Brevet FR2283579A1 — publié le 19760326

L'invention due à Manfred KUCHENBECKER, est relative à un procédé pour commander des moteurs pas à pas. De tels moteurs sont utilisés pour la commande numérique de machines-outils, comme servomoteurs dans la technique de la commande et du réglage et, ces derniers temps, dans les installations de traitement de données, notamment pour la commande de porte-caractères dans des mécanismes imprimeurs, pour le transport de chariots imprimeurs ou de têtes d'impression dans les mécanismes d'impression du type série, pour le transport de têtes magnétiques dans les mémoires à disques et pour le transport de supports d'impression. Les moteurs pas à pas ne sont pas raccordés à un réseau à tension constante, mais à un appareil de commande particulier qui, sous l'action d'impulsions de commande, produit une rotation pas à pas du rotor, la plupart du temps par commutation et inversion de polarité des bobines de champ. En raison du genre particulier de la caractéristique de couple du moteur pas à pas, du moment d'inertie propre du rotor, ainsi que des moments d'inertie des charges appliquées, chaque mécanisme d'entratnement à moteur pas à pas constitue un élément susceptible d'auto-osciller. La rotation du rotor d'un pas angulaire déterminé défini par construction, est suivie ainsi de phénomènes oscillatoires d'ar rt. Ce phénomène oscillatoire parasite entraine, en fonction de la résonance propre du système tournant, un amortissement de l'oscillation de rotation qui se produit jusqu'à ce que la posS tion finale du rotor soit atteinte. Ce comportement, résultant de phénomènes physiques inéluctables, se produit alors notamment lorsque le moteur pas à pas n'est que faiblement chargé.Pour le commande numérique de machines-outils, une opération de positionnement se compose le plus souvent d'un très grand nombre de pas angulaires, la durée de l'oscillation transitoire indispensable après chaque opération de positionnement étant négligeable par rapport au temps demandé par l'opération de positionnement elle-meme. Dans un certain nombre de problèmes d'entrainement posés par les installations de traitement de données, on a besoin au contraire de mouvements d'amplitudes rectilignes ou angulaires relativement faibles qui doivent être effectués dans des temps très brefs, avec une position finale bien définie. En outre, dans de tels mécanismes d'entrainerent, le moteur pas à pas n'est chargé la plupart du temps que par l'inertie des masses du méca- nisme à entraîner. Cette charge relativement faible contribue aux oscillations transitoires périodiques pendulaires du système avant qu'il atteigne sa position d'arrêt. C'est pourquoi, pour résoudre les problèmes d'entrainement posés par les installations de traitement de données, on a proposé des solutions appropriées qui visent à réduire dans une mesure admissible le comportement indésirable de moteurs pas à pas. Pour amortir le mouvement de moteurs pas à pas on sait engendrer, à l'aide de la viscosité d'un liquide approprié, un couple de frottement proportionnel à la vitesse de rotation du moteur (brevet DL ne 59.311). L'inconvénient est que l'amortissement réduit la fréquence propre du moteur. On sait empêcher les processus d'oscillations amorties d'arrêt à l'aide d'une channe d'éléments temporisateurs de constantes de temps différentes (demande de brevet DT n" 1.563.019).L'inconvénient est la mise en oeuvre et le coût de nombreux éléments composants et la nécessité de régler individuellement les éléments temporisateurs, car ceux-ci n'agissent pas indépendamment l'un de l'autre. On sait encore interrompre la série d'impulsions de courant du moteur avant que la position d'arrêt désirée soit atteinte et déclencher une impulsion d'arrêt lorsque le moteur a oscillé d'un pas au-delà de la dernière position (demande de brevet DT nO 1.613.333). On sait également pour retarder le mouvement du moteur, décaler en avant le champ du moteur très rapidement suffisamment pour qu'il se trouve dans une position qui retarde le mouvement du moteur. L'inconvénient des deux procédés est qu'ils exigent un état oscillatoire établi, c'est-à-dire une vitesse constante. Mais cet état ne peut entre atteint que pour un nombre de pas relativement grand. L'invention a donc pour but d'éliminer les inconvénients précités au prix d'une complication et d'un coût acceptables. Le problème que vise à résoudre l'invention est de fournir un procédé, pour commander des moteurs pas à pas, qui évite les oscillations périodiques du rotor avant son arrêt et qui puisse être mis en oeuvre, d'une manière avantageuse, toutes les fois qu'un objet à entraîneur doit être transporté selon des intervalles de n'importe quelle étendue désirée et selon n'importe quelle succession désirée ou lorsqu'on exige des intervalles de déplacement à vitesse constante. Ce problème est résolu, conformément à l'invention, dans le cas où les enroulements de champ sont excités, pour chaque intervalle de déplacement du rotor, par des appareils de commande à l'aide d'une succession de pas et où le champ tourne à vitesse angulaire constante, par le fait que, pour le démarrage, le champ tournant est commandé à une certaine fréquence de commande jusqu'à ce que la vitesse angulaire du rotor, à un premier instant, ait atteint sa valeur maximale, qu'à cet instant la fréquence de commande est amenée à une seconde valeur, double de la première, la vitesse angulaire du rotor demeurant constante, que, lorsqu'on veut commander l'arrêt, à un second instant, la fréquence de commande est réduite à une troisième valeur, la vitesse angulaire du rotor diminue fonctionnellement et, à l'interruption de la commande du champ tournant, à un troisième instant le rotor s'arrête sans oscillations, ce troisième instant étant décalé d'une demi-période d'oscillation par rapport au second, et que l'appareil de commande associé est muni de moyens électriques, en soi connus, pour compenser l'amortissement. Selon un mode de réalisation avantageux de la solution conforme à l'invention, la fréquence de commande est élevée par rapport à la fréquence propre du moteur pas à pas, mais cependant inférieure à la fréquence de démarrage de ce moteur, la fréquence de commande étant choisie de telle manière que le nombre périodique de pas du moteur pas à pas soit parcouru dans le double du premier intervalle de temps. Selon un autre mode de réalisation de la solution conforme à l'iqvention, pour la compensation de l'amortissement, les enroulements de champ correspondants sont alimentés en surinten-t sité après l'excitation ou la commutation d'un enroulement, ou le commencement de chaque succession de pas est commandé par une fréquence de commande qui est supérieure à la moitié de la seconde valeur de la fréquence de commande et, pendant le processus de freinage, la fréquence de commande est réduite à une troisième-valeur, laquelle est inférieure à la moitié de la seconde valeur de la fréquence de commande. Contrairement aux solutions actuellement connues de la technique, la solution conforme à l'invention offre l'davantage de réaliser des mécanismes d'entrainement à moteurs pas à pas, notamment pour des installations de traitement de données, qui sont simples et peu coûteux, tout en présentant cependant une grande efficacité. L'invention est expliquée plus en détail ci-après, à l'aide de certains de ses modes de réalisation, pris à titre illustra tif mais nullement limitatif, en se référant aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 représente en fonction du temps les variations de la vitesse angulaire pendant un cycle de commande, dans le cas idéal, sans tenir compte de l'amortissement ou en le compensant en alimentant en surintensité les enroulements de champ après excitation ou commutation d'un enroulement, et - la figure 2 représente en fonction du temps les variations de la vitesse angulaire pendant un cycle de commande, en tenant compte de l'amortissement et en le compensant en commandant le commencement de chaque succession de pas à l'aide d'une fréquence supérieure à la moitié de la seconde valeur de la fréquence de commande et, pendant le freinage, en réduisant la fréquence de commande à une valeur inférieure à la seconde valeur de cette fréquence. La courbe représentée sur la figure 1 représente en fonction du temps t les variations de la vitesse angulaire CS pour un cycle ce commande effectué dans des conditions idéales sans tenir compte de l'amortissement. Cette courbe peut être obtenue aussi en compensant l'amortissement par alimentation en surintensité des enroulements de champ correspondants après excitation ou commutation d'un enroulement. En-excitant les enroulements de champ correspondants, après excitation ou commutation d'un enroulement, on déclenche, à l'instant to, une succession dtim- pulsions.La vitesse angulaire S augmente de la manière représentée sur la figure 1 et atteint son maximum tmax à l'instant ti. Conformément à l'invention, à cet instant on double la fré quence de commande, qui était initialement égale à fsl et qui devient donc égale à 2fsl = fs2, et cet état de marche à vitesse constante peut etre maintenu aussi longtemps qu'on veut.Sur ia figure 1 on a porté en trait interrompu la courbe de la vi tesse angulaire ff pour le cas où, à l'instant tl la fréquence de commande n'est pas doublee, c'est-à-dire par exemple fs2 = fsl. Cette vitesse angulaire décroît jusqu'à zéro symétriquement par rapport à la courbe de démarrage et on n'obtient pas une vitesse angulaire tj) constante. Lorsque fs2 =2fus1, pendant la phase à vitesse constante, représentée en trait plein sur la figure 1, on peut à n'importe quel instant t2 déclencher le frei nage du rotor, en réduisant à cet instant t2 la fréquence de comme mande à une valeur fs3 qui, dans le cas idéal, correspond à la fréquence de démarrage fsl. La vitesse angulaire # décroît en conséquence.Si, à l'instant t3, la commande du champ tournant est interrompue, le rotor s'arrête sans oscillations. L'instant t2 doit être choisi de manière appropriée car l'instant t3 prévu pour l'arrêt du rotor est décalé d'une demi-période d'oscillation par rapport à l'instant t2. On a porté ce déroulement d'un cycle de commande sur la figure 1, l'intervalle de temps tl - to étant égal à/u), l'intervalle de temps t2 - t1 étant indifférent et l'intervalle de temps t3 - t2 égal à #/# (# étant la pulsation d'oscillation). Le maximum, atteint à l'instant t1, de la vitesse angulaire correspond à la valeur 2fsl .#s , #s étant l'angle correspon ayant à un pas et fsl étant toujours la fréquence de démarrage. A l'instant t3 la vitesse angulaire # est nulle. Dans ces conditions il ne se produit plus d'amortissement périodique des oscillations Us, comme dans les solutions connues, ou cet amortissement est tombé à un minimum négligeable. Pour mieux faire comprendre le mode de fonctionnement de la commande, notamment son action consistant à empêcher des oscillations amorties à l'arrêt du rotor d'un moteur pas à pas, on va décrire mathématiquement ce qui se passe. En supposant une commande idéale (courants constants dans les enroulements excités à un moment donné, absence de contreréaction du système mécanique sur le système électrique) l'entrainement peut être représenté par l'équation suivante (1) (#Mot + #charge).# + Mcharge (#,#) = M (#-n . #s) formule dans laquelle #Mot = moment d'inertie du rotor. charge P = moment d'inertie de la charge. M = couple de charge. charge S = vitesse angulaire. = = angle fixant la position du rotor. n = nombre entier variable. Le décalage d'argument n.s de la caractéristique M(#) exprime le décalage pas à pas de cette caractéristique à chaque pas de commande (électrique). La caractéristique M (5 ) peut, dans la plupart des cas, être représentée avec une bonne approximation par l'équation (2) M (#) = - MK . sin Z dans laquelle MK désigne le couple de basculement ou couple statique maximal du moteur et Z le nombre de cycles de pas par tour. Pour obtenir une première solution approchée de l'équation (1) on peut, pour Z .###/2 remplacer l'équation (2) par (3) M (#) = - MK . Z # Si dans l'équation (3) on introduit l'angle # fixant la position du champ tournant, cette équation prend la forme (3a) M (#) = - MK (Z#-#). Si le moteur pas à pas est excité par une succession de pas, on peut, notamment pour des moteurs à grand nombre de pas périodiques, exprimer T en fonction du temps, avec une bonne approximations par l'équation (4) #(t) = # (t) lorsque la fréquence de commande fs est grande par rapport à la fréquence propre # du moteur. Dans l'équation (4) # désigne la vitesse angulaire du champ tournant et t l'angle fixant la position de ce champ tournant. En portant l'équation (4) dans l'équation (3a) et avec les conditions initiales # = = O on obtient les solutions suivantes (5) #=#t - #/# sin #t et (6) #=#(1 - cos #t). Ces équations montrent que pour t =#/# on a # (t) =#t = # et # (t) =# (#/#) = 2#. Si, dans ces conditions, à l'instant t1 (figure 1) la fréquence de commande fsl est doublée, c'est-à-dire#(t) - le moteur continue à tourner à vitesse angulaire constante égale à#= = 2# (phase de marche à vitesse constante sur la figure 1). L'arrêt peut s'effectuer à cet instant, en revenant à une fréquence de commande fs3 qui, dans le cas idéal, est égale à la fréquence de démarrage fsl. A partir de l'instant t2 (figure 1), la seconde demi-période de l'équation (5) et de l'équation (6) est parcourue, de sorte qu'à l'interruption de la commande du champ tournant, à l'instant t3 = t2 + f , le moteur demeure arrêté sans effectuer d'oscillations.Mathématiquement on obtient cet effet en prenant t = 2#/# dans les équations (5) et (6), ce qui donne 9 (t) ns" t =# et S (t) n 0, c'est-à-dire que si à l'instant t3 (figure 1) la commande du champ tournant est in terrompue, c'est-à-dire que # t t =# # = O, le moteur demeure arrêté sans effectuer d'oscillations. Dans l'explication ci-dessus on a utilisé la vitesse angulaire ^29 et la fréquence de commande fs1, fs2, fs3. La relation entre ces grandeurs peut s'exprimer par l'équation suivante : (7) # = fs . fs (1,2,3) l'équation (7) montre comment la vitesse angulaire Z varie en fonction de l'angle de pas # #s et des fréquences de commande correspondantes fs, fs2, fs3 qui, conformément à l'invention. agissent pendant les intervalles de temps tl - to, t2 - tl et t3 -tL Les limites de ce processus sont fournies par le fait que le rapport de la vitesse angulaire du champ tournant Sbet de l'angle de pas #s ne doit, au cours du démarrage, pas dépasser la fréquence de démarrage fg du moteur pas à pas, c'est-à-dire (8) #/#s ( fg c'est-à-dire que la fréquence de commande fsl ne doit pas dépasser la fréquence de démarrage. Dans la plupart des cas il se révèle avantageux de choisir la vitesse angulaire nJ du champ tournant de telle manière que dans le temps t n 2 #/# (2 étant la fréquence propre du moteur) le nombre de pas périodique m du moteur et par conséquent un cycle de commande soit parcouru exactement une fois, du fait que dans ce cas la commande est toujours interrompue dans un état de commande bien déterminé du montage de commande. Dans l'exposé mathématique ci-dessus on n'a pas tenu compte, pour simplifier, de l'amortissement, dû par exemple à l'objet entraîné ou aux légers effets de contre-réaction entre le courant d'excitation et les grandeurs mécaniques. Une possibilité de compenser l'amortissement a été indiquée, à propos des explications relatives à la figure 1, qui consiste à engendrer une cause d'amortissement dans l'appareillage de commande, par exemple au moyen de ccndensateurs et d'exciter les enroulements de champ correspondants en surintensité. Grâce à cette disposition. on peut, avec un amortissement relativement faible, obtenir les variations de vitesse angulaire représentées sur la figure 1.Pour un amortissement plus important, on peut utiliser, en complément ou en variante l'un des deux autres procédés de compensation d'amortissement indiqués, en commandant avec une fréquence de pas supérieure le commencement de chaque succession de pas, et obtenir la variation de vitesse angulaire représentée sur la figure 2, dont on va tout d'abord exposer l'allure. En excitant les enroulements correspondants, comme on l'a déjà indiqué à propos de la figure 1, on engendre, N l'instant to, une succession de pas.La vitesse angulaire # du moteur augmente, mais, par suite de l'amortissement, la valeur maximale #max de celle-ci se trouve à une certaine distance # # en dessous de la valeur 2fs1 . #s. On a représenté encore en trait interrompu les variations en fonction du temps de la vitesse angulaire # dans le cas où. à l'instant ti, la fréquence de commande n'est pas augmentée, mais est au contraire, par exemple, maintenue. La valeur minimale de la courbe représentée en trait interrompu se trouve par conséquent à la distance # au-dessus de l'axe des t.On a représenté encore en trait interrompu-sur la figure 2, les variations de la vitesse angulaire à partir de l'instant t2 dans le cas où la fréquence de démarrage fs1 est doublée, c'est-à-dire où fs2 = 2.fsl. En raison de la différence de vitesses angulaires # à cet instant, on obtient pour la vitesse angulaire # un ré gime d'oscillations transitoires à la vitesse 2fs1.s. s.Afin qu'entre les instants tl et t2 on puisse obtenir une vitesse angulaire 9 constante, la fréquence fs2 doit pendant la phase de marche à vitesse constante être inférieure au double de la fréquence de démarrage fsl, c'est-à-dire fs2 ( 2fs1, ou la fréquence de base fo doit etre supérieure de #f afin que l'on ait fs1 > fs2/2. Si pour l'arrêt. à l'instant t2 on ramenait la fréquence de commande à une valeur fs3 correspondant à la fréquence de commande dc démarrage fsi, c'est-à-dire fs3 = fsl, on obtiendrait la variation représentée sur la figure 2 en trait interrompu à partir de l'instant t2. il se produit une oscillation Us et, à à l'instant t3, le rotor n'est pas à l'arrêt. La vitesse angula ire # à l'instant t3 n'est pas nulle mais présente la valeur #, le rotor oscille au lieu de s'arrêter.La fréquence de freinage fs3 doit donc être inférieure à la moitié de la fréquence de commande fs2 pendant la phase de marche à vitesse constante, c'est-à-dire fs3 ( fs2/2, afin qu'à l'instant t3 le rotor s'arrête. Cette variation est représentée en trait plein sur la figure 2, entre les instants t2 et t3. La fréquence de freinage fs3 doit ainsi être abaissée d'une valeur bf pour compenser l'influence désavantageuse de l'amortissement. La valeur absolue de bf dépend de l'amortissement qui est provoqué par la relation moteur/charge et doit dans chaque cas être déterminée par des mesures. Comme il va de soi et comme il résulte d'ailleurs déjà de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à ceux de ses modes d'application et de réalisation qui ont été plus spécialement envisagés ; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes. REVENDICATIONS 1. Procédé pour commander des moteurs pas à pas dont les enroulements de champ sont excités par des appareils de commande, pour chaque intervalle de déplacement du rotor, à l'aide d'une succession de pas, le champ tournant à vitesse angulaire constante, lequel procédé est caractérisé en ce que, pour le démarrage, le champ tournant est commandé à une certaine fréquence de commande (fsl) jusqu'à ce que la vitesse angulaire (\ ) du rotor, à un premier instant (tl), ait atteint sa valeur maximale, qutà cet instant (tl) la fréquence de commande est amenée à une seconde valeur (fs2 > , double de la première, la vitesse angulaire ( du rotor demeurant constante, que, lorsqu'on veut commander l'arrêt, à un second instant (t2), la fréquence de commande est réduite à une troisième valeur (fus3) la vitesse angulaire ( ) du rotor diminue fonctionnellement et, à l'interruption de la commande du champ tournant, à un troisième instant (t3) le rotor s'arrête sans oscillations. ce troisième instant (t3) étant décalé d'une demi-période d'oscillation par rapport au second (t2), et que l'appareil de commande associé est muni de moyens électriques, en soi connus, pour compenser l'amortissement. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la fréquence de commande (fsl) est élevée par rapport à la fré quence propre (g ) du moteur pas à pas. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la fréquence de commande (fui) est inférieure à la fréquence de démarrage (fg) du moteur pas à pas. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la fréquence de commande est choisie de telle manière que le nombre périodique de pas du moteur pas à pas soit parcouru dans le double du premier intervalle de temps. 5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, pour la compensation de l'amortissement, les enroulements de champ correspondants sont alimentés en surintensité après l'excitation ou la commutation d'un enroulement. 6. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, pour la compensation de l'amortissement. le début (to) de chaque succession de pas est commandé avec une fréquence (fsl) supérieure à la moitié de la seconde fréquence de commande (fs2). 7. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que pour la compensation de l'amortissement pendant l'opération de freinage, la fréquence de commande est réduite à une valeur (fs3) inférieure à la moitié de la seconde fréquence (fs2).