Brevet FR2130027A1 — publié le 19721103

i 2130027 La présente invention concerne un système d'asservissement électrique dans lequel une grandeur est asservie à une grandeur de consigne, c'est-à-dire que cette grandeur de consigne est comparée à une image de la grandeur asservie, et que, de la comparaison de ces deux informations, résulte l'émission d'un 5 ordre de commande pour la grandeur asservie, sous forme électrique. Elle s'applique plus particulièrement au cas ou cet ordre de commande se compose d'un premier signal définissant le sens de l'écart entre les deux informations, et d'un deuxième signal constitué par une série d'impulsions fournies par un générateur d'impulsions. 10 Ces impulsions arrivent, par exemple, dans un compteur-décompteur qui reçoit suivant le sens donné par le premier signal, un ordre de comptage ou de décomptage des impulsions. Une telle disposition est notamment celle d'un convertisseur analogique-numérique avec boucle de retour ramenant sur l'entrée du convertisseur une information analogique image de la valeur numérique obtenue à la sortie du 15 convertisseur. La figure 1 ci-jointe montre le schéma de principe d'un tel convertisseur. Une information analogique d'entrée 1 est ajoutée dans un somma-teur 2 à une information analogique 3 qui est représentative de la quantité numérique cherchée 4 et qui est obtenue par l'intermédiaire d'un convertisseur numérique analogique 5, les informations 1 et 3 étant supposées de signe con-20 traire lorsque le système est stable. Le sommateur 2 donne l'écart 6 entre les deux valeurs analogiques. Cet écart 6 passe dans un détecteur de seuil à zone morte 7 à la sortie duquel on obtient le signal 8 qui définit le sens de l'écart et donne à un compteur-décompteur 9 un ordre de comptage ou de décomptage d'impulsions fournies en 10 par une horloge 11. 25 Le convertisseur numérique-analogique 5 peut être par exemple à représenta tion stochastique intermédiaire ou à modulation de la largeur des impulsions. Lorsqu'on applique sur l'information 1 un nouvel échelon de tension, l'information 3 (inversée) suit l'information 1 conformément à la courbe 3 en trait plein des figures 2 et 3 où l'on a porté en abscisses le temps et en ordonnées la 30 tension, la figure 2 correspondant à une conversion avec compteur à rampe et la figure 3 à une conversion avec système dont la réponse est assimilable à celle d'une constante de temps tel que, par exemple, un système de filtrage RC. On voit que l'information 3 met un temps assez long à rattraper l'information 1. Dans ces systèmes, si l'on veut augmenter la vitesse de conversion, il 35 faut lier la fréquence des impulsions du signal 10 à la valeur du signal d'écart 8, de manière â avoir une fréquence élevée lorsque l'écart est grand, et à obtenir une courbe de réponse de l'information 3 telle que la courbe 3' tracée en pointillés sur les figures 2 et 3. On a trouvé, suivant la présente invention, que l'on pouvait obtenir ce 40 résultat de manière simple en faisant émettre les impulsions, non plus par une 71 10853 2 2130027 horloge séparée, mais par un convertisseur tension-fréquence, alimenté par une tension représentative de la valeur de l'écart. L'invention a ainsi pour objet un système d'asservissement électrique dans lequel une grandeur est asservie à une grandeur de consigne et où l'ordre de 5 commande de la grandeur asservie est constitué par un premier signal définissant le sens de l'écart entre la grandeur de consigne et une grandeur représentative de la grandeur asservie et par un deuxième signal fourni par un générateur d'impulsions, caractérisé en ce que ce générateur d'impulsions est un convertisseur tension-fréquence dont l'entrée reçoit une tension image de la valeur de 10 l'écart et dont la sortie donne des impulsions à une fréquence linéairement liée à la tension d'écart. Le convertisseur tension-fréquence peut notamment être de type à condensateur branché entre l'entrée négative d'un amplificateur à gain élevé et la masse, avec boucle de contre-réaction à condensateur. 15 On a trouvé que l'on pouvait assurer le démarrage de ce convertisseur en insérant simplement une résistance de valeur élevée en parallèle avec la boucle de contre-réaction ou, au moins, avec le condensateur de celle-ci. Il faut définir une zone morte qui correspond à une faible valeur de l'écart et dans laquelle le deuxième signal ne doit pas agir sur la grandeur asservie. 20 Cette zone morte peut être obtenue tout d'abord en supprimant l'émission d'impulsions par le convertisseur tension-fréquence lorsque l'écart est faible. Pour cela, on décale le point de commutation de l'amplificateur de ce convertisseur. On sait que l'on peut effectuer un tel décalage en montant un potentiomètre sur les bornes de réglage de l'amplificateur. On peut aussi placer un potentiomètre 25 dans une boucle de réaction de l'amplificateur. On peut aussi laisser le convertisseur tension-fréquence produire en permanence des impulsions et bloquer la transmission de celles-ci au moyen d'un dispositif logique si la valeur de l'écart est inférieure à une valeur minimale fixée. En particulier, ce dispositif logique peut recevoir des informations de 30 la sortie de deux amplificateurs à gain élevé recevant tous deux en entrée, une même tension image de l'écart, mais dont le point de commutation a été décalé, par rapport à une tension nulle, pour l'un d'une' quantité positive, pour l'autre d'une quantité négative, et en ce que ce dispositif logique transmet les impulsions lorsqu'il reçoit la même information de la part de ces deux amplificateurs. 35 La valeur de l'écart peut entrer dans le convertisseur tension-fréquence sous la forme d'une tension image de la valeur absolue de l'écart. Mais on a trouvé que l'on pouvait éviter l'élaboration de cette valeur absolue en faisant arriver sur l'amplificateur de ce convertisseur une tension image, en grandeur et en signe, de l'écart, en installant deux boucles de contre-réaction convenant, 40 l'une à un sens de l'écart, l'autre à l'autre sens de l'écart, et en mettant en 71 10853 3 2130027 circuit, suivant le cas, l'une ou l'autre de ces boucles au moyen d'appareils de commutation commandés par le premier signal qui définit le sens de l'écart. Dans certaines utilisations des impulsions émises par le convertisseur tension-fréquence, il peut être nécessaire que celles-ci soient toujours dans le même 5 sens. On dispose alors un dispositif logique, commandé par le premier signal, qui laisse passer sans les modifier les impulsions émises par le convertisseur tension-fréquence si l'écart est dans un sens, et les inverse si l'écart est dans l'autre sens. En se référant aux figures 4 et suivantes, on. va décrire deux exemples, 10 donnés à titre non limitatif, de mise en oeuvre de l'invention, dans le cas d'un convertisseur analogique-numérique, tel que celui de la figure 1. En particulier, dans chacun de ces examples, on a adopté un certain mode de création d'une zone morte ; il est évident que l'on pourrait transposer le mode de création de la zone morte adopté dans un exemple, dans l'autre exemple, et utiliser d'autres 15 combinaisons des portions de circuit décrites pour accomplir le même ensemble de fonctions. La figure 4 montre le schéma de principe d'une première réalisation, dont la figure 5 donne le schéma détaillé de la partie caractéristique de l'invention, la figure 6 représentant un dispositif logique de transmission des ordres, non 20 détaillé sur la figure 5. Les figures 7, 8 et 9 représentent des diagrammes de fonctionnement d'organes des figures 5 et 6. La figure 10 montre le schéma de principe d'une deuxième réalisation dont la figure 11 donne le schéma détaillé de la partie caractéristique de l'invention, 25 et les figures 12 et 13 représentent des diagrammes de fonctionnement. Le schéma de la figure 4 diffère de celui de la figure 1 en ce que les impulsions 10 reçues par le compteur-décompteur 9 ne sont plus fournies par une horloge indépendante 11, mais par un convertisseur tension-fréquence 12 recevant en 13 un signal valeur absolue élaboré par un ensemble amplificateur 14 dont le 30 gain est égal à un, et émettant des impulsions transmises par un dispositif logique 15 figuré sur la figure 5 et représenté sur la figure 6. La fréquence F des impulsions émises par le convertisseur 12 est de la forme : F = K | e | + m 35 |e| étant la valeur absolue de l'écart 6, et K et m des constantes. Sur la figure 5, le.j tensions analogiques 1 et 3 commandent d'une part deux amplificateurs à grand gain 16 et 17 qui donnent une information sur le sens de l'écart, et d'autre part l'ensemble amplificateur 14 composé de deux amplificateurs 18, 19 qui donnent en 20 un signal de valeur absolue de l'écart, transmis 40 au convertisseur 12. 71 10853 4 2130027 Le convertisseur 12 se compose d'un condensateur 21 à forte capacité, dont une borne est au zéro électrique et l'autre reçoit le signal de valeur absolue de l'écart par une résistance réglable 22 et d'un amplificateur 23 comportant une première borne d'entrée 24 reliée au condensateur 21, une borne de sortie 25 5 reliée â la borne d'entrée 24 par une boucle de contre-réaction composée d'un condensateur 26, d'une diode 27 et d'une diode 28 de liaison au zéro électrique, et une deuxième borne d'entrée 29 reliée au zéro électrique par le montage en parallèle d'une condensateui* 30 et d'une résistance 31, et à la sortie 25 par une bùucle de réaction avec un condensateur 32. Une résistance 33, montée en 10 parallèle avec le condensateur 26, assure le démarrage du convertisseur 12 en court-circuitant ce condensateur. Cette résistance a une valeur aussi grande que possible, la limite étant fixée par la valeur au-delà de laquelle elle n'assure plus le démarrage. Les amplificateurs 16 et 17 ont leur point de commutation décalé au moyen 15 de potentiomètres 34 et 35 placés sur les bornes de réglage interne de ces amplificateurs. Ce décalage pourrait aussi être obtenu'par une polarisation de la borne d'entrée non reliée à 1 et 3. Les sorties 36 et 37 de ces amplificateurs sont reliées au dispositif logique 15. Celui-ci reçoit en 38 les impulsions émises par le convertisseur 12. 20 Comme on le voit sur la figure 6, le dispositif logique 15 se compose de portes 39, 40, 41 qui bloquent la transmission en 10, des impulsions arrivant en 38, lorsque l'écart se trouve dans la zone morte, et de portes 42 et 43 qui forment une mémoire actionnée par les sorties 36 et 37 des amplificateurs et qui donnent en 8 une information sur le sens de l'erreur e, cette information étant 25 ici un ordre de comptage ou de décomptage pour le compteur-décompteur 9. La figure 7 représente le diagramme de la tension V à la sortie 36, 37 des amplificateurs 16 et 17 en fonction de l'écart e. Le point de commutation de l'amplificateur 16, par exemple, est décalé d'une tension +a et celui de l'amplificateur 17 d'une tension -a. 30 Les portes 39, 40, 41 réalisent le produit logique de l'information 38 et de l'information [ e +a ] , de sorte que l'on a trois zones : comptage si e +a, et arrêt si -a La figure 8 montre pour une information 3 (inversée) variant suivant une dent de scie en présence d'une information 1 invariable, les signaux obtenus 35 respectivement en 37, 36 et 8. En 10, on obtient tantôt les impulsions émises en 38 par le convertisseur 12, tantôt des zones mortes correspondant à une valeur absolue de l'écart inférieure à a. On va maintenant expliquer le fonctionnement du convertisseur 12, à l'aide de la figure 5 et du diagramme de fonctionnement de la figure 9 sur laquelle on 40 a représenté l'évolution dans le temps des tensions aux points 29, 24 et 25. 71 10853 5 2130027 La tension en 20 est toujours positive ; elle charge le condensateur 21. Si l'on suppose qu'à un instant donné la tension en 24 soit négative, comme la capacité 21 se charge, la tension en 24 s'accroît et devient égale à celle de 29, moment où la tension en 25, qui était positive, bascule à une valeur négative. 5 Par l'intermédiaire du condensateur-26 et de la diode 27, la capacité 21 est déchargée ; de même, par l'intermédiaire du condensateur 32, la tension en 29 baisse. Mais le circuit RC constitué par la résistance 31 et le condensateur 30 a tendance à faire remonter à zéro la tension en 29. Cette tension redevient ainsi 10 supérieure à celle en 24, ce qui fait repasser la tension en 25 à une valeur positive. L'impulsion positive de 25 n'est pas transmise en 24, mais court-circuitée par la diode 28 vers la masse ; cette impulsion positive de 25 agit, par contre, sur l'entrée 29 dont elle fait monter la tension à une valeur positive, le circuit RC (31, 30) faisant alors revenir cette tension à zéro. On se 15 retrouve ainsi dans les conditions initiales, le convertisseur étant prêt à produire une nouvelle impulsion. Le teihps de conversion d'un convertisseur analogique-numérique suivant le schéma des figures 4, 5 et 6 est réduit de 3 à 4 fois par rapport à celui d'un convertisseur suivant le schéma de la figure 1. L'asservissement qui était 20 non linéaire est devenu linéaire. Toutefois, un montage tel que celui des figures 4, 5 et 6 est assez coûteux car il nécessite, pour le comparateur à seuil, deux amplificateurs rapides et à grande impédance d'entrée, quatre résistances de précision et des portes logiques, et, pour l'élaboration de la valeur absolue, deux amplificateurs à grande 25 impédance d'entrée et sept résistances de précision, outre un amplificateur à grand gain pour le convertisseur tension-fréquence. Un montage suivant les figures 10 et 11 permet d'obtenir les mêmes résultats avec m nombre réduit de composants de précision. Les deux modifications essentielles par rapport au montage précédent consistent à supprimer l'ëlabo-30 ration de la valeur absolue de l'écart et à faire définir la zone morte par l'amplificateur du convertisseur tension-fréquence. On voit sur la figure 10, que le convertisseur tension-fréquence 12 reçoit directement, par 1 et 3, un signal image, en grandeur et signe de l'écart. Pour pouvoir recevoir un signal, ce convertisseur est doté, comme on l'a représenté 35 sur la figure 11, de deux boucles de contre-réaction commutées, suivant le sens de l'écart, par le signe de l'écart 6 arrivant en 44. Dans le schéma de la figure 11, les informations 1 et 3 sont additionnées à l'entrée de deux amplificateurs : l'amplificateur 23 du convertisseur 12 et un amplificateur à grand gain 45 qui donne à sa sortie 6 une information sur le 40 sens de l'écart, information donnant en 8 au compteur-décompteur 9 un ordre de 71 10853 6 2130027 comptage ou de décomptage et en 44 un ordre de commutation pour les boucles de contre-réaction de l'amplificateur 23. Un potentiomètre 46 branché sur les bornes de réglage de l'amplificateur 45 permet d'effectuer le réglage à zéro du point de commutation de celui-ci. La figure 12 montre l'information recueillie en 6 par 5 un exemple représenté de variation de l'information 1 suivie d'une variation de l'information 3 (inversée). A l'entrée négative 24 de l'amplificateur 23, reliée au condensateur 21 à forte capacité, les informations 1 et 3 sont additionnées dans deux résistances égales 47 et 48. L'entrée positive 29 de cet amplificateur est mise à la masse 10 par l'intermédiaire d'une résistance 49 et d'un potentiomètre 50 branché, en série avec une résistance 51, entre la sortie 25 et la masse, et en parallèle avec lequel est monté un condensateur 52. Ce potentiomètre 50 permet de régler la tension de seuil de commutation de l'amplificateur 23 etd'ajuster ainsi une zone morte, correspondant à une 15 faible valeur de l'écart, à l'intérieur de laquelle la fréquence du convertisseur 12 est nulle. L'amplificateur 23 est muni de deux boucles de contre-réaction disposées entre l'entrée 24 et la deuxième borne 53 du montage en parallèle du condensateur 26 et de la résistance de démarrage 33, dont la première borne est la sortie 25 20 de l'amplificateur. Outre leur partie commune : 26, 33, ces deux boucles comportent chacune, deux diodes en sens opposés, reliées l'une à l'entrée 24, l'autre à la masse, les diodes 54, 55 d'une boucle étant de sens opposé au sens des diodes correspondantes 56, 57 de l'autre boucle et sont munies de portes 58, 59, chaque porte pouvant être un transistor M.O.S. Ces portes sont commandées par le 25 signal 44, en opposition de phase grâce à l'inverseur 60. Le fonctionnement du convertisseur 12 est analogue à celui décrit pour le premier exemple de réalisation. La figure 13 représente l'évolution dans le temps des tensions aux points 29, 24 et 25. Si la somme des informations 1 et 3 est positive, l'entrée 24, supposée à une tension négative, à tendance à devenir 30 positive. La porte 58 est en conduction, la porte 59 est bloquée. Lorsque la tension en 24 devient égale à/ou plus positive que la tension en 29, la sortie 25 commute d'une valeur positive à une valeur négative, ce qui entraîne la décharge de la capacité 21 par la diode 54, la porte 58 et le condensateur 26. Le potentiel de 24 par rapport à celui de 29 devenant négatif, la tension en 25 35 devient positive. L'impulsion positive de 25 n'est pas transmise vers 24, mais court-circuitée à la masse par la diode 55. La capacité 21 se charge par l'intermédiaire des résistances 47 et 48, et le cycle recommence. Si la somme des informations 1 et 3 était négative, ce serait la porte 59 qui serait en conduction et la porte 58 serait bloquée, mais on aurait un fonctionnement analogue. 40 La fréquence des oscillations pour des tensions d'entrée 1 et 3 données est 71 10853 7 2130027 fonction du produit RC, R étant donné par les résistances 47 et 48, et C par le condensateur 21. La boucle de réaction : 51, 50, 52, 49 permet d'une part d'élargir les impulsions produites en 25 ; d'autre part, le pont diviseur 50, 5J réinjecte en 5 29 une tension ajustable (lorsque la sortie 25 est à l'état stable), ce qui permet de régler la valeur de la tension minimale représentative de l'écart pour que le montage oscille. Suivant que la somme de 1 et 3 est positive ou négative, on obtient en 25 des impulsions négatives ou positives. Dans certaines applications, comme c'est 10 le cas ici où l'on a un compteur-décompteur en aval de 25, il est nécessaire que les impulsions soient toujours dans le même sens. C'est pourquoi on a ajouté une porte "OU exclusif" 61 recevant les impulsion émises en 25 d'une part et l'information 6 d'autre part et fournissant les impulsions 10 envoyées dans le compteur-décompteur. Le cas d'une inversion du sens des 15 impulsions a été représenté sur le diagramme de la figure 13. Le montage qui vient d'être décrit permet d'obtenir à l'aide de deux amplificateurs 'seulement, un signal définissant le sens de l'écart et un signal d'impulsions à fréquence variable linéairement de 0 à 1 KHz. Le système suivant l'invention ramène une boucle d'asservissement initiale-20 ment non linéaire à une boucle d'asservissement linéaire, ce qui permet notamment d'avoir un modèle rigoureux du comportement d'un convertisseur analogique-numérique et de réduire au minimum le temps de conversion. 71 10853 2130027 REVENDICATIONS 1/ Système d'asservissement électrique, dans lequel une grandeur est asservie à une grandeur de consigne, et où l'ordre de commande de la grandeur asservie est constitué par un premier signal définissant le sens de l'écart entre la grandeur 5 de consigne et une grandeur représentative de la grandeur asservie et par un deuxième signal fourni par un générateur d'impulsions, caractérisé en ce que ce générateur d'impulsions est un convertisseur tension-fréquence 12 dont l'entrée 13 reçoit une tension image de la valeur de l'écart et dont la sortie 10 donne des impulsions à une fréquence liée à la tension d'écart. 10 2/ Système suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le convertisseur tension-fréquence est du type a condensateur 21 branché entre l'entrée négative d'un amplificateur 23 à gain élevé et la masse, avec boucle de contre-réaction à condensateur 26. 3/ Système suivant la revendication 2, caractérisé en ce qu'une résistance de 15 valeur élevée 33 est insérée en parallèle avec la boucle de contre-réaction ou, au moins, avec le condensateur 26 de celle-ci, afin de faciliter le démarrage. 4/ Système suivant la revendication 2 ou la revendication 3, caractérisé en ce que le point de commutation dudit amplificateur 23 est décalé de manière que celui-ci effectue une commutation seulement lorsque la valeur de la tension 20 image de la valeur de l'écart est supérieure à une valeur minimale fixée. 5/ Système suivant la revendication 4, caractérisé en ce que le décalage du point de commutation dudit amplificateur 23 est obtenu à l'aide d'un potentiomètre 50 placé dans la boucle de réaction positive de cet amplificateur. 6/ Système suivant l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'entrée 25 du convertisseur tension-fréquence 12 est reliée à la sortie d'un dispositif 14 élaborant une tension image de la valeur absolue de l'écart. 7/ Système suivant l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'à la sortie du convertisseur tension-fréquence, un dispositif logique 15 bloque la transmission des impulsions si la valeur de l'écart est inférieure à une valeur 30 minimale fixée. 8/ Système suivant la revendication 7, caractérisé en ce que ledit dispositif logique 15 reçoit des informations de la sortie- de deux amplificateurs à gain élevé 16, 17, recevant tous deux en entrée une même tension image de l'écart, mais dont le point de commutation a été décalé, par rapport à une tension nulle, 35 pour l'un d'une quantité positive, pour l'autre d'une même quantité négative, et en ce que ce dispositif logique 15 transmet des impulsions lorsqu'il reçoit la même information de la part de ces deux amplificateurs 16, 17. 9/ Système suivant l'une des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que ledit amplificateur 23 reçoit en entrée une tension image, en grandeur et en signe, 40 de l'écart, en ce qu'il possède deux boucles de contre-réaction 54, 56 convenant, 71 10853 9 2130027 l'une à un sens de l'écart, l'autre à l'autre sens de l'écart, et en ce que des appareils de commutation 58, 59 commandés par le premier signal 6 mettent en circuit, suivant le cas, l'une ou l'autre de ces deux boucles. 10/ Système suivant la revendication 9, caractérisé en. ce qu'à la sortie du con-5 vertisseur tension-fréquence, un dispositif logique 61, commandé par le premier signal 6 laisse passer sans les modifier les impulsions émises par le convertisseur tension-fréquence 12, si l'écart est dans un sens et les inverse si l'écart est dans l'autre sens.