Brevet FR2010991A1 — publié le 19700227

La présente invention est relative aux circuits de commande des moteurs tournant pas à pas et en particulier à un dispositif de réglage de la vitesse pour moteurs pas à pas de grande résolution. Les moteurs de ce type sont largement utilisés dans les dispositifs numé— 5 riques. Un tel moteur comprend ordinairement plusieurs enroulements qui sont excités sélectivement au moyen d'un circuit logique pour commander la rotation pas à pas du moteur. L'invention n'est pas relative à ce circuit logique (qui peut être du type décrit au brevet des Etats-Unis d'Amérique 3 287 569)i ce circuit étant ordinairement fourni avec le moteur par son fabricant. 10 Lors de la rotation pas à pas d'un moteur il est évidemment nécessaire que le moteur suive les impulsions électriques de commande qu'il reçoit. Pour en être assuré, on utilise couramment pour la commande du moteur une régulation par contre-réaction en boucle fermée : c'est-à-dire que lorsque l'on utilise une telle régulation pour le moteur pas à pas on peut atteindre des 15 vitesses d'entraînement pas à pas plus élevées que par d'autres procédés. Pour réaliser cette contre-réaction, on utilise souvent un disque de contre-réaction, entraîné par un moteur, pour former -au moyen de positions de retenue disposées sur le disque et d'un ou plusieurs détecteurs coopérant avec ces positions— un train d'impulsions de contre-réaction pour entraîner pas 20 à pas le moteur. Un tel disque présente autant de positions de retenue que le noteur présente de positions de retenue magnétique (voir les brevets des Etats-Unis d'Amérique 3 324 369 et 3 345 547)• Un moteur tournant pas à pas, de grande résolution, est un moteur qui compte un grand nombre de positions de retenue magnétique, par tour de son 25 axe de sortie. La technique de régulation par contre-réaction que l'on a décrit plus haut est difficile à mettre en oeuvre avec les moteurs pas à pas de grande résolution car les disques de contre-réaction ne peuvent ordinairement présenter un très grand nombre de positions de retenue sur leur périphérie. Pour un diamètre de disque donné, en effet, on ne peut dépasser 30 un certain nombre de positions de retenue et si, pour augmenter ce nombre, on utilise un disque de plus grand diamètre, on augmente l'inertie de ce disque et donc la charge du moteur qui doit l'entraîner. Pour permettre la commande en boucle fermée d'un moteur pas à pas de haute résolution, on a suggéré d'utiliser la technique illustrée sur la Fig. 1 qui représente une 35 vue en perspective d'un dispositif de la technique antérieure que l'on a perfectionné par la présente invention. A la Fig. 1, on a représenté un moteur pas à pas 10 de grande résolution c'est-à-dire un moteur qui présente par exemple 200 positions de retenue magnétique 15 par tour de son arbre 12 (le pas angulaire de ces positions 69 34309 2 2010991 ét:-v„r. ar conséquent de 1,8°), ce moteur entraînant un disque de contre-réaction 14. Le disque 14 est de diamètre suffisamment faible pour pouvoir être entraîné rapidement pair le moteur 10. Cependant, en raison de ses faibles dimensions, le disque ne peut porter sur sa périphérie que 50 posi-5 tions de retenue 16, par exemple. Ces positions 16 peuvent prendre toute forme convenable telle que par exemple des encoches distinctes ou des petits aimants placés sur la périphérie du disque. Puisqu'il y a plus de positions de retenue magnétique 15 qu'il n'y a de positions 16 sur le disque, on utilise des détecteurs (en nombre égal au nombre de positions de retenue magné— 10 tique divisé par le nombre de positions du disque) pour constituer la commande par contre-réaction du moteur 10. De tels détecteurs 18 doivent être soigneusement alignés, les alignements devant être maintenus malgré les vibrations, etc., au niveau de la périphérie du disque 16 pour que, le moteur étant entraîné pas à pas, à chaque instant unœul détecteur 18 soit aligné 15 avec une position 16 du disque. Les impulsions formées par les détecteurs 18 alimentent un circuit logique qui, en réponse à ces impulsions, excite sélectivement les enroulements du moteur 10. Puisque le moteur est commandé par sa propre sortie, il peut tourner à une vitesse aussi grande que possible sans qu'apparaisse un déphasage avec «on entrée. 20 L'invention permet de résoudre la difficulté qui consiste à aligner précisément les détecteurs 18 avec les positions de retenue 16 du disque, ainsi qu'à disposer ces détecteurs les uns par rapport aux autres, dans un dispositif de commande en boucle fermée associé à un moteur pas à pas de haute résolution. En outre, tandis que le moteur de la Fig. 1 tourne a une vitesse 25 qui est déterminée principalement par sa capacité propre à tourner pas à pas, l'invention permet de réaliser une commande en boucle fermée pour un entraînement pas à pas de haute résolution, la vitesse d'entraînement pouvant prendre diverses valeurs données. Suivant l'invention, on propose d'utiliser une commande en boucle fermée 30 utilisant un générateur d'impulsions pour l'entraînement d'un moteur pas à pas. Mais plutôt que de forcer un tel moteur à avancer pas à pas en suivant le générateur d'impulsions, c'est la fréquence de sortie du générateur d'impulsions qui s'adapte à la capacité qu'a le moteur à suivre.les impulsions qui déterminent son entraînement pas à pas. Suivant l'invention, le rapport 35 de l'intervalle de temps qui sépare deux impulsions consécutives formées par le générateur à l'intervalle de temps que demande le moteur pour avancer d'un pas en réponse à la réception d'une impulsion donnée venue du générateurs est maintenu sensiblement constant. Dans un dispositif pour la mise en oeuvre de l'invention, on utilise un disque de contre-réaction pouf la commande en 40 boucle fermée d'un moteur pas à pas. Cependant,, l'invar.?ion iibèr-s le BAD ORIGINAL 69 34309 3 2010991 10 15 20 25 30 35 disque de la charge consistant à fournir au moteur les impulsions de commande. Le disque fournit simplement des impulsions qui sont comparées, en phase, aux impulsions fournies par le générateur d'impulsions en vue d'un réglage de la fréquence de ce générateur, comme on l'a vu plus haut. Puisque le disque ne sert pas à la génération des impulsions de commande du moteur, il n'est plus nécessaire de prévoir un ensemble de détecteurs -accompagné des problèmes d'alignement qui y sont attachés- pour permettre la commande en boucle fermée d'un moteur pas à pas de grande résolution. Comme on le décrira plus loin, le mode de réalisation préféré de l'invention peut fonctionner soit en boucle ouverte soit en boucle fermée. Par ailleurs, le dispositif s'étalonne automatiquement de lui-même, quel que soit le ■ornent où il passe d'un mode de fonctionnement dans l'autre. Le dispositif de commande, suivant l'invention, d'un moteur pas à pas qui entraîne par incréments une charge, les enroulements du moteur étant alimentés sélectivement par des impulsions électriques transmises par un circuit logique, est caractérisé en ce qu'il comprend un générateur d'impulsions de fréquence variable alimentant le circuit logique et detmoyens pour faire varier la fréquence de ces impulsions en fonction inverse de la grandeur de la charge. Au dessin annexé, donné seulement à titre d'exemple : - la Fig. 1 représente un dispositif de commande associé à un moteur pas & pas, de la technique antérieure ; - la Fig. 2 est un diagramme fonctionnel du dispositif de commande d'un aeteur pas à pas suivant l'invention ; - la Fig. 3 représente une série de diagrammes d'impulsions utiles pour décrire le fonctionnement du dispositif de la Fig. 2 ; - la Fig. 4 est ion diagramme fonctionnel d'un circuit logique utilisé pour mettre en oeuvre l'invention dans son mode de réalisation préféré ; et - la Fig. 5 représente un groupe de diagrammes d'impulsions qui servent à décrire le fonctionnement du circuit de la Fig. 4* A la Fig. 2, on a représenté un moteur pas à pas de haute résolution 10* qui, tout en entraînant une charge, fait tourner d'un pas un disque de contre-réaction 14* • Ce disque 14' est similaire au disque 14 de la Fig-. 1« ses *•" ' ' ' ' " r 18*0 moteur 10' est entraîné pas à pas par dea impulsions f ©Braies par im circuit logique 20'. Le disque de cosii re-réôct ion 14* est dispos® sur 12* du moteur de façon qu'après quatr© impulsions appliquées au moteur 10°, lias position 16* vienne B'aligner au niveau du détecteur 18% - 69 34309 4 201099.1 Un générateur d'impulsions de fréquence variable 22*, co®rî>,andé au moyen d'une tension, forme un train d'impulsions qui alimente un circuit logique 20'. Les générateurs de ce type sont bien connus et prennent souvent la forme de multivibrateurs astables (voir par exemple "Electronic and Radio Engineering" 5 auteur : Frederick Terman, édition : Me Graw Hill Publishing Company, Inc., U.S.A., 1965> Paêes 628-631), Après chaque groupe de quatre impulsions alimentant le c t logique 20e, un circuit 24', également relié au générateur 22' pou] voir les impulsions, forme une impulsion de sortie qui alimente un circuit flip-flop 26'. Le circuit 24' peut prendre la forme d'un 10 compteur d'impulsions classique qui se vide et revient à zéro après quatre impulsions. Le circuit flip-flop 26' est au départ dans l'état indiqué ; les impulsions venues du circuit 24' régleront la bascule flip-flop *ur l'état "10". Les impulsions formées par la détection des positions de retenue 16' du disque par le détecteur 18 replacent la bascule flip-flop dans l'état "01". 15 Un circuit intégrateur 28' produit un signal électrique continu dont 1© niveau est proportionnel à l'intervalle de temps pendant lequel la bascule flip-flop 26' reste en l'état indiqué. Ce signal continu, (seul ou additionné algébriquement avec une tension de réglage de la vitesse) est utilisé pour commander la fréquence du générateur d'impulsions 22*. 20 Comme on l'a indiqué plus haut, la commande en boucle fermée du moteur 10', suivant l'invention, permet d'obtenir que le générateur d'impulsion 22' suiif® en fréquence/ ^ • /la capacité du moteur 10* à répondre aux impulsions de commande qu'il reçoit. Puisque les impulsions d'armement et de réarmement qui alimentent la bascule flip-flop 26' interviennent l'une après l'autre avec un certain intervalle 25 de temps qui dépend de la charge du moteur, la fréquence du générateur d'impulsion 22' variera en fonction inverse de cette charge, pour maintenir ainsi constant le rapport de la période das impulsions du générateur à l'intervalle de temps que prend le moteur pour réagir à une impulsion donnée. Tel qu'il est utilisé ici, le terme "charge" concerne les facteurs qui influencent la valeur 30 du couple que doit fournir le moteurs Pour comprendre commenton obtient cela on se reporte à la Fig. 3 où lea formes d'onde a à e représsntent les tensions qui apparaissent aus points a à © du. diagramme fonctionnel de la Fig® 2„ Sup*» posons tout d'abord que le moteur 103 sa.'satsaîa® aucune charge. Les impulsioîîc (a) du générateur sont rsprésaatées comme apparaissant à une fréquence rele-35 tivement élevée puisque 1'intervalle àt.,f c'est-à-dire l'intervalle d® tsops eue prend le moteur mon chargé peur tourner d'un pas (c) après avoir r-eça usa isipulsion (b), est faibls. Par conséquent l'intégrale par rapport au temps (a) de la. sortie du flip-flop 26* sst assez élevée0 Si cependant, une charge était placée sur 1s moteur 10® déterminent w& intervalleplus g?sa& goux- il 40 tourner d'un pas (c*) après avoir reçu «ae impulsion (b*) l'iatégrale ose BAD ORIGINAL 69 34309 5 2010991 rapport au temps (e') de la sortie (d') de la bascule sera plus faible. Par conséquent, lorsqu'il y a une charge sur un moteur 10 la fréquence de la sortie du générateur 22' décroît (b") pour que le rapport reste constant (T est la- période de la sortie du générateur). Ainsi le moteur reste en phase 5 avec les impulsions qu'il reçoit, quelle que soit la vitesse à laquelle il est entraîné. Le fonctionnement du circuit de la Fig. 2 est basé sur l'utilisation d'impulsions venues du générateur 22' qui servent d'impulsions de référence pour les impulsions fournies par le détecteur 18'. Si au lieu de cela on utilise 10 les impulsions venues du générateur, les techniques décrites ci-dessus peuvent être employées pour la commande en boucle ouverte ou en boucle fermée du moteur, bous une forme qui permet 1'autoétalonnage du dispositif. A la Fig. 4, un générateur d'impulsions à fréquence variable 22" fournit des impulsions, par l'intermédiaire d'un circuit logique 20", à un moteur pas à pas 10" de 15 haute résolution, à une fréquence proportionnelle à la tension développée aux bornes d'un potentiomètre 28a. Le moteur 10" entraîne un disque de contre-réaction 14" découpé d'encoches sur sa périphérie, le moteur présentant un nombre de paaitioBB de rôtenue magnétique qui est un multiple entier (4 par exemple) du nombre d'encoches 16" du disque 14". Une cellule photosensible 18" capte 20 la lumière venue d'une lampe 18a à chaque fois qu'une encoche 16" du disque s'aligne sur l'axe qui va de la cellule à la lampe. La tension appliquée aux bornes du potentiomètre 28a dérive d'un intégrateur 28" qui fournit un signal continu dont le niveau est proportionnel à l'intégrale par rapport au temps du signal de sortie d'une bascule flip-flop 26'. 25 La bascule 26" est représentée sur la Fig. 4 dans l'état "01". Les impulsions de sortie de la cellule 18" alimentent une porte ET 32" qui est ouverte ou fermée par une bascule flip-flop 34", à chaque fois qu'un interrupteur 36" se ferme ou s'ouvre,respectivement (un interrupteur 38" étant simultanément ouvert ou fermé). 30 Les impulsions de sortie de la porte ET 32" alimentent la bascule 26" pour la commuter lorsque cette bascule est dans son état "10". En dehors du fait qu'elles sont appliquées au circuit logique 20", les impulsions du générateur 22" alimentent, en vue d'un étalonnage, des portes ET 36" et 38", d'inhibition, dont les impulsions de sortie alimentent, par 35 l'intermédiaire d'une porte OU 40", un compteur 24". Le compteur 24" est du type à remise à zéro après un comptage jusqu'à 4. Sa sortie alimente une bascule 26" pour réarmer celle-ci (état "10"). Lorsque la bascule 26" est dans son état "01" elle maintient la porte ET 36" ouverte. C'est seulement lorsque le compteur 24" fournit une impulsion de sortie que la porte 38" d'inhibition 40 est maintenue fermée. 69 34309 6 2010991 L'interrupteur 38" étant fermé (et l'interrupteur 36"' ouvert), le circuit de la Fig. 4 entraîne pas à pas le moteur 10" suivant une commande en boucle ouverte à faible vitesse (forme d'onde A - Fig. 5) qui dépend du niveau de repos de la sortie A" de l'intégrateur 28". Un tel circuit s'éta-5 lonne automatiquement de lui-même comme suit : (a) si la bascule flip-flop 26" est dans l'état "01" et si le compteur 24" est dans l'une quelconque de ses positions sauf la position zéro, la porte ET 36" reste ouverte en permettant ainsi aux impulsions du générateur 22" de ramener le compteur à aéro, instant auquel le compteur se vide pour ramener à 10 l'état "10" la bascule flip-flop 26". (b) si la bascule flip-flop 26" est dans son état iiitial'10" souhaité et si le compteur 24" n'est pas sur séro , l'impulsion du générateur traversera la porte 38" pour ramener le compteur 24" sur zéro. Puisque le flip-flop 26" est alors déjà dans son état "10" souhaité il y restera. 15 (c) si le compteur 24" est sur zéro, et si le flip-flop 26" est dans l'état "01", le compteur 24" avancera de quatre pas jusqu'à ce qu'il revienne à zéro pour former une impulsion d'inhibition de la porte 38" et pour ramener simultanément le flip-flop 26" dans l'état "10". Le compteur 24" et la bascule 26" étant dans leuas états initiaux souhaités 20 (soit zéro pour l'un et "10" pour l'autre), le dispositif de commande du moteur de la Fig. 4 peut être réglé dans son mode de fonctionnement en boucle fermée de grande vitesse. Cela s'obtient par la fermeture de l'interrupteur 36" et 1'ouverture qui s'ensuit de la porte 32". Le compteur 24" et le flip-flop 26" resteront cependant à la fois dans leurs états initiaux jusqu'à ce qu'une 25 encoche 16" du disque 14" se centre sur le faisceau de la cellule 18", pour ramener le flip-flop 26" dans l'état "01" de façon que des impulsions puissent être appliquées au compteur 24", par l'intermédiaire de la porte ET 36", pour écarter le compteur de sa position d'inhibition ZERO. Supposons maintenant que le moteur 10" n'entraîne aucune charge et sup-30 posons que l'interrupteur 36" est fermé à 1*instantTo, l'entraînement pas à pas en boucle fermée (forme d'onde B, Fig. 5) est déterminée comme suit : à l'instant qui, en raison de l'absence de charge sur le moteur, intervient peu après l'impulsion qui apparaît à l'instant , une encoche 16" du disque 14" détermine la formation d'une impulsion (forme d'onde C) qui ramène le 35 flip-flop 26" dans l'état "01". Un peu plus tard, à l'instant la première impulsion venue du générateur 22" alimente le compteur 24". A l'instant (forme d'onde D), le compteur 24" ramène le flip-flop 26" dans l'état "10". Ainsi, le flip-flop 26" est maintenu dans son état "01" pendant un intervalle de temps relativement long (forme d'onde E) et il s'ensuit que l'intégrateur 28" 40 établit un signal de niveau élevé (forme d'onde B') qui correspond à la 69 34309 7 2010991 fréquence des impulsions du moteur (forme d'onde B). Si on suppose maintenant que l'on place soudain -une charge sur le moteur 10" à l'instant l'impulsion (forme d'onde C) qui provient de la cellule 18" sera retardée en raison de cette charge jusqu'à l'instant î^. Il en résulte que la durée pendant 5 laquelle le circuit flip-flop 26" est maintenu dans son état "01" est abrégée, ce qui diminue par là l'amplitude du signal (formé d'onde B') qui est fourni par l'intégrateur 28". En outre cela détermine l'abaissement de la fréquence des impulsions de sortie du générateur 22** pour maintenir constant le rapport et pour maintenir ainsi le moteur en phase avec ses impulsions d'sxeita-10 tion. On comprendra que tandis que le circuit de la Figo 2 utilise des impulsions venues du générateur d'impulsions comme impulsions do référeneo pour les impulsions de contre-réaction et que, par conséquent, ga circuit doit nécessairement être étalonné au départ, le circuit à® la Figo 4 emploie 15 une procédure inverse, permet 1'aut©étalonnage sans mis® en repérage initiais tout en réalisant les buts de l'invention» On pourrait utiliser un nombre de pas magnétiques 15 s«stee «pie 4 jpaur chaque position de retenue du disque 16 et d* autres rapports eatr-o les nombres de ces pas et de ces positions. Se m$me, bien que l°on a décrit une. 20 comparaison impulsion par impulsion, le compteur pourrait être réglé de façon à compter jusqu'à 8 par exemple, les positions de retenus intermédiaire du disque étant alors sautées peur la réalisation des ecapsrsisosss à"ispulsions. BÂD 69 34309 8 2010991 REVENDICATIONS 1 - Dispositif de commande d'un moteur pas à pas qui entraîne par incréments une charge| les enroulements du moteur étant alimentés sélectivement par des impulsions électriques transmises par un circuit logique, caractérisé 5 en ce qu'il comprend un générateur d'impulsions de fréquence variable alimentant le circuit logique et des moyens pour faire varier la fréquence de ces impulsions en fonction inverse de la grandeur de la charge» ' 2 - Dispositif conforme à la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un organe entraîné pas à pas par l'arbre de sortie du moteur pour former 10 un'train d'impulsions dont la fréquence est proportionnelle à la vitesse d'entraînement du moteur, chaque impulsion de ce train étant associée à une impulsion correspondante du train d'impulsions formé par le générar-teur, et des moyens alimentés par ces deux trains d'impulsions pour faire varier la fréquence de la sortie du générateur en fonction inverse de 15 l'intervalle de temps séparant les impulsions correspondantes des deux trains. 3 - Dispositif conforme à la revendication 2, dans lequel l'organe entraîné pas à pas développe un premier nombre d'impulsions au cours d'un tour complet de l'axe du moteur, dans lequel le nombre de positions de retenue 20 magnétique du moteur est égal à un multiple entier n de ce premier nombre, et dans lequel les moyens qui varient la fréquence de sortie du générateur sont caractérisés en ce qu'ils comprennent un agencement électronique alimenté par les impulsions du générateur et fournissant à sa sortie une impulsion pour chaque groupe de n impulsions à l'entrée, un circuit élec-25 tronique alimenté par la sortie de l'agencement et les impulsions déve loppées par l'organe entraîné pas à pas pour fournir à sa sortie un signal proportionnel à l'intervalle de temps séparant l'apparition des impulsions d'une paire d'impulsions correspondantes reçues à l'entrée, un organe électronique pour faire varier la fréquence de sortie de géné— 30 rateurs d'impulsions en fonction de ce dernier signal. 4 - Dispositif conforme à la revendication 3, caractérisé en ce qu'il com prend des moyens logiques permettant de modifier sélectivement ce signal. 5 — Dispositif de commande d'un moteur pas à pas présentant un premier nom bre de positions de retenue magnétique, du type qui comprend un disque 35 de contre-réaction entraîné par le moteur et présentant un second nombre entier/ de positions de retenue, le premier nombre étant Tin multiple/n du second, un capteur associé au disque pour détecter le centrage d'une position de retenue du disque sur l'axe du capteur, un circuit logique pour exciter sélectivement les enroulements du moteur suivant une séquence prédéter-40 minée, caractérisé en ce qu'il comprend (a) un générateur d'impulsions 69 34309 9 2010991 de fréquence variable qui alimente le circuit logique, (b) un compteur alimenté par la sortie du générateur et formant une impulsion à sa sortie pour n impulsions reçues à l'entrée, (c) une bascule électronique bistable commandée par la sortie du capteur et celle du compteur et, (d) un appa-5 reil électrique pour régler la fréquence de sortie du générateur en fonction du temps pendant lequel la bascule reste dans l'un de ses deux états. 6 - Dispositif conforme à la revendication 5> caractérisé en ce que le géné rateur est commandé en fréquence par un signal électrique continu, l'appareil électriqu* fournissant un signal électrique continu proportionnel au 10 temps pendant lequel la bascule reste dans l'un de ses états, un agencement logique permettant de modifier sélectivement ce signal continu pour établir diverses vitesses d'entraînement pas à pas du moteur. 7 - Dispositif conforme à la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif logique qui commande le compteur de façon que celui-ci n'émet-15 te une impulsion qu'après avoir reçue n impulsions, et qui maintient la bascule bistable dans son second état pour que l'appareil électrique fournisse un signal continu représentatif d'une vitesse d'entraînement pas à paB faible, ce dispositif logique étant conçu pour maintenir ces réglages du compteur et de la bascule jusqu'à ce que la bascule soit ramenée à son 20 premier état dans lequel le dispositif logique coopère avec le capteur pour maintenir la bascule dans cet état.