Brevet FR2301958A1 — publié le 19760917

La présente invention concerne un procédé de commande contrôlée du mouvement du rotor d'un moteur électrique pas à pas dont les différents bobinages statoriques (phases) sont alimentés par l'application d'impulsions successives de tensions électriques continues (ou de courants électriques unidirectionnels) de grandeurs et de sens convenables, généralement au moyen de circuits électroniques effectuant les commutations nécessaires, lesdites impulsions successives comportant notamment, lors de chaque arrêt volontaire dudit moteur pas à pas, une impulsion de commande retardée appelée "pas d'arrêt". La présente invention concerne également les dispositifs pour la mise en oeuvre du procédé de commande contrôlée selon l'invention. On sait que les moteurs électriques pas à pas possèdent des possibilités très intéressantes et une grande souplesse d'emploi; ce sont les raisons pour lesquelles leurs applications industrielles se développent rapidement, en liaison avec la commande numérique de machines-outils et de dispositifs variés tels que des appareillages d'essais et de laboratoires et des imprimantes mosaïque Les caractéristiques particulières des moteurs électriques pas à pas et les problèmes susceptibles d'apparaître lors de leur utilisation sont fort bien exposés dans le livre de Monsieur Jean JACQUIN intitulé nLES MOTEURS PAS A PAS", publié dans la collection "DUNOD Technique" (DUNOD - PARIS - 1974). Lors de l'utilisation de moteurs électriques pas à pas, il existe des possibilités d'oscillations angulaires du rotor dues à la forme de la courbe du couple moteur en fonction de la position du rotor par rapport au stator; ces possibilités d'apparitiçn d'oscillations sont variables selon qu'il stagit d'un moteur à rotor à aimant permanent ou d'un moteur à rotor à réluctance variable, selon la vitesse du moteur et la cadence des impulsions motrices, selon les caractéristiques de la transmission entre le moteur et la charge entrainée, selon l'inertie de ladite charge et selon qu'il s'agit d'une rotation presque continue ou d'une rotation très discontinue, constituée presque exclusivement de régimes transitoires. Dans. l'intéressant ouvrage cité plus haut, Monsieur JACQUIN a étudié les conditions d'apparition de certaines formes de résonances et a indiqué un certain nombre de moyens pratiques destinés à atténuer ou à éliminer les résonances: amortisseurs mécaniques à friction permanente (cités page 50), amortissement par un fluide visqueux remplissant le moteur (cité page 51), amortissement électrique par alimentation de deux phases en parallèle (cité page 52) ou par utilisation de bobinages auxiliaires (cité page 54),système à dernière impulsion retardée (cité page 58). Les amortisseurs mécaniques ont pour inconvénient d'accroître la charge du moteur et de réduire la cadence maximale possible de répétition des impulsions motrices-; l'amortissement par un fluide visqueux complique notablement la construction du moteur pas à pas et le rend plus couteux tout en entraînant un couple de freinage qu'il n'est pas possible de supprimer aux instants où sa présence est non seulement superflue, mais nuisible; l'amortissement électrique par l'alimentation de deux phases en parallèle n'est pas possible sur tous les types de moteurs pas à pas et il entraîne une complication notable des commutations à effectuer; les moteurs pas à pas à bobinages auxiliaires d'amortissement sont des moteurs d'un modèle spécial plus couteux que les moteurs habituels; le système à dernière impulsion retardée, auquel est rattaché le procédé de commande comportant un "pas d'arret", réduit la sollication du rotor à osciller, mais ne suffit à lui seul à supprimer les oscillations dans toutes les circonstances d'utilisation des moteurs pas à pas, notamment dans les cas de grandes variations de la température ambiante et en présence d'une transmission présentant un peu d'élasticité (une courroie crantée, par exemple), -et demande par ailleurs unajustement très précis du retard de la dernière impulsion. Le but de l'invention est d'amortir efficacement les oscillations angulaires du rotor d'un moteur électrique pas à pas tendant à s'amorcer lors de chaque arret dudit moteur. L'invention est basée sur la considération que les inconvénients résultant de l'utilisation d'un amortisseur mécanique à friction permanente peuvent etre éliminés par la mise en oeuvre d'un amortissement judicieusement programmé. Selon l'invention, le procédé de commande contrôlée dumouve- ment du rotor d'un moteur électrique pas à pas dont les différents bobinages statoriques (phases) sont alimentés par l'applicátion d'impulsions successives de tensions électriques continues (ou de courants électriques unidirectionnels) de grandeurs et de sens convenables, généralement au moyen de circuits électroniques effectuant les commutations nécessaires, lesdites impulsions successives comportant notamment, lors de chaque arrêt volontaire du moteur pas à pas, une impulsion de commande retardée appelée "pas d'arrêt", est notamment remarquable en ce qu'un freinage mécanique momentané du mouvement du rotor du moteur pas à pas est effectué conjointement à l'application de l'impulsion de commande appelée "pas d'arrêt" aux bobinages statoriques (phases) du moteur pas à pas. Le procédé selon l'invention permet d'amortir mécaniquement d'une manière simple, facile à mettre en oeuvre et aussi efficace qu'il est nécessaire, tout démarrage d'oscillations angulaires du rotor et tout mécanisme de. résonance facilité, par exemple, par une certaine élasticité de la transmission reliant le moteur pas à pas à la charge mécanique entraînée par ledit moteur, ce résultat étant obtenu sans amoindrir par ailleurs les possibilités du moteur utilisé puisque le freinage mécanique du mouvement du rotqr est seulement appliqué aux instants où des oscillations et des phénomènes de résonance peuvent se produire. Selon une forme avantageuse de mise en oeuvre du procédé selon l'invention, le freinage mécanique momentané du mouvement du du moteur pas à pas est obtenu en excitant un électro-aimant de freinage simultanément à l'application de- l1impulsion de commande appelée "pas d'arrêt" aux bobinages statoriques (phases) du moteur pas à pas. Selon une variante intéressante de cette forme de mise en oeuvre du procédé selon l'invention, la tension d'alimentation de la bobine de l'électro-aimant de freinage est égale à la tension d'alimentation des bobinages statoriques du moteur pas à pas pendant le "pas d'arrêt" et ladite bobine est momentanément raccor Qée électriquement à une des phases du moteur pendant l'application du "pas d'arrêt". Les dispositifs pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention sont notamment remarquables en ce qu'ils comportent un tambour à faible moment d'inertie monté sur l'arbre du moteur pas à pas et un moyen de freinage dudit tambour actionné au moment de l'application de l'impulsion de commande appelée "pas d'arrêt". Avantageusement, le moyen de freinage du tambour à faible moment d'inertie monté sur l'arbre du moteur pas à pas est constitué par un patin de freinage mu par un électro-aimant. La description qui va suivre en regard du dessin annexé, donné à titre d'exemple non limitatif, permettra de bien comprendre ce qu'est l'invention et comment elle peut être réalisée. La figure 1 est une vue en élévation d'un exemple de réalisation d'un dispositif mettant en oeuvre le procédé selon l'invention. La figure 2 est une vue par dessus du dispositif montré en élévation sur la figure 1. Le dispositif montré sur les figures 1 et 2 est constitué à partir d'un moteur pas à pas Il fixé sur un support 12 comportant une platine supérieure 13. Le moteur pas à pas 11 est muni d'un arbre de sortie 14 sur lequel sont montés un pignon d'entraînement 15 et un tambour de freinage 16 à faible moment d'inertie. Le pignon 15 peut engrener avec une roue dentée de caractéristiques appropriées ou bien encore, par exemple, entralner une petite courroie crantée. Un patin de freinage 17 est monté de façon à pivoter librement sur un petit axe vertical 18 fixé dans la platine supérieure 13 du support 12. Un petit électro-aimant de freinage 19 à corps cylindrique est maintenu horizontalement par un support 20 fixé sur la platine 13.L'électro-aimant 19 est muni d'un poussoir axial 20 dont l'extrémité gauche est très proche, au repos, dru patin de freinage 17: un jeu de l'ordre de un dixième de millimètre, par exemple, existe entre le poussoir 20 et le patin de freinage 17 lorsque ledit patin est juste appliqué contre le tambour de freinage 16. De cette manière le patin d freinage 17 n'est pas appliqué, au repos, contre le tambour 16, mais lorsque ltélectro-aimant 19 est excité et que le poussoir 21 est propulsé vers la gauche, le patin de freinage 17 est mis en pression contre le tambour 16 avec une constante de temps négligeable. Lorsque l'on cesse d'exciter 11 électro-aimant 19, le freinage cesse également d'une façon pratiquement instantanée. D'une manière facultative, représentée seulement sur la figure 2, un petit ressort de traction 22 disposé entre un axe d'accrochage 23 monté sur la platine 13 et le patin de freinage 17 peut maintenir ledit patin en appui léger sur le poussoir 21'. Le fonctionnement du dispositif montré sur les figures 1 et 2 peut être expliqué comme suit, en liaison avec un arrêt volontaire du moteur pas à pas 11: lorsque le rotor du moteur Il arrive à une position angulaire distante d'un pas de la position angulaire finale désirée, les circuits logiques électroniques qui commandent la rotation du moteur ont déjà reçu l'instruction d'arrêt du moteur au pas x et ne donnent pas aux circuits de puissance l'ordre de commutation qu'ils auraient déjà donné à cet instant si le moteur devait poursuivre sa rotation et leur action est limitée, lorsqu'ils ont à intervenir à cet instant, à un réajustement de la tension ou du courant d'alimentation des bobinages statoriques (phases).De ce fait, entre le pas (x-1) et le pas x, le couple appliqué au rotor qui aurait été un couple moteur si ledit rotor devait poursuivre sa rotation devient, en l'absence de commutation, un couple résistant d'abord très faible mais qui va en croissant et tend à annuler la vitesse du rotor. Le cas idéal serait que le rotor arrive à la position angulaire finale désirée avec une vitesse presque nulle et que l'on n'ait plus qu'à commuter les phases à cet instant pour "figer" le rotor à la position angulaire finale désirée: c'est un résultat très difficile à obtenir d'une façon parfaitement stable et reproductible dans le temps en présence de conditions de travail (parmi lesquelles il faut citer la température ambiante et la température du moteur) présentant des variations inévitables; c'est pour cela que Monsieur JACUIN, à la page 59 du livre déjà cité, a fait-ces commentaires: "Il s'ensuit une diminution considérable de l'amplitude des oscillations sur le dernier pas-. Cette méthode est très efficace mais demande un ajustement très précis du retard de la dernière impulsion". En liaison avec une transmission présentant une certaine élasticité, une simple diminution des oscillations propres au rotor n'est pas suffisante et c'est notamment en présence de conditions de fonctionnement difficiles jointes à des exigences strictes en ce qui concerne le graphique du mouvement angulaire du rotor en fonction du temps que le procédé selon l'invention présente tout son intérêt: en effet, il devient possible de commuter les bobinages statoriques pour appliquer l'impulsion de commande appelée "pas d'arrêt" un peu avant que le rotor du moteur pas à pas atteigne sa position d'arrêt exacte, en excitant simultanément l'électro-aimant de freinage, et dans ces conditions le rotor termine son mouvement de rotation sans amorcer d'oscillations.Ce résultat est obtenu avec une bonne marge de sécurité assurant un fonctionnement satisfaisant dans une large plage de température ambiante et de température de moteur. En fonction de la vitesse du rotor du moteur lorsqu'il arrive à la position angulaire correspondant au pas (x-1) et de la durée désirée du ralentissement qui précède le "pas d'arrêt", l'ajustement de la tension appliquée (ou de l'intensité du courant fournie) aux bobinages statoriques (phases) pendant ce pas de ralentissement permet de faire correspondre l'instant d'application du "pas d'arrêt" et du freinage amortisseur à une position angulaire moyenne convenable du rotor. Une variante de réalisation possible et très évidente du dispositif montré sur les figures 1 et 2 consiste à monter directement un petit patin de freinage sur l'extrèmité du poussoir 21 de I'électro-aimant 20. - REVENDICATIONS 1.- Procédé de commande controlée du mouvement du rotor d'un moteur électrique pas à pas dont les différents bobinages statoriques (phases) sont alimentés par l'application d'impulsions successives de tensions électriques continues (ou de courants électriques unidirectionnels) de grandeurs et de sens convenables, généralement au moyen de circuits électroniques effectuant les commutations nécessaires, lesdites impulsions successives comportant notamment, lors de chaque arrêt volontaire dudit moteur pas à pas, une impulsion de commande-retardée appelée "pas d'arrêt", caractérisé en ce qu'un freinage mécanique momentané du mouvement rotor du moteur pas à pas est effectué conjointement à l'application de l'impulsion de commande appelée "pas d'arrêt" aux bobinages statoriques (phases) du moteur pas à pas. 2.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le freinage mécanique momentané du mouvement du rotor du moteur pas à pas est obtenu en excitant un électro-aimant de freinage simultanément à l'application de l'impulsion de commande appelée "pas d'arrêt" aux bobinages statoriques (phases) du moteur pas à pas. 3.- Procédé selon l'ensemble des revendications l.et 2, caractérisé en ce que la bobine de l'électro-aimant de freinage cité sous 2 est momentanément raccordée électriquement à une des phases du moteur pendant l'application du "pas d'arrêt". 4.- Dispositifs pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, caractérisés en ce qu'ils comportent un tambour à faible moment d'inertie monté sur l'arbre du moteur pas à pas et un moyen de freinage dudit tambour actionné au moment de l'application de l'impulsiôn de commande appelée "pas d'arrêt". 5.- Dispositifs selon la revendication 4, caractérisés en ce que le moyen de freinage du tambour à faible moment d'inertie monté sur l'arbre du moteur pas à pas est constitué par un patin de freinage mu par un électro-aimant.