Brevet FR2026677A1 — publié le 19700918

î 2026677 La présente invention concerne les dispositifs de commande pour moteurs électriques et, plus particulièrement, les dispositifs de commande pour moteurs électriques utilisant des amplificateurs de puissance à contrôle de phase. La présente invention 5 fournit en particulier un circuit électronique destiné à linéariser les variations de gain inhérentes d'un amplificateur de puissance à contrôle de phase utilisé dans un dispositif de commande pour moteurs électriques, ce circuit électronique étant constitué par un amplificateur de tension à gain non-linéaire destiné à con-10 trôler ledit amplificateur de puissance. Les amplificateurs de puissance à contrôle de phase sont utilisés dans les dispositifs de commande pour moteurs pour transmettre, de façon contrôlable, de l'énergie électrique continue, à partir de sources d'énergie alternative, à des moteurs à courant continu. La quantité d'énergie 15 fournie au moteur d'entraînement est modifiée en faisant varier les angles d'amorçage des redresseurs commandés faisant partie de ces amplificateurs de puissance.lorsque de tels dispositifs de commande sont utilisés dans des servo-mécanismes, les variations de gain de 1'amplificateur de puissance ont différents effets 20 non souhaitables sur la réponse du servo-mécanisme. Il existe deux raisons majeures faisant varier le gain dans un amplificateur de puissance à contrôle de phase. La forme sinusoïdale de l'énergie alternative appliquée est la première source de variation du gain dans un amplificateur de puissance -utilisé dans 25 de telles applications. Au voisinage du passage par zéro une modification de l'angle d'amorçage fait légèrement varier la tension de sortie moyenne. Au voisinage de la valeur maximale de l'onde alternative appliquée, une variation identique de l'angle d'amorçage fait apparaître une variation plus importante de la tension 30 de sortie. La nature inductive de l'induit du moteur est une seconde source majeure de la variation du gain dans de telles applications. Pour des angles d'amorçage faibles le courant du moteur est discontinu et la constante de temps de l'induit du moteur n'apparait pas. Cependant le courant du moteur continue à 35 circuler après que l'onde de tension appliquée a passé par zéro. Par conséquent la tension de sortie moyenne a une valeur inférieure à la valeur attendue du fait de l'inversion de polarité de la tension durant la période de conduction. Le courant du moteur circule de façon continue lorsque l'angle d'amorçage est suffisan-40 ment important. Ces sources de variation du gain se combinent 69 43902 2 2026677 pour faire apparaître un gain nul pour un angle d'amorçage nul, un gain augmentant lentement lorsque l'angle d'amorçage atteint la région où le courant est discontinu et un gain important dans la région où le courant circule de façon continue. Lorsque l'an-5 gle d'amorçage passe au-delà de 90° le gain correspondant à la région où le courant circule de façon continue chute à cause de la forme sinusoïdale de l'onde appliquée. Le passage de la région où le courant est discontinu à la région où le courant circule de façon continue peut provoquer une discontinuité des caracté-10 ristiques de gain pour une phase particulière mais étant donné que toutes les phases n'ont pas des angles d'amorçage identiques le gain varie rapidement mais sans discontinuité lors de cette transition . On a souvent essayé de corriger ces défauts delinéarité mais la plupart des techniques utilisées jusqu'ici ont soit 15 introduit un autre défaut de linéarité dans le dispositif, soit conduit à un dispositif de commande trop complexe. Le présente invention se propose principalement de fournir un dispositif perfectionné de commande pour moteurs électriques comportant un amplificateur de puissance à contrôle 20 de phase répondant de façon linéaire aux signaux d'entrée pour amorcer les redresseurs commandés pour des.angles d'amorçage de valeur faible. On s'est aperçu que l'on pouvait utiliser un signal de réaction positive proportionnel à la force contre-25 électromotrice du moteur commandé pour obtenir une relation de linéarité entre le courant du moteur et le signal de commande dfentrée du moteur. Dans une forme de réalisation ce signal de commande d'entrée est envoyé vers un amplificateur à gain variable et le signal de sortie de cet amplificateur est ajouté ré-30 troactivement à un signal de réaction proportionnel à la force contre électroraotrice du moteur pour constituer le signal de commande de l'amplificateur de puissance. Dans une autre forme de réalisation le signal de sortie de l'amplificateur à gain variable est comparé à un signal de réaction positive proportion-35 nel à la force contre-électromotrice du moteur. La présente invention sera mieux comprise par la description suivante d'une forme de réalisation particulière donnée à titre d'exemple et représentée au dessin annexé dans lequel : ^0 La figure 1 est un schéma de blocs du disposi- 69 43902 3 2026677 "tif de commande pour moteurs électriques suivant la présente invention. La figure 2 est une représentation schématique du circuit servant b la linéarisation dans le dispositif représenté 5 dans la figure 1. La figure 3 est un schéma représentant différents moyens de linéarisation pour vin dispositif de commande suivant la présente invention. La figure 4 représente le schéma électrique d'un am-10 plificateur à gain variable utilisé dans la présente invention. La figure 1 représente un dispositif de commande pour moteurs dans lequel on a compensé les défauts de linéarité du gain de l'amplificateur de puissance à contrôle de phase à l'aide d'un signal de réaction proportionnel à la force contre-15 électromotrice du moteur et d'un amplificateur non-linéaire ou amplificateur à gain variable. Pour la clarté de la description du fonctionnement du dispositif suivant la présente invention on a choisi de représenter le circuit de commande sous fome de servo-mécanisme ce-20 pendant,d'après la description détaillée suivante de différentes formes de réalisation, on voit que l'on peut utiliser différents moyens pour obtenir le signal de commande proportionnel à la force contre-électromotrice du moteur. Dans le dispositif représenté dans sa forme générale, un moteur d'entraînement, tel le 25 moteur shunt 10 à courant continu, est alimenté par l'intermédiaire des conducteurs 12 et 14 pour alimenter la charge 16 par l'intermédiaire de la connexion 18. Le fonctionnement du moteur d'entraînement est commandé par l'intermédiaire d'un régulateur 20 dans lequel un signal d'asservissement, provenant de la source 30 de commande 22 et traversant un amplificateur non-linéaire 24, est ajouté, dans 1'amplificateur 26, à un signal de réaction positive 2S, proportionnel à la force contre-électromotrice du moteur, fourni par le tachymètre 30. Le signal de sortie de 1 amplificateur de sommation 26 est un signal d'erreur qui apparait sur le 35 conducteur 32 et est destiné à compenser la variation de gain de l'amplificateur de puissance 33. La source de commande 22 peut être constituée par n'importe quels moyens convenables fournissant des signaux de référence dont la valeur est proportionnelle à la valeur du courant souhaité dans le moteur de commande 10. Par 40 exemple cette source peut être une source d'énergie régulée, un 69 43902 4 2026677 ordinateur, un tachymètre, un générateur commandé par un dispositif pilote, etc...Les signaux de référence peuvent posséder une ou deux polarités suivant le fonctionnement souhaité pour le moteur commandé. Pour compenser les défauts de linéarité, des 5 signaux de réaction proportionnels à la force contre-électromo-trice du moteur sont appliqués à l'entrée de 1'amplificateur de sommation 26 afin d'être combinés avec le signal de sortie de l'amplificateur non-linéaire 24 qui est un amplificateur à courant continu possédant deux régions de fonctionnement linéaire, 10 pour effectuer la correction nécessaire du gain de l'amplificateur de puissance lorsque celui-ci fonctionne avec des angles d'amorçage faibles. Les signaux de réaction positive provenant du tachymètre sont additionnés, dans l'amplificateur 26, avec le signal s'asservissement compensé pour corriger le gain de 1'ampli-15 ficateur de puissance pour la gamme de tension allant de zéro à la valeur maximale de la force contre-électro-motrice du moteur. En particulier, les signaux de sortie de 11amplificateur de sommation sont envoyés vers des circuits d'amorçage (non représentât) faisant partie de l'amplificateur de puissance de façon à modifier 20 l'amplitude des signaux de commande pour les angles d'amorçage faibles en fonction de la valeur de la force contre-électromôtri-ce du moteur, grâce à quoi le courant du moteur varie linéairement lorsque le signal de tension de contrôle appliqué à l'amplificateur non-linéaire 24 varie. 25 Un amplificateur de puissance à contrôle de phase du type mentionné ici comporte soit un soit plusieurs dispositifs redresseurs conmiandés destinés à transmettre l'énergie électrique, provenant d'une source de tension alternative, au dispositif que l'on veut commander tel le moteur d'entraînement 10. Il 30 comporte aussi des circuits destinés à amorçer les dispositifs redresseurs commandés pour différents angles de phase de la tension alternative appliquée afin de contrôler la quantité d'énergie fournie audit moteur. La fonction de-transfert ou de gain d'un tel amplificateur implique une relation non-linéai-35 re entre le courant de sortie de l'amplificateur et la tension de commande à l'entrée de 1'amplificateur. Pour les faibles angles d'amorçages lorsque l'amorçage des redresseurs commandés est retardé, la pente de la courbe obtenue en traçant les caractéristiques de l'amplificateur précédemment mentionné varie, ce 40 qui montre que le gain de 1'amplificateur de puissance à contrô- 69 4*3902 5 2026677 'le de phase varie. Pour que la réponse dudit amplificateur de puissance demeure linéaire en fonction de la vitesse du moteur il devient nécessaire que les signaux de commande soient fournis par des moyens permettant de faire varier leur amplitude en fonc-5 tion de la valeur de la force contre-électromotrice du moteur. Suivant la présente invention ces moyens utilisent un signal de réaction proportionnel à la force contre-électromotrice associé au signal de sortie de l'amplificateur non-linéaire. La description plus détaillée du circuit permettant d'obtenir cette réac-10 tion positive de la force contre-électromotrice du moteur est fournie ci-dessous pour une forme de réalisation particulière représentée dans la figure 2. L'amplificateur non-linéaire possédant les caractéristiques convenables pour réaliser la compensation précédemment 15 mentionnée peut être concu d'après les principes généraux indiqués dans la demande de brevet américaine déposée au nom de John A. Joslyn et William J. Lubitz sous le n° 660 061 le 7 septembre 1967 et ayant pour titre "Motor Control System". D'après la figure 2 de la demande précédemment citée et la description qui 20 s'y rapporte, la fonction de gain de l'amplificateur non-linéaire est déduite de la courbe de gain linéaire souhaitée de l'amplificateur de puissance obtenue en portant le courant de sortie du moteur en ordonnées et la tension d'entrée de tout le circuit d'amplification en abscisses. En utilisant les mêmes coordonnées 25 on avait tracé une courbe caractéristique pour l'amplificateur de puissance non compensé pour une vitesse donnée du moteur. La tension que l'on doit obtenir à la sortie de l'amplificateur non linéaire pour obtenir la réponse linéaire souhaitée à la sortie de l'amplificateur de puissance est déterminée de la façon sui-30 vante : on part de la tension d'entrée choisie pour l'amplificateur non-linéaire 24, on déplace ce point verticalement, parallèlement à l'axe des ordonnées, jusqu'à ce que l'on rencontre la courbe de gain linéaire souhaitée de 1; amplificateur de puissance puis horizontalement vers la droite jusqu'à ce que l'on ren-?5 contre la courbe de gain non-compensé de l'amplificateur de puissance et finalement on fait revenir ce point verticalement jusqu'à l'échelle des tensions pour obtenir une valeur qui est la tension de sortie souhaitée de l'amplificateur non-linéaire. On peut aussi obtenir une valeur souhaitée pour le courant du mo-40 teur à la sortie de l'amplificateur de puissance, lorsque sa bad 43902 6 2026677 réponse est linéaire pour une tension d'entrée choisie de l'amplificateur non linéaire, à partir d'une courbe du type précédemment mentionné. La valeur de ce courant de sortie est obtenue en projetant horizontalement sur l'axe des ordonnées le point d'intersection d'une droite, perpendiculaire à l'axe des abscisses au point correspondant à la tension d'entrée choisie, et de la courbe de gain linéaire de l'amplificateur de puissance. En répétant cette opération pour tout le domaine de fonctionnement de 1:amplificateur de puissance on obtient la courbe de gain caractéristique d'un amplificateur non-linéaire pouvant être utilisé dans l'étage d'amplification pour obtenir une réponse linéaire. Si les résultats sont représentés graphiquement pour l'amplificateur non linéaire, en portant la tension de sortie en ordonnées et la tension d'entrée en abscisses, on obtient une courbe définissant la fonction de gain nécessaire pour l'amplificateur non linéaire. Un amplificateur conçu suivant ces caractéristiques de gain peut être un amplificateur différentiel classique possédant une boucle de réaction qui fait varier le gain en fonction de la valeur de la tension de sortie. La boucle de réaction associée à tin tel amplificateur non-linéaire 24 est représentée schématiquement dans les figures 2 . Lors de son fonctionnement, l'amplificateur non-linéaire possède une caractéristique de gain linéaire, pour le redressement commandé, pour une vitesse nulle. Pour n'importe quelle autre vitesse la force contre-électromotrice provoque un décalage de la caractéristique de gain, qui s'écarte de la caractéristique correspondant à une vitesse nulle, en fonction du sens de rotation du moteur. Pour les angles d'amorçage faibles l'amplificateur non-linéaire fonctionne dans la région où le gain est le plus élevé de façon que la variation de l'angle d'amorçage par unité de tension à l'entrée soit plus importante. Inversement l'amplificateur non linéaire fonctionne dans la région où le gain est le plus faible pour des angles d'amorçage plus importants. Ce passage de la région à gain éLevé vers la région à faible gain est réalisé au moyen d'une boucle de réaction associée à l'amplificateur non-linéaire particulier représenté dans les figures 2-4 et décrit ci-après. La compensation du décalage de l'angle d'amorçage par la force contre-électromotrice est obtenue en ajoutant le signal de sortie de l'amplificateur non linéaire au-signal proportionnel à la force contre-électromotrice. BAD ORIGINAL 69 43902 7 2026677 La figure 2 est un schéma représentant le circuit de linéarisation du dispositif de commande pour moteurs représenté dans la figure 1. Le signal d'asservissement C provenant de la source de commande est envoyé, par l'intermédiaire de la résis-5 tance 32, à l'entrée de l'amplificateur non-linéaire 24. Dans cet te forme de réalisation particulière on utilise un amplificateur différentiel à contre-réaction 31 possédant une boucle de réaction 34, constituée par les diodes Zener 36 et 38 et la résistance 40 branchées en série et par la résistance 42 branchée 10 en parallèle sur l'ensemble qui permet le passage de la région à gain élevé à la région à faible gain lorsque la valeur de seuil des diodes Zener est dépassée. Le signal de tension apparaissant à la sortie de l'amplificateur non-linéaire est envoyé, par l'intermédiaire de la résistance 44, à l'entrée de 11 amplificateur 15 de sommation 26. La réaction positive est obtenue en ajoutant le signal d'asservissement qui a été inversé dans l'amplificateur 31 au signal de sortie, qui n'a pas été inversé, du tachymètre. . La résistance 48 reliée à la terre facilite l'addition correcte des deux signaux d'entrée dans 1'amplificateur de sommation 26. 20 Le signal de sortie de 1'amplificateur de sommation 26 est envoyé vers un groupe A de circuits d'amorçage classique à transistors unijonctions (non représenté) qui contrôle le fonctionnement de 11amplificateur de puissance 33. Un second étage de sortie 26a de 1'amplificateur de sommation envoie le signal de somme vers 25 lin second groupe E de circuits d'amorçage à transistors unijonctions faisant partie de l'amplificateur de puissance et destiné à conanander de façon opposée les redresseurs commandés au silicium conducteurs. Dans la forme de réalisation décrite, l'amplificateur .de puissance à contrôle de phase alimente le moteur 30 10 pour qu'il tourne dans un sens ou dans l'autre, avec tin degré de compensation convenable afin que la réponse soit linéaire dans toute la gamme des angles d'amorçage. La figure 3 est un schéma représentant une autre forme de réalisation destinée à fournir un signal de réaction posi-35 tive proportionnel à la valeur de la force contre-électromotrice. L'amplificateur 50 fournit un signal analogique proportionnel à la force contre-électromotrice du moteur à partir de deux signaux d'entrée constitués par le courant I du moteur et la tension V aux bornes du moteur. L'obtention de ce signal analogi-40 que est basée sur le fait que les signaux provenant du moteur 43902 8 2026677 varient en fonction de la vitesse. La valeur de la force contre-électromotrice augmente avec la vitesse du moteur, sa valeur étant égale à la différence existant entre le courant du moteur multiplié par la résistance d'induit du moteur et la tension existant aux bornes du moteur. La force contre-électromotrice est nulle pour une vitesse nulle et augmente jusqu'à une valeur quelconque prédéterminée lorsque le moteur atteint une vitesse souhaitée. Le signal analogique obtenu de cette façon est envoyé, par l'intermédiaire d'une résistance 52, vers le point de connexion 54 pour être ajouté à un signal d'asservissement qui a été préalablement trsLtê dans l'amplificateur non-linéaire 24 comme précédemment décrit. L1amplificateur de sommation 26 reçoit de nouveau un signal de réaction positive proportionnel à la force contre-électromotrice du moteur pour effectuer line correction de gain de sorte que la réponse globale reste linéaire et que le moteur consomme le courant souhaité. Les signaux des deux étages de sortie de 1'amplificateur de sommation sont envoyés vers les circuits d'amorçage A et B comme décrit en se référant à la figure 2. Dans toutes les formes de réalisation décrites destinées à compenser la variation de gain inhérente de 1'amplifi-cateur de puissance on remarquera que le signal d'entrée de cet amplificateur de puissance représente une valeur de la tension de commande nécessaire pour que la réponse reste linéaire et que le courant du moteur conserve une valeur souhaitée. La linéarité de la réponse est maintenue lorsque le signal proportionnel à la force contre-électromotrice décale le point de passage par zéro des caractéristiques de fonctionnement de l'amplificateur non-linéaire associé. Le signal proportionnel à la force contre-électromotrice constitue une valeur d'entretien pour la tension de commande afin de condenser le déplacement du point de passage par zéro. La figure 4 est un schéma représentant le circuit électrique de l'amplificateur non-linéaire 24 utilisé suivant la présente invention. Ce circuit comporte un amplificateur différentiéL à contre réaction 31 muni d'une boucle de réaction 34, constituée par des diodes Zener 36 et 3G branchées en série avec une résistance 40 et par une résistance 42 branchée en parallèle sur l'ensemble. Les bornes d'alimentation 56 et 58 sont reliées à des sources d'énergie de polarités opposées. Le signal d'asservisse- 69 43902 9 202.6677 "ment est envoyé, par l'intermédiaire de la résistance 32, sur la base d'un transistor d'entrée 60 faisant partie de l'étage d'entrée 62 dudit amplificateur. Le signal d'asservissement compensé apparait sur la borne de sortie 64 de 1'amplificateur. 5 L'invention n'est pas limitée aux formes de réa lisation particulières décrites ci-dessus. Différentes modifications peuvent y être apportées et on peut trouver d'autres applications sans sortir du cadre de l'invention. Par exemple, ceux qui sont familiers avec cette technique comprendront que l'on 10 peut utiliser de nombreux moyens différents pour faire varier l'amplitude des signaux de commande de l'amplificateur de puissance en fonction de la valeur de la force contre-électromotrice du moteur. D'autre part les caractéristiques de 1'amplificateur à gain variable peuvent être obtenues à l'aide d'un amplificateur 15 à gain fixe associé à un circuit atténuateur à gain variable dans lequel le signal de sortie de l'ensemble est comparé à une tension qui est fonction de la valeur de la force contre-électromotrice du moteur. De cette façon on peut supprimer l'amplificateur de sommation décrit dans les formes de réalisation 20 précédentes. 69 43902 10 2026677 REVEND ICAT IONS 1 - Dispositif de commande pour moteurs électriques, alimenté par un signal de commande d'entrée et comportant un moteur et un amplificateur de puissance destiné à amorçer des re- 5 dresseurs commandés qui appliquent l'énergie électrique provenant d'une source de courant alternatif au moteur, caractérisé par le fait qu'il comporte un amplificateur à gain variable dont le gain varie en fonction du signal de commande d'entrée et dont le signal de sortie constitue le signal de commande de l'ampli- 10 ficateur de puissance ce signal de commande étant modifié par un signal de réaction positive proportionnel à la force contre-électromotrice du moteur. 2 - Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comporte en outre un amplificateur de 15 sommation, branché entre 1'.amplificateur à gain variable et l'amplificateur de puissance, qui est destiné à combiner le signal de sortie de l'amplificateur à gain variable et le signal de réaction positive proportionnel à la force contre-électromotrice du moteur. 20 3 - Dispositif suivant la revendication 2, carac térisé par le fait que le signal de sortie de 1'amplificateur à gain variable est comparé à tin signal proportionnel à la force contre-électromotrice du moteur.