Brevet FR2012538A1 — publié le 19700320

l'invention se rapporte à une servo-commande de vitesse et, plus particulièrement, à une servo-commande précise du vecteur de phase et de la vitesse d'un dispositif entrainé, dans une large gamme de vitesses comprenant notamment des vitesses très faibles. les spécialistes de cette technique imagineront aisément diverses applications de la servo-commanae suivant l'invention. Il est bon de mentionner ici qu'il stest avéré extrêmement désirable de l'utiliser dans des appareils d'enregistrement à bande magnétique. Elle assure, dans cette application particulière, un contrôle de vitesse et de phase précis du cabestan d' entraînement de la bande. En outre, dans les appareils d'enregistrement à bande du type à têtes rotatives, elle se prête bien à un contrôle précis de vitesse et de phase du tambour porte-t8tes. La servo-commande suivant l'invention assure une servo-commande à accrochage de phase capable de fonctionner à de très faibles vitesses sans limitation de largeur de bande passante due à des signaux de réaction de basse fréquence et par exemple à des basses fréquences tachymétriques. Il existe diverses servo-commandes antérieures qui sont généralement satisfaisantes en ce qui concerne la servo-commande de la vitesse tant que la fréquence du signal de réaction est largement supérieure à la bande passante de servo-commande. Des dispositifs d'asservissement à données-échantillons comprenant des comparateurs de phase numériques sont souvent utilisés dans la technique antérieure . Toutefois, ces comparateurs de phase numériques limitent considérablement la fréquence de recouvrement de gain du système d' asservissement lorsque le signal de réaction tachymétrique est de basse fréquence. Des circuits d'échantillonnage et de retenue sont également couramment employés. Toutefois, ils introduisent des retards temporels.Ces dispositifs de la technique antérieure imposent de toute évidence des limitations à la rapidité de réponse, à la servo-commande à faible vitesse et au contrôle de vitesse sur une large gamme. Ces limitations sont indésirables dans les systèmes à vitesses multiples très compliqués tels que les dérouleurs des appareils d'enregistrement à bande magnétique à vitesses multiples. l'invention a pour objet une servo-commande à accrochage de phase perfectionnée permettant de contraler la position d'un dispositif d'entraînement rotatif tel qu'un cabestan d'un appareil d'enregistrement à bande magnétique. Cette servo-commande comprend une boucle de calculateur de composantes dans laquelle les signaux en quadrature sont engendrés pour indiquer la position effective du dispositif. Ces signaux sont déphasés entre eux d'environ 900 électriques et peuvent être représentés approximativement pas E,sinA et E,cosA, où À représente la position angulaire effective de l'élément entraîné.Deux signaux de référence en quadrature, par exemple X,sinWt, et K,cosWt, où W représente la position et la.vitesse angulaire désirées, sont également engendrés par un moyen amplificateur et de mise en quadrature. les quatre signaux sont reçus par un circuit arithmétique et combinés pour former un signal de la forme générale E"sin(Wt-A). L'erreur de position est alors représentée par (Wt-À) étant donné que pour de faibles valeurs de (Wt-A), sin (Wt-A) est sensiblement égal à (Wt-B). En conséquence, le dispositif d'asservissement corrige alors l'erreur de vecteur de phase indiquée par le signal d'erreur de façon qu'on obtienne un dispositif d'asservissement à accrochage de phase pouvant fonctionner à de faibles vitesses sans limitation de largeur de bande passante due à un filtrage de porteuse et sans qu'il soit nécessaire de prévoir un montage de filtrage. L'invention enseigne en outre que lorsqu'on désire une large gamme de vitesses, la servo-commande peut être accrochée en vitesse en y incorporant un discriminateur en combinaison avec la boucle du calculateur de composantes. La fréquence du discriminateur compare la source de fréquence de référence et un signal indicatif de la vitesse effective. Lorsqu'une différence existe, un ordre impératif d'accélération ou de décélération prépondérant sur le signal de sortie du calculateur de composantes est engendré jusqu'a ce que 1' accrochage en vitesse soit réalisé. Une fois que l'accrochage en vitesse est obtenu, les ordres d'accélération et de décélération deviennent négligeables et permettent au calculateur de composantes de prendre la commande en vue de l'accrochage en phase. l'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui suit et à l'examen des dessins joints, qui en représentent, à titre d'exemple non limitatif, plusieurs modes de réalisation. Sur ces dessins la figure 1 est un schéma symbolique généralisé d'un dispositif d'asservissement à accrochage de phase suivant-ltinvention tel qu'il est utilisé pour la commande du cabestan d'un appareil d'enregistrement à bande magnétique, et la figure 2 est un schéma symbolique généralisé du dispositif de la figure 1 comprenant un discrininateur destiné à engendrer des signaux d'ordre d'accélération et de décélération lorsqu'un accrochage de vitesse ntest pas établi entre la source de référence et l'élément entraîné. Le schéma généralisé de la figure 1 indique un mode de réalisation qui s'est avéré utile pour la servo-commande du cabestan d' un dérouleur de bande magnétique. Sur la figure 1, un moteur de cabestan 3 est le dispositif d'entraînement dont la vitesse de rotation et la position angulaire doivent être contr81ées. Comme il est bien connu dans la technique des dérouleurs de bande magnétique, le cabestan entraîne la bande et est un facteur déterminant de la vitesse longitudinale précise à laquelle la bande défile de l'un à 1( autre de ses moyens d'emmagasinage. le moteur de cabestan 3 est accouplé à un ensemble de tachymètre optique désigné par la référence générale 4.L'ensemble 4 comprend un réseau de diffraction avec une série de marques sur un disque de verre 5 qui est centré et monté de façon rigide sur l'arbre du moteur de cabestan, une source lumineuse représentée sous la forme d'une paire d'ampoules électriques d' éclairage 7 et une paire de phototransistors 9 et 11. De la lumière traverse le réseau du disque 5 et est détectée par des photo-détecteurs tels que des phototransistors 9 et 11. les phototransistors 9 et Il sont disposés avec un décalage approximatif de 900 d- lectriques autour du disque du tachymètre. En conséquence, le tachymètre optique 4 engendre deux fonctions de tension approximati- vement sinusoldales et déphasées d'environ 900 entre elles.Comme indiqué sur la figure 1, ces signaux peuvent 8tre pratiquement désignés par KcosnÀ et EsinnA, où Â représente la position angulaire du tachymètre, n, le nombre de cycles du tachymètre par radian, et K, une constante. En raison de diverses tolérances et inexactitudes optiques et mécaniques, les signaux de référence peuvent ne pas être des ondes sinusoIdales parfaites mais, en pratique, leur forme est telle qu'on peut les considérer comme effectivement sinuaoida- les. le signal Ecosnk est reçu par le réseau multiplicateur 13 et le signal KsinnÀ est reçu par un réseau multiplicateur 15. Les multiplicateurs 13 et 15 sont représentés comme faisant partie d'un calculateur de sinus et de cosinus contenu dans le cadre en trait interrompu et désigné par la référence générale 17. le calculateur de composantes 17 comprend en outre un moyen amplificateur de si anaux en quadrature sous la forme d'un oscillateur diphasé 19 et capable d'engendrer deux signaux de fonction périodiques séparés 1' un de l'autre de 900 électriques.L'oscillateur 19 peut être un oscillateur piloté par une tension et engendrant deux sinusoïdes ayant une même amplitude constante, déphasées entre elles, et dont la fréquence varie en fonction de la tension ae part et d'autre d' une fréquence moyenne choisie à l'avance. la fréquence de 1 'oscil- lateur 19 est choisie de façon qu'elle corresponde à celle de la référence désirée pour la vitesse désirée du moteur de cabestan 3. En conséquence, la sortie de l'oscillateur 19 peut être représentée par K,sinWt et K,cosWt, où W représente la vitesse angulaire et K, une constante. le signal E,sinWt est reçu par le multiplicateur 13 et le signal E,cosWt, par le multiplicateur 15. En conséquence, à la sortie du multiplicateur 13 apparaît un premier signal sinWtcosnÂ tandis qu'un second signal apparaît à la sortie du multiplicateur 1.5. les premier et second signaux sont reçus par un amplificateur différentiel ou réseau soustracteur 21. le réseau soustracteur 21 est réglé de telle façon que le second signal soit retranché du premier.En conséquence, les multiplicateurs 13 et 15 et le sous- tracteur 21 forment un montage arithmétique propre à recevoir les signaux de fonction (SinnA et KcosnA) et les signaux de référence E,sinWt, et E,cosWt pour former le signal composite K@sin(WtnA). La sortie du soustracteur 21 est reçue par un amplificateur d'alimentation de moteur 23 qui contrôle l'excitation du moteur 3. En examinant le fonctionnement théorique du réseau de la figure 1, on peut remarquer qu'il permet de réaliser un dispositif d'asservissement à accrochage de phase opérationnel aux très faibles vitesses et même à l'arrêt si on le désire. En utilisant une piste de rythme diphasée ou un codage diphasé (l'une des pistes décalée angulairement de 900 par rapport à l'autre) comme le permet 1' ensemble tachymétrique 4 et en comparant ces deux signaux avec ceux de l'oscillateur 19, on obtient un signal d'erreur sans utiliser des filtres de porteuse. Les termes Wt et nA peuvent entre considé- rés comme des vecteurs tournantes engendrés. L'erreur de position de phase eet en conséquence (Wt-nA).Toutefois, sin(Wt-nA) est un signal d'erreur satisfaiant et pour une très petite valeur de Wt-nk, sin(Wt-nA) est sensiblement égal à Wt-nA. le calculateur de sinus et de cosinus 17 de la figure 1 est une matérialisation de l'iden- tité sin(Wt-nA)=sinWtcosnA-cosWtsinnA. Une caractéristique de supé- priorité du montage de la figure 1 par rapport à un comparateur de phase numérique de la technique antérieure réside en ce qu'aux faibles vitesses, ce dernier limite la fréquence de recouvrement de gain du système d'asservissement.Généralement, la fréquence de recouvrement de gain est limitée à environ un cinquième du signal de porteuse. Des fréquences de recouvrement de gain plus élevées et une plus grande largeur de bande passante permettent l'utilisation d'une réaction plus importante, ce qui améliore les performances du système d'asservissement. Etant donné que sur la figure 1, le signal terreur du calculateur de sinus et de cosinus est continu, des fréquences de recouvrement supérieures à la fréquence porteuse peuvent être obtenues. il existe diverses applications dans lesquelles il est désirable que le dispositif entraîné soit servo-commandé dans une large gamme de vitesses ou de fréquences. Par exemple, les appareils d' enregistrement à bande magnétique à vitesses multiples exigent cette particularité du cabestan d'entraînement. Avec plusieurs gammes de vitesses différentes on peut éprouver des difficultés pour synchroniser la vitesse du système d'asservissement avec la référence. la figure 2 représente un mode de réalisation qui, avec celui de la figure 1, assure une large gamme de vitesses. Un discriminateur à trois états 25 est monté en parallèle avec le calculateur de composantes 17. Le discriminateur 25 reçoit un signal de l'oscillateur 19 et un autre signal de l'ensemble tachymétrique 4. Dans l'exemple représenté, le signal tachymétrique est reçu du phototransistor 9. En conséquence, le discriminateur compare la vitesse réelle du cabestan avec celle de l'oscillateur de référence. Si la vitesse du moteur n'est pas synchronisée avec la référence, le discriminateur engendre de fortes impulsions d'accélération ou de décélération suivant l'état du moteur 3. les impulsions d'accélération ou de décélération dominent le signal du calculateur de composantes 12. Par exemple, comme représenté par le petit graphique adjacent au comparateur 25, lorsque la vitesse effective est notablement inférieure à celle de l'oscillateur de phase, une forte impulsion a'accéléra- tion 27 est fournie par le discriminateur 25. Si la vitesse dépasse la valeur désirée, une forte impulsion de décélération 29 est engendrée et, lorsque la vitesse du cabestan est accrochée sur la vitesse de l'oscillateur, le signal zéro 31 est engendré.Ces signaux sont reçus par un réseau additionneur 33 qui reçoit également des signaux du calculateur de composantes 17. Comme indiqué dans la partie de la présente description qui se refère à la figure 1, le signal d'erreur du calculateur de sinus et de cosinus 17 est géné ralement faible de sorte que les impulsions de comparateur 25 do minent fortement les signaux du calculateur de composantes 17 pendant la période au cours de laquelle une erreur de vitesse existe entre le cabestan et l'oscillateur de référence. En conséquence, le réseau de la figure 2 asservit la phase et la vitesse du moteur de cabestan 3 à l'oscillateur 19.1l existe de nombreux montages discriminateurs bien connus qui peuvent être adaptés au réseau de la figure 2. Par exemple, le Brevet français NO 1.557.343 du 18 Ivlars 1968 décrit un réseau qui peut être aisément adapté en vue autre incorporé au montage de la figure 2. RE-NDICBTIONS 1. Servo-commande à accrochage de phase comportant, en combinaison : un dispositif rotatif dont la phasme ang81aite doit être contrôlée ; des moyens pour engendrer des premier et second signaux de fonction indicatifs de la position angulaire À du dispositif, ces premier et second signaux étant sensiblement en quadrature ; un réseau calculateur de composantes comprenant un moyen amplificateur de signaux en quadrature destiné à fournir des premier et second signaux de référence en quadrature de même fréquence indicatifs de la vitesse de rotation désirée Wt du dispositif ; et un montage arithmétique destiné à recevoir les signaux de fonction et les signaux de référence pour former un signal composite de la forme sin(Wt-A) indiquant l'erreur de phase de ces signaux de fonction par rapport à ces signaux de référence. 2. Servo-commande suivant la revendication 1, dans laquelle les premier et second signaux de fonction présentent une forme sensiblement sinusordale, 3. Servo-commande suivant la revendication 1, dans laquelle le moyen prévu pour engendrer les premier et second signaux de fonction comprend un tachymètre optique avec deux photo-détecteurs espacés d'environ 900 électriques autour du tachymètre, le premier signal présentant une forme correspondant approximativement à signa et le second signal présentant une forme correspondant approximativement à cossa, où n représente le nombre de cycles du tachymètre par radian. 4. Servo-commande suivant la revendication 1, dans laquelle 1' un des signaux de référence en quadrature se présente sous la forme sinWt et dans laquelle l'autre de ces signaux se présente sous la forme cosWt. 5. Servo-commande suivant la revendication 2, dans laquelle l' un des signaux de référence en quadrature se présente sous la forme sinWt et l'autre sous la forme cosWt. 6. Servo-commande suivant la revendication 5, dans laquelle le montage arithmétique comprend un premier multiplicateur qui reçoit le premier signal de fonction et le second signal de référence et fournit un premier signal composite de la forme cosWtsinÀ, un second multiplicateur qui reçoit le second signal de fonction et le pre- mier signal de référence et qui fournit un second signal composite de la forme siaWtcosA et un soustracteur qui reçoit les deux signaux composites et qui fournit un signal de la forme si(Wt-A). 7. Servo-commande suivant la revendication 3, dans laquelle l' un des signaux de référence en quadrature se présente sous la forme sinwt et l'autre sous la forme cosWt, et dana Laquelle le montage arithmétique comprend un premier multiplicateur recevant le premier signal de fonction et le second signal de référence et fournissant un premier signal composite de la forme cosWtsinnÂ, un second mul- tplicateur qui reçoit le second signal d fonction et le premier signal de référence et qui fournit un second signal composite de la forme sinWtcoanA et un soustracteur qui reçoit les deux signaux composites et qui fournit un signal de la forme sin(Wt-nÀ). 8. Servo-commande suivant la revendication 1, comprenant en outre un moyen discriminateur monté de mPaière à recevoir au moins l'un des signaux de fonction et un signal de référence indicatif de la vitesse do rotation désirée du dispositif tournant, ceFoyen dis criminateur fournissant un signal qui domine le signal sin(Wt-A) lorsque la vitesse désirée et la vitesse effective ne sont pas éga-- les. 9. Servo-commande suivant la revendication 8, dans laquelle le moyen diseriminateur peut prendre ltun quelconque de trois états et fournit un signal d'accélération lorsque la vitesse effective est inférieure à la vitesse désirée, un signal de décélération lorsque la vitesse effective est supérieure à la vitesse désirée et un signal sensiblement nul lorsque la vitesse désirée et la vitesse effective sont égales. 10. Servo-commande suivant la revendication 9, dans laquelle le moyen discriminateur est monté en parallèle avec le réseau calculateur de composantes et est relié à un réseau additionneur commun, moyennant quoi le discriminateur fournit des signaux d'erreur de commande jusqu'à ce que le dispositif soit accroché en vitesse avec la référence, après quoi le réseau calculateur de composantes fournit un signal d'erreur de commande propre à assurer l'accrochage en phase.