Brevet FR2035146A1 — publié le 19701218

La présente invention est relative à des circuits de commande d1 énergie et se rapporte plus particulièrement à un dispositif permettant d'alimenter en courant un servo-moteur. Dans les machines et les appareils à commande par asservisse-5 ment, la technique consistant à employer xm circuit de commande pour régler l'application de courant à un servo-moteur à partir d'une source d'énergie, est bien connue. Dans un tel appareil, le dispositif de commande commute automatiquement le sens de rotation et fait yarier l'intensité du courant appliqué au servo-moteur. Dans 10 les machines de traitement de l'information et notamment dans les dispositifs d'entraînement des mémoires à disques, les dispositifs de commande habituellement employés sont des circuits linéaires. Bien que de tels circuits permettent d'obtenir un fonctionnement linéaire de l'appareil pris globalement, le fait que l'énergie est 15 constamment appliquée provoque l'inconvénient inhérent d'une forte dissipation d'énergie. Il est alors nécessaire de prévoir des composants de circuit coûteux et capables de supporter les températures élevées engendrées et une évacuation thermique importante, ainsi qu'un appareillage de refroidissement pour évacuer la chaleur 20 dans l'atmosphère. Dans des applications d'asservissement choisies telles que les amplificateurs de puissance, etc.. on connait des dispositifs de commande d'énergie qui utilisent des techniques de modulation de largeur d'impulsion et dans lesquels l'énergie est fournie sous la forme d'impulsions à une fréquence donnée, dans un 25 sens ou dans l'autre. De tels circuits ne sont toutefois pas satisfaisants pour les applications dans le traitement de l'information étant donné qu'un grand nombre de ces applications nécessitent des dissipations d'énergie élevées, aussi bien dans les composants du dispositif de commande que dans l'appareil3ui-même. En outre, de 30 tels circuits fonctionnent à des fréquences relativement faibles, c'est-à-dire dans la gamme basse fréquence et ne conviennent pas dans un environnement de traitement de l'information. L'invention permet un fonctionnement linéaire d'un mécanisme à commande asservie sans les inconvénients des dispositifs de la 35 technique antérieure. Ceci est réalisé en employant une réaction d' intensité de courant en combinaison avec un dispositif de commande d'énergie puisée qui fonctionne à une fréquence environ cent fois plus grande que celle du signal de commande. L'invention comprend 70 09643 2035146 un dispositif permettant de surveiller en permanence le courant appliqué au moteur dans l'un ou l'autre sens, un dispositif pour comparer l'intensité du courant circulant dans le moteur à un signal d' erreur de position appliqué au moteur et un dispositif pour appli-5 quer des impulsions au moteur dans un sens ou dans l'autre chaque fois que l'amplitude du signal d'erreur diffère de celle de l'intensité du courant circulant dans le moteur. D'autres caractéristiques de l'invention apparaîtront au cours de la description suivante, donnée à titre d'exemple et faite èn 10 référence aux dessins annexés, dans lesquels : la Fig. 1 représente schématiquement un mode de réalisation préféré du dispositif de commande selon l'invention; la Fig. 2 représente un circuit en pont permettant de mesurer l'intensité du courant circulant dans le moteur; 15 la Fig. 3 représente une série de formes d'onde qui illustrent le fonctionnement du mode de réalisation de la Fig. 1 ; la Fig. 4 représente schématiquement une variante de mode de réalisation de l'invention; la Fig. 5 représente une série de formes d'onde engendrées dans 20 le mode de réalisation de la Fig. 4. L'invention met en oeuvre un. dispositif de commande à Énergie puisée employant Une réaction d'intensité de courant et une fréquence d'impulsions qui est égale à cent fois environ la fréquence de commande afin d'obtenir un fonctionnement linéaire à la fréquence 25 de commande et en-dessous. Cette solution permet d'effectuer un échantillonnage à des intervalles tels que le servo-mécanisme soit en réalité un signal continu. Avec cette solution, toute l'énergie appliquée au dispositif "de commande est utilisée efficacement étant donné qu'il n'est pratiquement pas dissipé d'énergie dans les cir-30 cuits. En se référant aux dessins, le mode de réalisation de la Fig. 1 comprend un moteur 11, un amplificateur de sommation 12 et deux comparateurs 13 et 14 connectés entre le moteur et l'amplificateur de sommation. Un générateur d'impulsions 15 est connecté à deux inter-35 rupteurs 16 et 17 intercalés dans des boucles de réaction d'intensité situées entre le moteur et les comparateurs 13 et 14. Le circuit permettant d'engendrer un signal de réaction d'intensité provenant du moteur est représenté à la Fig. 2 et comporte le moteur 11 et une û 70 09643 3 -2035146 résistance 18 connectés en série dans un circuit en pont, le pont comporte deux connexions à la masse, passant par l'intermédiaire d' un premier interrupteur 19 et d'un second interrupteur 21, situés de part et d'autre du moteur et de la résistance. Une connexion com-5 mune 22 allant à une source de tension peut être eonmutée entre un côté ou l'autre du pont. Le côté du pont qui est proche du commutateur 19 est connecté par l'intermédiaire d'une diode 23 à la source de tension et d'une diode 24 à la masse. De même, le côté opposé du pont voisin de l'interrupteur 21 est connecté par 1'intermédiai-10 re d'une diode 25 à la source de tension et par l'intermédiaire d' une diode 26 à la masse. Un circuit permettant de mesurer le courant • circulant dans le pont comprend des transistors 27 et 28 et des résistances 29 et 31. L'extrémité de la résistance 18 qui est reliée au moteur est connectée à la base du transistor 27 et, par l'inter-15 médiaire de la résistance 31, à l'émetteur du transistor 28. L'extrémité opposée de la résistance 18 est connectée à la base du transistor 28 par l'intermédiaire de la résistance 29 à l'émetteur du transistor 27. Au cours du fonctionnement du circuit de la Fig. 2, le coœmuta-20 teur 22 est mis dans la position représentée en trait plein de sorte que lorsque l'interrupteur 19 est fermé, du courant circule dans le côté gauche du pont et à travers la résistance 18, le moteur et 1' interrupteur 19, ce qui fait tourner le moteur en sens inverse. Dans ces conditions, le courant appliqué à la base du transistor 28 rend 25 ce dernier conducteur et le fait débiter dans une résistance 32 en fournissant un signal d'intensité de sortie I qui constitue une mesure du courant circulant dans le moteur. Le transistor 28 conduit dans ces conditions du fait que la tension appliquée à sa base est plus grande que celle appliquée par l'intermédiaire de la résistance 30 31 à l'émetteur. Simultanément, le transistor 27 est polarisé à 1' état bloqué du fait que la tension appliquée à travers la résistance 29 à son émetteur est plus grande que celle appliquée à sa base par suite de la chute de tension aux bornes de la résistance 18. Lorsque, le commutateur ,22 est mis à la position représentée en poin-35 tillé, du courant circule dans le côté droit du pont et dans le moteur, la résistance 18 et l'interrupteur 21 lorsqu'il est fermé pour faire tourner le moteur dans le sens direct. Dans ces conditions, le transistor 27 conduit et délivre une sortie I^dans une résistance V BAÙ ORIGNAL 70 09643 4 2035146 55 qui constitue une mesure du courant circulant dans le moteur. Simultanément, le transistor 28 est polarisé à l'état bloqué du fait que la tension appliquée à travers la résistance 51 à l'émetteur est plus grande que celle appliquée à la base par suite de la 5 chute de tension aux bornes de la résistance 18. Dans le circuit de la Fig.1, les signaux d'erreur de position et les signaux de vitesse sont appliqués à l'amplificateur de sommation qui engendre une sortie différentielle sur les lignes 54 et 55. Lorsque le signal ,d'erreur de position est plus grand que le si-10 gnal de vitesse, la ligne 54 est plus positive que la ligne 55 et lorsque le signal de vitesse est plus grand que le signal d'erreur de position, la ligne 55 est plus positive que la ligne 54. Un diviseur de tension 56 est connecté entre les lignes 54 et 55 et une ligne de référence 57 est connectée au point milieu du diviseur de 15 tension. Le comparateur 15 compare le signal de réaction d'intensité 1^ au signal d'erreur de position présent sur la ligne 54 lorsque cette dernière est plus positive que la ligne de référence 57. De même, le comparateur .14 compare le signal de réaction d'intensité I au signal d'erreur de position de la ligne 35 lorsque cette 20 dernière est plus posivite que la ligne de référence 57. Le générateur d'impulsions 15 émet une impulsion de 5 microsecondes toutes les 50 microsecondes (Fig. 5a), ce qui ouvre les interrupteurs 16 et 17 de la ligne de réaction d'intensité. Ceci provoque un déséquilibre dans l'un ou l'autre des comparateurs, qui commande la ro-25 tation du moteur. Par exemple, si le moteur tourne dans le sens direct lorsque l'interrupteur 16 est ouvert, il supprime le signal de réaction d'intensité 1^, ce qui provoque un déséquilibre des entrées du comparateur 15 qui engendre un signal de sortie. Le signal de sortie ferme 1'interrupteur 21, ce qui applique la totalité du cou-50 rant d'excitation au moteur. Lorsque l'interrupteur 16 est fermé et le signal de réaction 1^ est appliqué de nouveau au comparateur 13, les entrées sont équilibrées et le signal de sortie est interrompu ce qui rouvre l'interrupteur 21. Comme représ-enté à la Fig. 5, les impulsions émises par le géné-rpteur d'impulsions 15 ont une durée 55 de 5 microsecondes; toutefois, les retards internes dans les composants des circuits de l'appareil sont d'environ 4 microsecondes. Par conséquent, la totalité du courant d'excitation est appliquée au moteur pendant une durée minimale d'environ 1 microseconde. am ORIGINAL 09643 5 2035146 Comme les impulsions sont émises toutes les 50 microsecondes, ceci signifie que la totalité du courant d'excitation est appliquée au moteur pendant au moins 1 microseconde toutes les 50 microsecondes. Lorsque le commutateur 22 se trouve dans la position représentée en 5 pointillé et l'interrupteur 21 est fermé, l'intensité du courant dans le bobinage du moteur s'établit à un certain niveau. En raison de l'inductance du bobinage, l'intensité du colorant tend à rester constante et diminue très lentement lorsque l'interrupteur 21 est ouvert. Afin de maintenir une intensité constante du coursait dans 10 le bobinage, le niveau de tension à l'extrémité du bobinage du moteur proche de l'interrupteur 21 tombe à -48V, ce qui rend la diode 25 conductrice et fait apparaître -une tension constante aux bornes du bobinage. Le courant reste ensuite à peu près constant et décroît très peu avant .qu'apparaisse l'impulsion suivante du généra-15 teur d'impulsions 15, comme représenté à la Fig. 3b. En l'absence d'un signal d'erreur déséquilibré sur la ligne 34 ou 35, l'excitation du moteur est celle décrite. Toutefois, l'existence d'un signal d'erreur déséquilibré pendant-que les interrupteurs 16 et 17 sont ouverts prolonge la période d'excitation du moteur, du fait que 20 les interrupteurs 19 et 21 sont fermés par un signal de sortie provenant du comparateur et dû à un déséquilibre entre les entrées. Alors que le générateur d'impulsions provoque un déséquilibre en interrompant la réaction d'intensité, le déséquilibre se poursuit jusqu'à ce que l'équilibre soit rétabli, c'est-à-dire que la réac-25 tion d'intensité compense de nouveau le signal d'erreur. Par conséquent, le signal de sortie combiné provenant des comparateurs ressemble au train d'impulsions de la Fig. 3a, sauf que la largeur des impulsions individuelles est proportionnelle à l'amplitude du signal non compensé. Bien que la largeur des impulsions varie, leur 30 fréquence de récurrence reste constante telle qu'elle est établie par le générateur d'impulsions. Si l'interrupteur 21 était fermé et le commutateur 22 ouvert, l'extrémité du bobinage adjacente à l'interrupteur 19 serait portée au niveau de la masse et rendrait la diode 24 conductrice, faisant 35 apparaître une tension constante aux bornes du bobinage pendant la durée d'ouverture du commutateur 22. Dans le cas d'une excitation inverse du moteur, l'interrupteur 17 provoque un déséquilibre dans le comparateur 14, ce qui ferme l'interrupteur 19 et provoque l'ap 09643 6 2035146 plication d'une impulsion d'excitation totale dans le sens inverse. Lorsque 11 interrupteur 19 est ouvert, le potentiel de l'extrémité du bobinage proche de la diode 23 tombe,ce qui rend la diode 23 conductrice. De même, lorsque l'interrupteur 19 est fermé et le commu-5 tateur 22 est ouvert, le potentiel de l'extrémité du bobinage proche de la diode 26 croît, ce qui rend la diode 26 conductrice. L' emploi d'une connexion unique 22 allant à la source d'énergie en combinaison avec deux connexions allant à la masse, 19 et 21, fournit plusieurs avantages par rapport au montage en pont classique 10 qui possède deux paires de connexions allant à la source d'énergie et à la masse. La connexion unique réduit le bruit électrique dans le dispositif de commande d'environ 90 fo et supprime la nécessité de synchroniser la fermeture de deux interrupteurs, -un pour la masse et un pour la source d'énergie. Elle supprime également les os-15 cillations qui apparaissent lorsque les deux interrupteurs ne sont pas parfaitement synchrones et réduit les brusques variations de tension dans le bobinage du moteur de 50 fo étant donné qu'une seule extrémité du bobinage varie brusquement en tension lorsque les interrupteurs 19 et 21 sont ouverts et se ferment. 20 Le mode de réalisation de la Fig. 1 peut être simplifié en vue d'être utilisé dans les servo-mécanismes à basse fréquence, c'est-à-dire des largeurs de bande d'environ 100 Hz, en supprimant le générateur d'impulsions 15 et les interrupteurs 16 et 17. Avec ce montage, une sortie différentielle provenant de l'amplificateur de som-25 mation est appliquée aux comparateurs en même temps qu'un signal de réaction d'intensité. Lorsqu'un déséquilibre apparaît dans l'un des comparateurs, un signal d'excitation est engendré pour faire tourner le moteur dans le sens approprié. En raison des retards dus aux circuits de l'appareil, le signai d'excitation est appliqué pendant 30 une certaine durée finie avant que le courant s'établisse dans le moteur, et est réinjecté pour obtenir de nouveau un équilibre dans le comparateur. L'excitation est ensuite interrompue jusqu'à ce que le courant diminue suffisamment pour produire de nouveau un déséquilibre dans le comparateur et pour provoquer l'application d'un au-35 tre signal d'excitation. Ce cycle se poursuit et en réalité l'appareil entre en oscillation. L'oscillation est limitée en fait par la vitesse des circuits classiques, de sorte que le présent mode de réalisation convient actuellement pour les servo-mécanismes à basse 70 09643 7 2035146 fréquence. Avec les circuits rapides toutefois, le présent mode de réalisation pourrait être utilisable dans un grand nombre d'applications du. mode de réalisation de la Fig. 1. le mode de réalisation de- la Fig. 4 comprend un générateur de 5 rampe 38, un amplificateur de sorr.mation 39 et un intégrateur 41 . L'amplificateur de sommation applique une sortie différentielle à un servo-moteur 11 destinée à commander le sens et la. quantité de courant circulant dans le moteur. Le courant d'excitation circulant dans le moteur est mesuré par le circuit de la Fig. 2 et est réin-10 jecté par l'intermédiaire de l'intégrateur 41 dans l'amplificateur de sommation dans lequel il est combiné à un signal d'erreur de position et à la sortie provenant du générateur de rampe 38. En se référant à la Fig. 5, le signal d'erreur de position, forme d'onde 5a, est représenté par un signal, à pente constante, qui est super-15 posé au signal de rampe. Le générateur de rampe produit un signal de rampe bidirectionnel, forme d'onde. 5b, et un signal de remise à zéro, forme d'onde 5c, le signal de rampe étant remis à zéro par chaque impulsion du signal de remise à zéro. Le signal de réaction d'intensité intégré est représenté par la forme d'onde 5d et le si-20 gnal d'excitation par la forme d'onde 5e.. La présence d'un signal d'erreur de position au moment où la rampe est remise à zéro par le signal de remise à zéro a pour effet que l'appareil applique l'excitation totale au moteur jusqu'à ce que le signal d'erreur soit compensé par la réaction d'intensité intégrée du moteur. L'excita-25 tion du moteur est ensuite ramenée à zéro jusqu'à l'impulsion de• remise à zéro suivante et le cycle se répète. Dans l'amplificateur de sommation, le signal d'erreur de position est combiné à la réaction d'intensité intégrée pour produire une série de points de commutation dans le signal de rampe qui servent à produire le signal 30 d'excitation du moteur de forme d'onde 5e. Le signal d'excitation de forme d'onde 5e, se compose d'une suite d'impulsions dans lesquelles les fronts avant sont déterminés par les signaux de remise à zéro de forme d'onde 5ç et les fronts arrières sont déterminés par les points de commutation du signal de rampe de forme d'onde 5b. 35 Tant que les points de commutation coïncident avec le signal de rampe, le signal d'excitation du moteur apparaît sous la forme d' une suite d'impulsions à la fréquence du signal de remise à zéro. Lorsque les points de commutation sont situés en dehors de la rampe, 70 09643 8 2035146 le signal d'excitation devient continu. Dans le cas d'un fort signal d'erreur de position, comme représenté à l'extrémité droite de la forme d'onde 5a, la réaction d'intensité peut ne pas avoir une amplitude suffisante pour compenser le signal d'erreur avant 1' 5 impulsion de remise à zéro suivante, de sorte que l'excitation devient continue entre les impulsions de remise à zéro. Il en résulte un signal d'excitation à impulsions et à haute fréquence dans lequel la largeur des impulsions individuelles varie avec la valeur de la différence entre le signal d'erreur de position et l'intensi-10 té circulant dans le moteur. Le dispositif de commande de l'invention convient pour les moteurs à courant continu, rotatifs ou linéaires. Dans les deux cas, le bobinage mobile du moteur est connecté dans le pont de la Fig. 2 afin de détecter le courant d'excitation circulant dans le moteur. 15 Les divers modes de réalisation de l'invention emploient des composants classiques pour obtenir le résultat désiré. Les interrupteurs 16, 17, 19, 21 et le commutateur 22 sont représentés sous forme schématique pour les besoins de la description. Toutefois, • il est entendu que des transistors de commutation de puissance ou 20 d'autres dispositifs de commutation rapides peuvent être employés pour satisfaire aux conditions de minutage des composants représentés . -70 09643 9 2035146 Revendications 1 - Dispositif de commande de l'alimentation d'un servo-moteur à courant continu connecté entre ce dernier et une source pour alimenter le moteur en courant en réponse à un signal d'erreur de po- 5 sition, caractérisé en ce qu'il est prévu un moyen permettant de surveiller le courant circulant dans le moteur et de produire un signal de réaction proportionnel au courant d'excitation du moteur, et un second moyen pour comparer le signal d'erreur au signal de réaction et produisant un signal d'excitation pour appliquer des 10 impulsions au moteur lorsqu'un déséquilibre se produit entre le signal d'erreur et le signal de réaction. 2 - Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le premier moyen comprend un circuit en pont qui comporte une résistance et le bobinage mobile du moteur connectés en série, Tin 15 moyen de commutation pour appliquer sélectivement des impulsions au moteur dans l'un ou l'autre sens, et un moyen pour maintenir un niveau de tension à peu près constant aux bornes du bobinage et de la résistance pendant la période séparant les impulsions de l'éner-- gie d'alimentation. 20 3 - Dispositif suivant la revendication 2, caractérisé en ce que le moyen de commutation comprend un commutateur unique connecté à un côté du pont pour commander le sens de circulation du courant et deux interrupteurs connectés à l'autre côté du pont pour régler la durée de la circulation du courant. 25 4 - Dispositif suivant 1p revendication 1, caractérisé en ce que le second moyen comprend un moyen d'amplification permettant de produire une sortie différentielle indiquant le sens et l'amplitude de l'erreur de position, et un moyen comparateur connecté entre le moyen d'amplification et le moteur, le moyen comparateur rece-30 vant comme entrées la sortie du moyen amplificateur et les signaux de réaction d'intensité provenant du premier moyen. 5 - Dispositif suivant la revendication 4, caractérisé en ce que -le moyen d'amplification produit un premier signal indiquant l'amplitude de l'erreur de position dans un sens et un second si-35 gnal indiquant l'amplitude de l'erreur de position dans l'autre . sens, le premier moyen produisant un premier signal de réaction proportionnel au courant du moteur dans un sens et un second signal de réaction proportionnel au courant du moteur dans le sens opposé, 09643 10 2035146 et le moyen comparateur comprenant un comparateur connecté de manière à recevoir le premier signal du moyen d'amplification et le premier signal de réaction» et un autre comparateur connecté de manière à recevoir le second signal provenant du moyen amplificateur 5 et le second signal de réaction. 6 - Dispositif suivant la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comprend un moyen pour interrompre périodiquement le signal de réaction d'intensité appliqué au moyen comparateur à une fréquence d'au moins vingt fois la fréquence la plus haute de l'appa- 10 reil de commande. 7 - Dispositif suivant la revendication 6, caractérisé en ce que pour interrompre périodiquement le signal de réaction produit, un signal d'interruption qui est légèrement plus long que les retards internes des composants des circuits du dispositif et corres- 15 pond à 10 fi environ de la période comprise entre les signaux d'interruption. 8 - Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le second moyen produit un signal d'excitation comportant une série d'impulsions de l'une ou l'autre polarité apparaissant à une 20 fréquence régulière, le niveau du signal revenant à zéro entre les impulsions successives. 9 - Dispositif suivant la revendication 8, caractérisé en ce que le second moyen comprend un générateur de rampe produisant un signal de rampe qui est combiné au signal d'erreur et au signal de 25 réaction pour produire le signal d'excitation du moteur, et la largeur des impulsions du signal d'excitation varie de façon directement proportionnelle à la valeur de la différence entre le signal d'erreur et le signal de réaction.