Brevet FR2257940A1 — publié le 19750808

La présente invention concerne un dispositif automatique de remise à une position d'équilibre stable d'un équipage mobile sous l'action d'une force. Bon application privilégiée aux pesées automatiques permet d'effectuer des mesures de charges avec un degré de rapidité et un niveau de précision déterminés à l'avance par le constructeur. Les dispositifs automatiques modernes d'asservissement permettant de détecter tout écart d'un équipage mobile par rapport à une position déterminée et, simultanément, de lui faire recouvrer une position d'équilibre stable au moyen d'un dispositif de rappel commandé par le détecteur d'écart, sont seuls aptes à répondre avec efficacité au compromis toujours recherché rapidité-précision de la stabilisation. La quasi totalité des dispositifs actuels d'asservissement comportent des moyens électromagnétiques de rappel. Ces moyens électromagnétiques, qu'il convient d'appeler plus précisément électro-aimants, présentent de nombreux inconvénients. En ce qui concerne l'asservissement proprement dit, deux difficultés majeures doivent Btre surmontées. La première résulte de la "raideur énergique1 à la commande d'un électro-ainant, dont l'une des conséquences est le phénomène de pompage. Il existe bien des procédés visant à pallier en partie oe phénomène, par exemple adjonction de dispositifs secondaires d'amortissement des oscillations ou, comme dans le brevet Américain 20568I0, dispositif de détection-commande à action amortie. Dans ce dernier cas, le dispositif de commande comporte une paire de condensateurs variables dont le rôle est de créer "une force antagoniste proportionnelle au courant de la bobine de champ qui rappelle le fléau à sa position de référence". Les actions résultantes vont inévitablement à l'encontre de la rapidité de stabilisation en raison de l'utilisation de condensateurs. ha seconde difficulté concerne la précision de stabilisation. Les électro-aimants ont en éffet une course limitée; un faible déplacement de leurs bobines modifie notablement les forces ézercées par celles-ci. Il n'est possible de parfaire la précision qu'au moyen 4'un dispositif de détection-commande extrêmement précis; or augmenter la précision de la commande ne peut qu'entratner un retard supplémentaire de la stabilisation. En ce qui concerne l'enregistrement des mesures de charges dans le cas de pesées automatiques, les difficulté devant être surmontées (sans que cela ne soit toujours possible) sont également très importantes. Il est quasiment impossible d'évaluer directement avec une précision correcte tout déplacement, force ou couple agissant sur l'équipage mobile (qui peut être le fléau d'une balance) ou sur l'électro-aimant. I1 y a donc recours nécessaire au dispositif de détection-commande, comme dans le brevet Américain 20568I0 par exemple où le courant de la bobine de champ de I' électro-aimant est commandé par un circuit de référence comportant une résistance des bornes de- laquelle la tension est convertie par un voltmètre numé- rique ou digital pour l'enregistrement des mesures. Cela implique, d'une part que ce dispositif soit très précis (donc perfectionné), d'autre part admettre qu'un dispositif d'asservismement électrique permet de convertir des forces en courant continu proportionnel, ce qui n'est exact que dans une étendue de mesures limitée par de nombreux facteurs tels que le rapport du courant minimal au. courant maximal, la zone de linéarité de la force produite par le noyau de l'électro-ainant en fonction du courant traversant sa bobine; mais c'est faire abstraction de nombreux autres facteurs tels que bruit de fond, stabilité et dérive des composants utilisés (résistances ou autres, traneistors dans la chaîne d'amplification, etc...), stabilité des aimants permanents. Le compromis rapidité-précision de stabilisation au moyen de dispositifs comportants des composants électromagnétiques de rappel eet donc très limité, les inconvénients d'enregistrement de mesures, dans le cas de pesées automatiques, sont Majeurs. Le dispositif, objet de l'invention, permet de réduire considérablement, voir supprimer ces inconvénients gracie à l'utilisa- tion d'un moteur à induit comme moyen de rappel, et abandon de tout dispositif magnétoélectrique. La différence fondamentale entre les deux procédés de stabilisation, cette différence se répercutant considérablement sur la rapidité et la précision de stabilisation, provient de ce que le rappel de l'équipage mobile est obtenu par rotation et action de couple, et non plus par déplacement rectiligne de force, Il est dès lors possible de jouer à volonté mécaniquement (et/ou électriquement) sur la rotation, en amplitude, au moyen de dispositifs démultiplicateurs, élastiques et/ou hydrauliques afin d'optimiser la stabilité; le dispositif de détection-commande- n1a plus besoin d'titre extrêmement précis (ce qui n'exclut pas sa sensibilité); des lors tous les facteurs "non maitrisablest tels que bruit de fond, stabilité et dérive de composants électriques ou électroniques quelconques n'ont plus d'influence; en outre, en effet, et dans le cas de pesées automatiques, l'enregistrement des mesures peut être obtenu par évaluation directe de la rotation de toute partie du dispositif de rappel, cette rotation êtant proportionnelle au couple appliqué à l'équipage mobile. Le dispositif, objet de l'invention, dispositif tel qu'il n'en existe pas répondant au principe de la présente invention, comporte donc une "chaîne d'asservissement" représentée de façon non limitative sur la figure 3 et dont le fonctionnement est le suivant: foute modification de la position de l'équipage mobile 6 conduit à une modification de la tension délivrée par le détecteur électronique d'écart 2 qui commande le moteur à induit I après am- plification (? et 8) Le moteur rappelle l'équipage mobile au moyen d'un dispositif élastique ou hydraulique 5, après démultiplication 4 afin de compenser le couple dû à toute force éxercée sur l'équipage. Les opérations "détection et rappel" sont simultanées et ne deman- dent aucune intervention extérieure. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention appa raient dans la description suivante qui n'a, également, qu'une valeur d'exemple, précis et détaillé, "non limitatif de l'invention", et concerne plus précisément les pesées automatiques. La partie mécanique est importante en raison de ses répercuslions sur la précision de mesures (frottements en particulier) Le plateau 61@@ déplace verticalement. Les liaisons entre celui-ci et le fléau principal 6 sont telles qu'il ne doit exister aucun éffort autre que verticaL dans toutes les parties en mouvement vertical. Le dispositif représenté sur la figure I (utilisation de deux fléaux) répond à cette exigence et autorise toutes les positions possibles d'une charge sur le plateau sans perturber le couple dû à cette charge exercé sur l'axe de rotation du fléau principal. Figures I et 2s Le moteur I entre donc par rotation, et au moyen du réducteur 4 et du ressort 5, le fléau 6 autour de son axe de rotation fictif 62; son rôle est de rétablir l'équilibre de ce fléau (et donc du plateau) par rotation du ressort 5. Ce ressort 5 (fig.2) est un ressort à boudin; il peut être remplacé par tout autre dispositif élastique ou hydraulique dont la rotation autour de l'axe 42 est une fonction linéaire du couple appliqué à ses extrêmités. Ses caractéristiques principales (constante de torsion, longueur, sensibilité) dépendent de la sensibilité imposée (précision) et du couple maximum appliqué à ses extrêmités, ainsi que du choit suivant: la roue codeuse 3 (fig.2), qui sert à déchiffrer et à déterminer la mesure d'une charge et dont l'axe de rotation est commun à l'axe de sortie 42 du réducteur 4, peut ttre déterminée pour qu'à la charge maximale lui corresponde un ou plusieurs tours de rotation, et donc également au ressort. Les deux extrêmités du ressort sont reliées, l'une au fléau principal 6, l'autre au réducteur démultiplicateur 4 (fig.2). Ce ressort est absolument nécessaire. Si en éffet le réducteur 4 était relié directement au fléau 6 il se produirait le phé- nomène suivant: A toute rupture de l'équilibre -dûe au dépot d'une charge- le fléau 6 entratnerait dans sa rotation l'arbre 42 d'un angle identique et par suite le moteur (avec rappel simultané de celui-ci); la différence angulaire entre la position d'équilibre initiale et la nouvelle serait très faible; le moteur ne tournent que d'une très faible valeur, la stabilité serait très mauvaise; en outre la précision de mesure, obtenue par évaluation de l'angle dont a tourne l'arbre 42, serait très médiocre.Ce serait en quelque sorte retrouver l'un des inconvénients majeure des dispositifs comportant des moyens. électromagnétiques de rappel; mais ce qui n'est pas possible avec les électro-aimants le deviens avec l'adop- tion d'un moteur à induit, à savoir dispositif intermédiaire entre moyen de rappel et fléau. Le rôle du ressort est donc de stabiliser l'ensemble (supprimer notablement tout phénomène de pompage) et de permettre à l'arbre 42 (donc au codeur 3) de tourner d'une valeur angulaire suffisante pour obtenir une bonne précision de décodage. Le rôle du réducteur démultiplicateur 4 (fig.2) est d'accroî- trele couple éxercé par le moteur à l'extrêmité du ressort qui lui est liée. Il joue donc non seulement en faveur de la sensibilité, car pour une grande rotation du moteur ne correspond qu'une faible rotation du ressort (donc du fléau), mais aussi en faveur de la sta- bilité en raison de la vitesse de rotation de l'arbre 42 plus faible que la vitesse de rotation simultanée du moteur loreque le dispositif est dans la phase de recherche de son équilibre. Pour les pesées automatiques d'utilisation courantes (de O à IO kg), le rapport de réduction pourra être compris entre 25 et 50. Le moteur I (fig.2) est la pièce maîtresse du dispositif. Son rôle est connu et son choix dépend essentiellement du couple maximum qu'il doit ttre an mesure d'appliquer sur le ressort 5 par l'intermédiaire du réducteur 4; ce couple maximum (charge maximale) détermine sa puissance minimale. Ce moteur fonctionne à courant continu (tout autre mode de fonctionnement pouvant être envisagé). Les calculs montrent que le moment d'inertie de toutes les parties mécaniques citées (autres que le moteur et le réducteur) rapporté à l'are de rotation II du moteur est négligeable devant le moment d'inertie de l'ensemble moteur-réducteur rapporté à ce même axe. Il est en éffet divisé par le carré du rapport de réduction (autre raison du choit d'un réducteur). L'inertie de la partie é- canique n'influence donc pas le mouvement d'entraînement du moteur. ainsi le temps de réponse de toute mesure (temps maximum écoulé entre l'instant où une charge est déposée sur la plateau de la balance et l'instant où le résultat de sa mesure est affiché par décodage à l'équilibre) est indépendant de l'inertie de toutes les parties mécaniques et est donc pratiquement égal au temps d'accélé- ration du moteur et de sa stabilisation (avec un bon choix du r*- ducteur) en ne tenant compte que des caractéristiques du moteur (inertie de l'induit, viscosité, caractéristiques électriques,...) et de l'inertie du réducteur (plus faible ou du même ordre que celle de l'induit du moteur). Le temps de réponse fixe donc le chois du moteur, ma puissance minimale atant connue. Il existe actuellement des moteurs très perfectionnés et fiables, d'accélération très rapide (sans ommettre que le moteur, utilisé comme composant électrotechnique d'un dispositif, possède un avenir certain tant sur le plan des perfectionnements pouvant lui ttre apportés que sur celui de es nombreuses applications). Ces différentes remarques valent pour toutes les pesées automatiques de précision et de rgpidité de mesure qui permettent de fournir, avec le dispositif de la présente invention, une précision du gramme ou du décigramme (précision pouvant être améliorée sans difficulté majeure) pour un domaine de variations de O à IO Kg (ou précision relative du même ordre pour tout autre domaine de varia- tions); et un temps de réponse inférieur à la seconde ou quelques dixièmes de seconde (un temps inférieur 9tant superflu!). Le fonctionnement du moteur est le suivant: A toute position d'équilibre il est à l'arrêt. Il éxerce alors sur le ressort, après réduction, un couple de rappel corres- pondant à toute charge particulière qui compense le couple -dû à cette charge- éxercé par le fléau. Le moteur fonctionne donc par variations de sa tension d'alimentation U. Le couple minimum et le couple maximum fournissent la limite inférieure et la limite supérieure de cette tension d'alimentation (sa limite supérieure -de l'ordre de 5 volts pour un couple maximum de 20.10 3 M.m. sur l'arbre moteur Stent très inférieure à la tension nominale du moteur -de l'ordre de 30 volts). Le moteur Mitant commandé après amplification par deux cellules photo-électriques 21 (détecteur électronique d'écart 2 fig.I), les tensions fournies par ces cellules sont données par un éclaire- ment très légèrement différent de celles-ci dans les deux cas. Remarque importante: Le déchiffrage de toute mesure est obtenu par décodage et évaluation de la rotation de l'axe 42. Le déco- dage est une fonction linéaire de cette rotation, car le ressort est à constante de torsion linéaire. En conséquences, la précision recherchée impose une déviation angulaire maximale du fléau autour de sa position horizontale (ou position d'équilibre à vide), quel- que soit la charge à mesurer. C'est dans cette zône de déviation angulaire maximale autorisée que l'alimentation du moteur doit être assurée par le détecteur électronique d'écart 2.En conséquences il s'en suivra une position d'équilibre du fléau propre à toute charge à l'intérieur de cette son. angulaire (cette position d'équilibre n'est pas décelable "à vue d'oeil"; la remarque ne concerne que les cellules photo-électriques). Ces cellules sont de photo-résistances éclairées par une source ponctuelle 22 à travers deux fentes 23 (fig.I et 4). Les photo-résistances ont la même surface sensible éclairée à la position d'équilibre initiale et présentent des résistances identique; en réalité il y a une légère dissymétrie des surfaces éclairées due au fait qu'il faut une certaine tension pour maintenir le fléau en équilibre sous l'action du poids des parties mécaniques à vide. Figure 5: Lorsqu'une charge est déposée sur le plateau, celui-ci s'enfonce en entraînant avec lui le masque 25 du détecteur d'écart (ce masque est solidaire d'un bras 26 fixé au fléau principal 6 ). Il s'en suit une variation de l'éclairement reçu par les deux cellules qui sont fixes (sur les figures 4 et 5, les surfaces sensibles éclairées sont représentées en noir). La position basse du plateau est limitée par une butée mécanique de fanon que l'une des deux photo-résistances soit complète- ment éclairée alorsque l'autre ne reçoit plus d'éclairement. (lorsque le plateau est en butée, l'angle que fait le fléau avec sa position d'équilibre initiale -balance à vide- est donc à petne supe- rieur à l'angle limite autorisé par la précision). Dans ce cas les deux résistances présentent une différence de valeur qui est convertie en tension continue pour alimenter et commander le moteur. Les cellules photo-résistances préeentent une surface sensi- ble constituée d'un matériau de faible résistance qui varie proportionnellement à la surface éclairée; pour la détermination des tensions d'alimentation il n'est tenu compte que de la partie lin6- aire de la courbe donnant la résistance en fonction de l'eclaire- ment, symétrique par rapport à la position d'équilibre initiale. (Kais il n'est pas obligatoire que cette partie soit parfaitement linéaire; en outre les cellules ne doivent pas présenter obligatoirement des résistances absolument identiques; dès lors il s'en suivra une compensation au moyen d'une résistance de réglage de "zéro" RI dont il est fait état ci-après, la balance à vide). Les deux photo-résistances sont montées en différentiel selon le shéma de la figure 6. Les résistances R' et R" sont repré- sentatives des cellules; R2 est une résistance fixe et RI une résistance variable qui permet le réglage du "zéro" de la balance. Aux bornes du circuit ainsi formé de quatre résistances est appliqués une tension continue constante U (de l'ordre de IO volts); la résistance R2 est déterminée par le choix de la tension U' à plein éclairement (environ 5 volts), connaissant la valeur minimale de la résistance R' à plein éclairement; le potentiel U" au minimum d'éclairement s'en déduit, connaissant la valeur maximale de la résistance R" au minimum d'éclairement. Les valeurs des courants résultants doivent être compatibles avec les caractéristiques des photo-résistances (choix initial de la tension U constante). L'écart maximum entre les tensions U' et U' est alors connu; la tension U'-U" sert à alimenter le moteur après amplification Un amplificateur opérationnel 7 (fig.6) monté en comparateur reçoit sur ses deux entrées les tensions U' et U". Cet amplificateur fournit en sortie la différence U'-U" munie du coefficient Ko d'amplification. Figure 6: Avec R3 = R5 et R4 = R6, Ko = R4/R3 ôtant pris égal à 2, la tension de sortie peut être de 5 à IO volts. Cette tension Us est appliquée à l'entrée d'un amplificateur d'asservissement 8 (fig.6) de gain Kg (déterminé par l'étude de la fonction de transfert du système asservi). Tant que le plateau est an butée, le moteur se trouve alimenté par une tension maximale et constante de rattrapage, correspondant à la saturation de l'empli- ficateur. Suivant que le couple dû à la charge l'emporte ou non sur celui éxercé par le moteur, la tension E d'alimentation du moteur est positive ou négative; le moteur accélère ou décélère. Avec le dispositif d'asservissement ainsi décrit, la stabilisation dans le domatne de la précision impose est obtenue après un maximum de deux ou trois oscillations du fléau. L'étude théorique de la fonction de transfert est essentiel- le car c'est elle qui permet do déterminer les correcteurs à adjoin dre au dispositif pour obtenir les meilleures conditions de stabilisation et conditions énergétiques du dispositif dans le domaîne de la précision imposée. La chaise de transfert décrivant le système asservi est représentée sur la figure 8. Les différentes variablas sont/ Ko: constante liant toute variation angulaire du fléau à la tension délivrée par les cellules. Kg: gain de l'amplificateur d'asservissement à déterminer. T: constante de temps de l'amplificateur (qlques nano-sec.). Ki: constante déterminée d'après les caractéristiques du couple utile nominal moteur; Ki = intensité nominale J: moment d'inertie total ramené à l'arbre moteur. L: self d'induit du moteur. R: résistance d'induit du moteur. fo: coéfficient de frottement visqueux du moteur. Ke: constante de force contre-électromotrice du moteur. : constante de torsion du ressort. d: bras de levier du fléau principal. Comme pour toutes les fonctions de transfert, l'étude et le tracé de la courbe représentative de cette fonction est faite en "boucle couverte"; la représentation de cette fonction dans le "plan de Black" fournit toutes les indications de la fonction de transfert en "boucle fermée" H(p). (A l'équilibre #fléau=#ressort; F(p)=I). La fonction de transfert en "boucle ouverte" s'écrit après calculs: ("m" est le rapport de réduction) Rn tenant compte des conditions imposées de l'asservissement (précision A l'équilibre, alimentation minimale du moteur dans les conditions les plus défavorables -charge maximale-, valeur minimale du gain statique résultant, et marge de gain d'environ I2 dB), si les meilleures conditions de stabilité ne sont pas réunie. (marge de phase d'environ 40 , la courbe H(p) êtant tangente à la courbe A = 2,3 dB du lieu de Black pour un coéfficient de surten sion Q r I,3), il y a lieu d'éffectuer une compensation par adjonction de un ou plusieurs correcteurs à retard ou avance de phase dans la chaîne d'amplification. De tels correcteurs (ou filtre) sont en général constitués de résistances et capacités. Le tracé de la nouvelle fonction de transfert (après adjono- tion de filtres correcteurs) dans le "plan de Black" permet de connattre toutes les caractéristiques essentielles de l'asservisse- ment (gain de l'amplificateur Kg et par suite variations exactes de la tension d'alimentation du moteur; période de vibrations du plateau l'équilibre êtant obtenu; etc...). L'étude générale du dispositif s'achève avec le calcul du temps de réponse tel qu'il a été défini. Ce calcul est iait en plusieures étapes (portions de courbe O-A, A-B, B-C sur la figure 7 représentant, en fonction du temps l'angle à l'extrêmité du ressort dont doit tourner le fléau) à partir des équations: J.#"m + m.K.#m = # Cd - .#'m ("# Cd", couple démarrage du moteur, selon que la tension d'alimentation du moteur est positive ou négative; constante englobant les différents frottements visqueux du moteur; #m la vitesse de rotation du moteur. Le déchiffrage et l'enregistrement de toute mesure sont obtenus par évaluation de la rotation de l'ase de sortie 42 du réducteur 4; le procédé le plus simple et le plus éfficace qui puisse être employé est l'utilisation d'une roue codeuse. Selon le niveau de précision recherché (précision pouvant être obtenue à volonté par ce procédé, et tenant compte de la technique actuelle des codeur), la roue codeuse est déterminée pour qu'à la charge maximale lui corresponde un ou plusieurs tours de rotation. Elle comporte un nombre déterminé de bits permettant d' envoyer de. impul- sions à un dispositif électronique d'affichage. Le mode le plus simple de décodage est le mode binaire. L'influence de l'inertie de ce codeur, néanmoins d'aspect volumineux, est négligeable devant l'inertie des organes de rotation comme le moteur par exemple. Le principal domaîne d'application du dispositif, objet del'invention, est le domaîne des pesées automatiques en raison de sa conception, du haut niveau de précision et du grand degré de rapi- dit de mesures qu'il est possible d'atteindre avec les composants utilisés sans qu'il soit par ailleurs nécessaire de faire usage d'organes ou de dispositifs très perfectionnés, donc couteux. Pour cette raison ggalement, un domatne d'application privilégié sur le plan commercial est le domaine des channes de pesées auto- matiques de précision et rapides,(avec la possibilité de procéder par comparaison de mesures par rapport A une charge de référence). Le dispositif, objet de l'invention, ne fait pas état du dispositif de décodage et d'affichage des mesures. Le dispositif d'asservissement proprement dit peut aussi être utilisé pour la stabilisation de plates-formes, et plus généralement pour la stabilisation de tout équipage mobile soumis à une force -variable ou constante- provoquant une variation de l'état d'équilibre de cet équipage dans une direction donnée. REVENDICATIONS I. Dispositif automatique de remise à une position d'équilibre stable d'un équipage mobile sous l'action d'une force, comportant un détecteur électrique ou électronique d'écart dudit équipage par rapport à sa position d'équilibre caractérisé en ce que la tension fournie par le détecteur commande un moteur rotatif et que l'équipage est soumis à un moyen de rappel. 2. Dispositif selon la revendication I caractérisé en ce que le détecteur écart comporte une ou plusieures cellules photo-électriques ou photo-résistances et que, dans le cas de plusieures cellules, les tensions fournies par celles-ci sont appliquées à l'entrée d'un amplificateur opérationnel monté en comparateur 3. Dispositif selon les revendications I et 2 caractérisé en ce que la tension fournie par le détecteur ou par l'amplificateur opérationnel est appliquée à l'entrée d'un amplificateur de puissance. 4. Dispositif selon les revendications I, 2 ou 3 caractérisé en ce que le moyen de rappel est un moyen élastique ou hydraulique entraîné en rotation par le moteur, par l'intermédiaire ou non dtun réducteur de couple. 5. Dispositif selon les revendications I ou 4 caractérisé en ce que, dans le cas de pesées par balances automatiques, le déchiffrage et l'enregistrement des mesures sont obtenus au moyen d'une roue codeuse, cette roue étant déterminée pour envoyer des impulsions à un dispositif électronique d'affichage, 6. Dispositif selon les revendications I ou 4 caractérisé en ce que, dans-le cas de pesées automatiques, les mesures se font par comparaison entre une quantité variable et une quantité étalon au moyen d'un procédé de comparaison fournièsant le résultat de cette comparaison. 7. Dispositif selon la revendication 4 caractérisé en ce que la fonction de transfert "en boucle ouverte" de la chaîne d'asservissement est, avant l'adjonction de filtres correcteurs, de la forme: