit bloqué dans une position extrémale, dans laquelle le couple fourni par le signal d'excitation est nul ou presque, par exemple si le rotor 9 est dans la position 120° et que le signal d'excitation produisant la courbe de couple fi est appliqué.
Le blocage en rotation du rotor 9 est par exemple détecté lorsque la durée jusqu'au changement d'état suivant du capteur à effet Hall dépasse un temps prédéterminé. Ce temps prédéterminé peut avantageusement être inférieur à 1 s, plus préférablement inférieur à 300 ms, ou plus préférablement encore inférieur à 100 ms.
Cependant, d'autres méthodes, peuvent également être utilisées pour détecter un blocage en rotation, par exemple via un capteur situé sur un arbre de sortie ou via des mesures d'une grandeur électrique dépendante de la rotation du rotor 9.
Si un blocage du moteur électrique 1 est détecté à l'étape 105, on passe à l'étape 103' sinon, on continue l'application de la séquence d'états de signaux d'excitation.
A l'étape 103', on choisit de manière arbitraire une portion différente de la portion choisie à l'étape 103 parmi les trois portions possibles. Par exemple la portion 120°-I8O° si la portion choisie à l'étape 103 était la portion o-6o°.
A l'étape 104' on applique le signal d'excitation prédéterminé associé à la position choisie du rotor 9 puis, lors des changements d'état du capteur à effet Hall 17, on applique la séquence d'états de signaux d'excitation déterminée précédemment et correspondant aux signaux de la figure 3.
Si un nouveau blocage est détecté à l'étape 105', on passe à l'étape 103" où l'on choisit la dernière portion possible différente des portions choisies aux étapes 103 et 103', la portion 240°-300° dans le cas présent.
A l'étape 104" on applique le signal d'excitation prédéterminé associé à la position choisie du rotor 9 puis, lors des changements d'état du capteur à effet Hall 17, on applique la séquence d'états de signaux d'excitation déterminée précédemment et correspondant aux signaux de la figure 3.
Les étapes 109, 107’, 108', 109', 107”, 108”, 109" correspondent respectivement aux étapes 105, 103', 104', 105', 103", 104" et 105" dans le cas où la capteur à effet Hall 17 fournit un signal bas et les portions possibles sont les portions 6o°-i20°, I8O°-240° et 300°-36O°.
Ainsi, le procédé décrit précédemment permet le démarrage d'un moteur électrique 1 à courant continu sans balai dans lequel le rotor 9 est synchronisé en moins d'un cycle et pour lequel un seul capteur à effet Hall 17 est nécessaire ce qui permet de réduire le nombre de capteurs nécessaires au fonctionnement du moteur électrique 1 et ainsi de réduire le coût de tels moteurs électriques 1.
Selon un deuxième mode de réalisation de la présente invention, il est également possible d'utiliser un capteur de position angulaire supplémentaire, par exemple un deuxième capteur à effet Hall 17' comme représenté sur la figure 5 ou un capteur incrémental. Dans le cas d'un motoréducteur, le capteur incrémental peut être positionné au niveau d'un arbre de sortie du réducteur de sorte que la position du rotor 9 est déterminée en tenant compte du rapport de réduction du réducteur.
Ce deuxième capteur permet notamment de détecter rapidement, c'est-à-dire lors d'une rotation du rotor inférieure à 6o° par exemple, la rotation du rotor 9 dans le sens inverse du sens désiré et de recommencer les étapes de démarrage en choisissant un signal d'excitation différent pour le démarrage. Ce deuxième mode de réalisation permet d'obtenir une synchronisation plus rapide du moteur électrique 1 et donc un démarrage plus rapide lorsque le choix de la portion angulaire dans laquelle se trouve le rotor 9 ne correspond pas à la portion choisie arbitrairement. De plus, si un changement d'état du capteur à effet Hall 17 (indiquant les instants de commutation) a lieu lors de la tentative de démarrage, il convient de prendre en compte ce changement d'état (voire éventuellement ces changements d'états si la rotation est supérieure à 6o°) pour déterminer le signal à appliquer lors de la tentative de démarrage suivante. Ainsi, si lors du premier démarrage, le capteur à effet Hall 17 fournit un signal de niveau haut et que l'on choisit la portion angulaire o- 6o° pour déterminer le signal d'excitation à appliquer puis que l'on détecte une rotation dans le sens inverse ainsi qu'un changement d'état du capteur à effet Hall 17, il convient alors de choisir, pour la deuxième tentative de démarrage, l'une des portions angulaires correspondant à un signal de niveau bas mais en occultant la portion angulaire 300°-3ôo° qui reviendrait à appliquer un signal d'excitation similaire au signal appliqué lors de la première tentative et conduisant à une rotation du rotor 9 dans le sens opposé au sens de rotation désiré. On choisit alors le signal d'excitation produisant un couple élevé au niveau de la portion angulaire 60-120° ou de la portion angulaire I8O°-240°, c'est à dire les signaux produisant respectivement le couple de la courbe f2 ou de la courbe {4.
Ainsi, le procédé de commande de la présente invention permet d'obtenir notamment une synchronisation d'un moteur électrique 1 à courant continu sans balai en moins de 180° électriques en utilisant un seul capteur à effet Hall 17 ou une synchronisation encore plus rapide en utilisant un deuxième capteur de position permettant de déterminer le sens de rotation du rotor en moins de 6o° électriques. Un tel procédé de commande permet donc d'obtenir une commande fiable d'un tel moteur électrique 1 pour un coût réduit.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de commande d'un moteur électrique (1) à courant continu sans balai, ledit moteur électrique (1) comprenant :
- un rotor (9) comprenant des éléments magnétiques répartis autour du rotor,
- un stator (11) présentant des bobines d'excitation électromagnétique,
- un capteur à effet Hall (17) configuré pour détecter des positions angulaires prédéterminées du rotor (9),
le procédé comprenant :
- une étape préliminaire (101) de détermination des signaux d'excitation à appliquer aux bobines en fonction de la position du rotor (9) pour entraîner le rotor (9) en rotation,
- les étapes suivantes de démarrage du moteur électrique (1) :
- on détermine (103) les positions possibles du rotor (9) en fonction du signal émis par le capteur à effet Hall (17) (102),
- on applique (104) un signal d'excitation prédéterminé associé à l'une des positions possibles du rotor (9),
- on applique (104) ensuite une séquence prédéterminée de signaux d'excitation à chaque changement d'état du capteur à effet Hall
(17),
- si on détecte un blocage (105) en rotation du rotor (9), on reprend les différentes étapes du démarrage (102-104) en choisissant un signal d'excitation prédéterminé différent.
2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel le blocage en rotation du rotor est détecté par une durée entre deux changements d'état du capteur à effet Hall (17) supérieure à une durée prédéterminée.
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2 dans lequel le moteur électrique (1) comprend un capteur de position angulaire supplémentaire et dans lequel pendant l'étape d'application de la séquence de signaux d'excitation on détermine le sens de rotation du rotor (9) et si le rotor (9) tourne dans le sens de rotation inverse du sens de rotation désiré, on reprend les différentes étapes du démarrage en choisissant un signal d'excitation prédéterminé différent.
4. Procédé de commande selon l'une des revendications précédentes dans lequel le choix d'un signal d'excitation prédéterminé différent dépend du signal émis par le capteur à effet Hall (17) lors des étapes précédentes du démarrage.
5. Procédé de commande selon l'une des revendications précédentes dans lequel le moteur électrique (1) comprend trois phases et un cycle du rotor (9) peut être divisé en six portions angulaires associées respectivement à six signaux d'excitation, trois portions angulaires correspondant à un premier niveau de signal du capteur à effet Hall (17) et trois autres portions angulaires correspondant à un deuxième niveau de signal du capteur à effet Hall (17) de sorte que le signal d'excitation prédéterminé appliqué au démarrage correspond à un signal d'excitation associé à l'une des trois portions angulaires correspondant au niveau du signal émis par le capteur à effet Hall (17).
6. Procédé de commande selon la revendication précédente comprenant six signaux d'excitation, chaque signal d'excitation correspondant à l'alimentation d'une première phase par une tension positive, l'alimentation d'une deuxième phase par une tension négative et une troisième phase reliée à une masse.
7. Moteur électrique (1) à courant continu sans balai comprenant :
- un rotor (9) comprenant des éléments magnétiques répartis autour du rotor,
- un stator (11) présentant des bobines d'excitation électromagnétique,
- un capteur à effet Hall (17) configuré pour détecter des positions angulaires prédéterminées du rotor,
- une unité de commande (5) configurée pour appliquer des signaux d'excitation prédéterminés aux bobines en fonction de la position du rotor (9) pour entraîner le rotor (9) en rotation, ladite unité de commande (5) étant également configurée lors du démarrage pour : - déterminer les positions possibles du rotor en fonction du signal émis par le capteur à effet Hall (17),
- appliquer un signal d'excitation prédéterminé associé à l'une des positions possibles du rotor,
- appliquer ensuite une séquence prédéterminée de signaux d'excitation à chaque changement d'état du capteur à effet Hall (17),
- reprendre les différentes étapes du démarrage en choisissant un signal d'excitation prédéterminé différent si un blocage en rotation du rotor (9) est détecté.
8. Moteur électrique (1) selon la revendication précédente dans lequel le capteur à effet Hall (17) est associé à un aimant de commande (19) situé sur le rotor (9), ledit aimant de commande (19) comprenant un nombre de paire de pôles égal à trois fois le nombre de paire de pôles du moteur électrique (1).
9. Moteur électrique (1) selon la revendication 7 ou 8 comprenant un capteur de position angulaire supplémentaire et dans lequel l'unité de commande (5) est également configurée pour déterminer le sens de rotation du rotor (9) pendant l'étape d'application de la séquence prédéterminée de signaux d'excitation et pour reprendre les différentes étapes (102-104) du démarrage en choisissant un signal d'excitation prédéterminé différent si le rotor (9) tourne dans le sens de rotation inverse du sens de rotation désiré.
10. Moteur électrique (1) selon la revendication 9 dans lequel le capteur de position angulaire supplémentaire est un deuxième capteur à effet Hall (17').
11. Motoréducteur comprenant :
- un moteur électrique (1) selon la revendication 7 ou 8,
- un mécanisme réducteur relié d'un côté au rotor du moteur électrique et de l'autre côté à un arbre de sortie destiné à être relié à un mécanisme externe, notamment un système d'essuyage,
- un capteur de position angulaire supplémentaire situé au niveau de l'arbre de sortie, dans lequel l'unité de commande (5) du moteur électrique (1) est configurée pour déterminer un sens de rotation du rotor (9) à partir du capteur de position angulaire supplémentaire et pour déterminer le sens de rotation du rotor (9) pendant l'étape d'application de la séquence prédéterminée de signaux d'excitation et pour reprendre les différentes étapes (102-104) du démarrage en choisissant un signal d'excitation prédéterminé différent si le rotor (9) tourne dans le sens de rotation inverse du sens de rotation désiré.
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