Brevet FR2211798A1 — publié le 19740719

L'invention concerne un circuit de commande pour l'excitation rapide de systèmes électromagnétiques, en particulier d'un moteur pas à pas avançant par impulsions électriques, dont le rotor peut avancer par excitation de plusieurs enroulements de stator décalés entre eux dans 11 espace, lesquels peuvent être reliés à une source de tension par des transistors de puissance qui sont excités en succession à partir d'un générateur d'impulsionse Dans de tels moteurs pas à pas le rotor est mis en rotation du fait que les enroulements de stator décalés entre eux dans l'espace engendrent l'un après l'autre un champ magnétique pendant une durée déterminée. Les propriétés dynamiques de ces moteurs pas à pas dépendent en grande partie du circuit de commande. Par exemple si on exige une grande fréquence de pas, les enroulements doivent entre excités et désexcités dans un temps très court, de façon à obtenir une montée et une baisse brutale du couple. A la-montée et baisse rapide du courant nécessaire s'oppose la self-induction de 1 ment, en accordavec la loi de Lenz. Pour accélérer l'établis- sement du champ magnétique, donc pour raccourcir le temps de montée, on connait des circuits d'excitation rapide, dans lesquels on applique d'abord à l'enroulement une tension supérieure à la tension nominale nécessaire. De cette façon Xe temps de montée du courant di/dt est amélioré, Par exemple, à cet effet , on peut monter en série'avec l'enroulement une résistance shuntée par un condensateur.Alors que la résistance diminue selon la constante de temps électrique selon la relation12 = L/R, le condensateur shunte la résistance RV au moment de l'enclenche ment, de sorte que l'enroulement est d'abord soumis à la totalité de la tension d'alimentation. Auprès la charge du condensateur, la différence de tension entre la tension nominale et la surtension sur la résistance amont diminue. De plus9 on a la possibilité de prévoir deux tensions d'alimentation d'intensité différente, c'estià-dire une tension d'excitation rapide plus élevée et une tension nominale d'alimentation admissible, qui sont appliquées l'une après l'autre-à l'enroulement à l'aide d'un commutateur commandé o un organe temporisé. La plupart des circuits connus jusqu'ici ont l'inconvénient queç malgré une complication élevée, ils règlent seulement la tension, mais non la grandeur la plus importante, c'est-à-dire le courant dans l'enroulement0 Dans le cas de l'emploi de résistances amont, il se dissipe sur célles-ci une puissance de pertes importan-te, ce qui détériore le rendement et exige de l'alimentation de puissance permanente élevée. Enfin, pour améliorer le rendement et augmenter la fréquence de pas de tels moteurs pas à pas, il est également important que l'énergie magnétique E = 1/2 LI emmagasinée dans l'enroulement soit dissipée en très peu de temps, de façon à obtenir une baisse rapide du couple lors de la coupure de chaque enroulement. La difficulté réside en ce qu'on emploie ici, comme organes de comm'i'tation des transistors qui n'admettent que des tensions de coupure limitées. Comme l'intensité de la tension de coupure est inversement proportionnelle au temps de -coupure selon ltéquation u r -L. di/dt, elle peut atteindre facilement dans le cas de temps de coupure courts des valeurs conduisant à la destruction du transistor.Dans de tels circuits on est donc conduit, malgré le raccourcissement des temps de coupure, à limiter en amplitude les tensions de coupure. La présente invention a pour but de réaliser un circuit de commande permettant, en évitant les inconvénients rappelés- ci-dessus, d'éleveur le rendement ainsi que la fréquence de pas de moteurs pas à pas à commander la grandeur à régler n'étant pas la tension sur l'enroulement, mais le courant dans l'enroulement. On connaît un circuit dans lequel la valeur moyenne du courant du moteur est maintenue constante entre deux valeurs à 1paire d'un régulateur de courant constant à deux points. Le circuit connu est toutefois très compliqué et donc cobteux, car pour le réglage il faut des sous-ensembles particuliers. Ce circuit est, selon la présente invention, considérablement simplifié. L'invention est caractériséeen ce que les transistors de puissance sont excités aussi bien pour l'inversion de chaque enroulement de stator que pour le réglage à courant constant à deux points, Ils sont donc aussi directement utilisés pour le réglage du courant en supprimant des organes de commande supplémentaires. Lé réglage à deux points a pour effet que la puissance de perte des transistors est plus faible que la puissance de perte dûn régulateur continu, car chaque transistor de puissance-est soit complètement conducteur, soit complètement bloqué. Comme à l2enclenchement la totalité de la tension d'alimentation est appliquée à ltenroulement, tension qui est multiple de la tension nominale le courant dans l'enroulement croit brutalement selon une fonction exponentielle. Le courant est -limité par le réglage de courant quand le courantnominal prédéterminé est atteint. A partir de ce point, le courant est haché c'est-à-dire coupé, puis enclenché à de courts intervalles de temps, de sorte qu'à cause de l'effet d'induction' de l'enroulement il se produit un courant continu constant, auquel est superposé un courant ondulé relativement faible, non nuisible dans ses effets, provoqué par I'hystérésis du réglateur à deux points. Dans le cas où, de la façon proposée ci-dessus, les transistors de puissance sont utilisés pour le réglage de courant, il est recommandé de les exciter par l'intermédiaire d'une porte "ET" dont la première entrée est reliée chaque fois avec le répartiteur d'impulsions, et la deuxième entrée est reliée chaque fois avec la sortie d'un comparateur qui commande les transistors de ltétage de sortie de telle façon qu'à l'arrivée au courant nominal ils sont ouverts et formés de la manière expliquée ci-des-sus. A cet effet, il y a sur ia première entrée du comparateur une tension de consigne constante agissant en tension de référence et sur la deuxième entrée une tension effective proportionnelle au courant dans l'enroulement de stator. Un avantage particulier de ce circuit est que, pour régler le courant dans l'enroulement, donc le couple du moteur, il suffit de changer la tension de référence. Pour produire le comportement à hystérésis voulu, on peut relier la sortie du comparateur avec Sa deuxième entrée par une résistance de couplage, ce qui fournit le réglage à deux points, désiré. Par exemple le circuit peut être dimensionné de telle façon qutau courant d'enroulement de stator soit superposé un courant ondulé de fréquence de 5 kHz. On obtient un circuit particulièrement simple si, comme-il est de plus proposé par l'inventionD les émetteurs des transistors de puissance sont réunis à la.source de tension à travers une résistance d'émetteur commune sur laquelle on prélève la tension effective pour le comparateur. Dans ce circuit, le courant passant dans chaque enroulement produit dans la résistance commune une tension effective qui est comparée dans le comparateur avec la tension de consigne. Si la tension effective est inférieure à la tension de consigne, le transistor de puissance sélectionné par le répartiteur d'impulsions devient conducteur. Par conséquent, le courant dans l'enroulement augmente, ce qui augmente la tension effective présente sur la résistance d'émetteur.Quand la valeur effective a atteint la tension de consigne, le transistor d'étage de sortie correspondant est bloqué. C'est seulement quand la tension effective a baissé par rapport à la tension de référence d t uns valeur déterminée par la résistance de couplage, -que le transistor de puissance est ouvert à nouveau et le processus décrit recommence. Comme dans ce circuit la chute de tension sur la résistance d'émetteur commune s'annule pour le- transistor fermé, il est prévu, selon une autre caractéristique de l'invention, placée entre la résistance d'émetteur et la deuxième entrée du cpmparateur, une simulation de l'inductance. Elle a pour effet que la tension effective sur la deuxième entrée du comparateur baisse selon une fonction exponentielle de la même façon que le courant dans l'enroulement, de sorte que le transistor de puissance n'est pas ouvert immédiatement. D'une manière en soit connue, la simulation est constituée par une résistance ohmique en série et un condensateur en dérivation. Comme il a été mentionné ci-dessus, il est important dans de tels circuits que les tensions de coupure soient limitées aux valeurs non dangereuses pour le transistor. Pour y parvenir, dans l-'e-xemple de réalisation du circuit selon l'invention, on place, entre les collecteurs et les bases des transistors de puissance, des diodes de Zener qui ec les-transistors de puissance, agissent comme des diodes à fonctionnement libre commandées. Elles assurent la disparition dans le temps le plus court possible de l'énergie magnétique emmagasinée dans ltenroule- ment. D'autre part, dans le réglage du courant de l'enroulement de la façon conforme à l'invention, il n'est pas avantageux que le courant baisse trop vite, comme produit par la combinaison du transistor de puissance et de la diode Zener, parce que dans ce cas le transistor est enclenché pendant la plus grande partie du temps, car l'énergie extraite de l'enroulement par la désexcitation rapide doit être remplacée. Cela conduirait à extraire de l'alimentation de secteur une puissance relativement grande. Pour obvier à cet inconvénient l'invention propose un circuit d'extinction, qui, pour un enclenchement-coupure à haute fréquence du dispositif de réglage, produit une diminution lente de l'-énergie emmagasinée dans l'enroulement, et permet seulement une rapide diminution dns le cas du changement d'un enroulement de stator à l'autre par la combinaison de la diode Zener et du transistor de puissance efficace dans ce cas. Ces circuits d'extinction consistent en semi-conducteurs montés en parallèle sur les enroulement de stator, commandés par le répartiteur d'impul- sibns, qui sont connectés en série avec une diode placée dans le sens passant pour le courant de coupure de l'enroule- ment. Comme semi-conducteurs commandés, on peut prendre, par exemple, des tr2nnsistors, thyristors ou analogues , ce qui permet éventuellement de supprimer -la diode. Ces composants, sous la commande du répartiteur d'impulsions, sont conducteurs tant que le transitor correspondant est excité par le répartiteur d'impulsions. Le transistor de puissance correspondant, lors de la coupure par le répartieur dtimpul- sions, est bloqué pour la désexcitation rapide par suite de la tension de self-induction de l'enroulement prenant naissance sur la diode Zener placée entre le collecteur et la base, seulement jusqu'au point où la tension collecteurémetteur admissible mals pas dépassée. De plus, il est avantageux que les semi-conducteurs commandés soient enclenchés-coupas l'un après l'autre, pas à pas par des organes interposés, en fonctionnement normal à partir du répartiteur d'impulsions, en commun avec les transistors de puissance et, que lors de lapplicatian d'un signal sur une entrée de commande extérieure, ils puissent être influencés en commun ou isolément. De la sorte, le moteur pas à pas peut être mis au repos pour une fréquence située bien au-dessus de la fréquence de démarrage et d'arrêt9 et ceci dans le temps le plus court et sans perte de pas. Ici la désexcitation rapide effective en fonctionnement normal est mise hors service à linversion des enroulements de stator au moyen d'un signal logique sur l'entrée-de commande extérieure.A tout instant du fonctionnement, il est donc possible d'interrompre la désexcitation rapide et donc de ralentir la diminution du courant dans l'enroulement. D'autre part, grâce à cette disposition, le comportement dBamortissement peut titre amélioré dans un fonctionnement à pas individuel ou à basse fréquence. Dans une forme de réalisation avantageuse, les organes intermédiaires sont représentés par des portes logiques OU dont les premières entrées sont connectées séparément à la logique des commandes et les deuxièmes entrées sont connectées g en commun ou séparément, à une ou plusieurs entrées de commande extérieure. De cette façon on obtient un circuit de construction simple qui est d'un maniement pratique et de plus peut titre réalisé facilement sous forme intégrée. Les dispositions proposées par l'invention se prêtent non seulement auxmoteurs avançant pas à pas, mais en principe à ltexcitation-désexcitation rapide de systèmes électromagnétiques par-exemple, électro aimants, qui sont nécessaires aujourdthuj sur une grande échelle pour les commandes. La description ci-après se rapporte à l'exemple de réalisation représenté aux dessins sous forme de mbémas dgun circuit selon l'invention. Les enroulements de stator commandés 519 52 et 53 sont reliés chaque fois, par les transistors de puissance Ti, T2 et T3 et la résistance d'émetteur commune ne RE, asec les bornes B1 et B2 d'une source de tension continue, qui peut consister en un redresseur Graetz. En parallèle sur les Jonctions base-ccilecteur des transistors de puissance sont placées des diodes Zener D1, D2 et D3. En parallèle sur les enroulement de stator il y a les circuits d'extinction à transistors commandés T4, T5 et T6, qui sont chaque fois en série avec une diode à fonctionnement libre D4, D5 ou D6 connectée dans le sens passant pour le courant de dcharge de l'enroulement de stator. Les sorties d'une logique de commande SL servant à l'excitation des transistors de puissance et consistant essentiellement en un générateur d'impulsions et un répartiteur d'impulsions (non représentés), destinée à l'inversion des enroulements de stator sont chaque fois réunies à une entrée g11, g21 g31 de portes "ET" associées G1, 62, 63 respectivement, dont les sorties g12, g22, g32 respectivement conduisent chaque fois à la base du transistor de puissance associé. Les autres entrées g139 9232 g33 respectivement, sont reliées à la sortie K3 d'un comparateur K, dont les deux entrées K1 et K2 respectivement reçoivent d'une part la tension de référence URef et, d'autre part, la tension effective UI, prise sur la résistance d'émetteur commune RE.Entre la deuxième entrée K2 du comparateur et la résistance d'émetteur RE, est prévue une- cellule en T formée des résistances RI et R2 en série et du condensateur C1 en dérivation. Cette cellule en T représente une simulation de l'inductance des enroulements de stator S1, 52s S3 respectivement, et elle a-pour effet que la tension d'entrée sur la borne K2 du comparateur pour les transistors de puissance bloqués baissent en accord avec le courant dans un des enroulement de stator selon une fonction exponen tielle.Entre ltentrée K2 du comparateur et sa sortie K3s g est prévue de plus une résistance de couplage RH qui produit un comportement d'hytérésis des processus d'enclenchement- coupure des transistors de puissance, nécessaire pour le réglage du courant constant. La disparition de l'énergie magnétique accumulée dans les enroulements est assurée, en enclenchement-coupure à haute fréquence, c'est-à-dire dans le réglage du zourant-par le régulateur à deux points le dispositif d'extinction comprenant les transistors T4D T5 et T6 et les diodes à-fonctionnement libre D4, D5 et D6 servant à éviter un fonctionnement inverse de ces transistors. Les transistors T4, T5 et T6 sont excités dans le cas normal par l!intermédiaire des circuits d'égalisation.de potentiel P1, P2 et P3, respectivement, par la logique de commande comprenant le générateur et le répartiteur d'impulsions, de telle façon qu'ils sont conducteurs, seulement quand les transistors de puissance correspondants TI, T2, T3 respectivement sont excités par le répartiteur d'impulsions. Si le transistor de puissance correspondant, par exemple, le transistor-Ti, est excité par le dispositif de'régîage,de la façon expliquée, lténergie magnétique emmagasinée dans l'enroulement 51 peut entre dissipée par le transi-stor T4 ouvert et la diode D4 qui est maintenant~ dans le sens passant.Par contre, en cas d'excitation du transistor suivant, par exemple, du transistor T20 le transistor T4 est de nouveau bloqué de sorte que l'énergie magnétique emmagasinée dans l'enroulement S1 est dissipée par le transistor T1. Les entrées des circuits d'égalisation de potentiel sont réunies à la sortie d'une porte "OU" associée 64, G5, 66 respectivement, dont les premières entrées dont connectées séparément à la alogique de commande SL. Par contre, les deuxièmes entrées des portes "OU" sont connectées, en commun et appliquées à une entrée de commande extérieure E. Par conséquent alors que la logique de commande SL en fonctionnement normal enclenche en même temps un certain transistor de puissance et le circuit d'extinction correspondant à l'application d'un signal logique sur l'entrée de commande extérieure E ou les dispositifs d'extinction peuvent étre enclenchés en mEme tempsp indépendamment de ltétat de fonction nement du montage.En conséquence, toutes les désexcitations rapides, se -produisant rapidement par l'intermédiaire des transistors depussancq et des diodes Zener, sont mises hors de fonctionnement, ce qui fait que la dissipation d'énergie des enroulements de stator par les circuits d'extinction se fait lentement. De la sorte, il est possible d'améliorer sensiblement l'amortissement, en particulier dans un procédé pas individuels à basse fréquence. D'autre part, le moteur pas à pas peut & re arrêté dans le temps le plus court sans perte de pas, à partir d'une fréquence relativement élevée. Les dispositions nécessaires à cet effet sont simples et exigent seulement une très faible modification du circuit selon le ces normal. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée à l'exemple de réalisation ci-dessus décrit et représenté, à partir duquel on pourra. prévoir d'autres variantes, sans pour cela sortir du cadre de l'invention. RE\iENDICATI0NS 1 ) Circuit de commande pour l'excitation rapide de systèmes électromagnétiques, en particulier pour un moteur pas à pas avançant par impulsions électriques, dont le rotor avance par excitation d'enroulements de stator individuels décalés entre eux dans l'espace, lesquels sont reliés à une source de tension par des transistors de puissance qui sont excités en succession par un générateur d'impulsions par l'intermédiaire d'un répartiteur d'impulsions, alors que la valeur moyenne du courant des enroulements des stators est maintenue constante au moyen d'un réglage de couant constant à deux points, caractérisé en ce que les transistors de puissance (Tt, T2, T3) sont excités aussi bien pour l'inversion de l'enroulement de stator correspondant que pour le réglage de courant constant à deux points. 20) Circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce que les transistors de puissance (T1, T2, T3) sont excités à travers des portes "ET" (G1, 62, 63) dont les premières entrées (g11, g21, g31 > sont-reliées chaque fois avec le répartiteur d'impulsions et dont les deuxièmes entrées (g13, g239 g33) sont reliées chaque fois avec la sortie (K3) d'un comparateur (K) dont la première entrée (K1) reçoit une tension de consigne constante agissant en tension de référence (UR ef > et la deuxième entrée (K2) reçoit une tension effective proportionnelle au courant d'enroulement de stator. 30) Circuit selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la tension de référence peut être modifiée pour le réglage du courant d'enroulement. 40) Circuit selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que la sortie (K3) du comparateur (K) est reliée à sa deuxième entrée (K2) par l'intermédiaire d'une résistance de couplage (RH) pour la production d'un comportement avec hystérésis. 50) Circuit selon l'une des revendications 2, 3 ou 4, caractérisé en ce que les émetteurs des transistors de puissance (T1, T2, T3) sont reliés à la source de tension (B) par une résistance d'émetteur commune (RE), sur laquelle on prélève la tension effective (UI) pour le comparateur (K). 60) Circuit selon la revendication 5, caractérisé en ce que, entre la deuxième entrée (K2) du comparateur (K) et la résistance d'émetteur commune (RE) est placée unie cellule en T consistant en deux résistances ohmiques (R1, R2) dans la branche longitudinale et un condensateur (cul) en derivation. 7 ) Circuit selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé -en ce que, pour désexcitation rapide des enroulement destator, (51, 52, 53) des diodes Zener (D1, D2, D3) sont placées entre les bases et les collecteurs des transistors de puissance (T1, T2, T3). 80) Circuit selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que, en parallèle sur les enroulement de stator (51, 52, 53), est placé chaque fois un semi-conducteur commandé par le répartiteur de dtimpulsions9en particulier un transistor (T4, T5, T6) en série avec une diode (D4, D5, D6). 90 Circuit selon l'une des revendications 7 et 8, caractérisé en ce que le semiconducteur commandé (T4, T5, T6) placé en parallèle sur l'enroulement de stator correspondant (51, 52, 53) est conducteur aussi longtemps que l'enroulement de stator (S1, 52, 53) est excité par le répartiteur d'impulsions, que chaque transistor de puissance étant bloqué à la coupure par le répartiteur d'impulsions par suite de la naissance-de la tension de self-ånduction de l'enroulement, par la diode Zener (D1, D2, D3) placéeentre collecteur et base pour la désexcitation rapide seulement pour autant que la tension collecteurémetteur admissible n'est pas dépassée. 100) Circuit selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérise en ce que les semi-conducteurs commandés (T4, T5, T6) peuvent Btre enclenchés-coupés pas à pas successivement par des organes intermédiaires (64, t5, 66) dans le fonctionnement normal du répartiteur d'impulsions, en même temps que les transistors de puissance, et, lors de ltémission d'un signal sur une entrée de commande extérieure (E), ils peuvent entre influencés an coma - individuellement. 110) Circuit selon la revendication 10, caractérisé en ce que les organes intermédiaires (64, G5, G6-) sont constitués par des portes logiques "OU", dont les pri.ères entrées sont connectées séparément à la logique de commande (SL) et dont les deuxièmes entrées sont connectées en commun ou séparément à uneouplusieurs entrées de commande extérieures (E)