Brevet FR2450001A1 — publié le 19800919

La presente invention se rapporte a un procédé de linéarisation des caractéristiques statiques des amplificateurs a découpage. Elle entre dans le domaine technique des amplificateurs d de:oupagw. Ces amplificateurs sont utilisés drune manière connue dans l'alimentation a tension variable de charges selfiques. Le plus souvent, ils sont utilisés comme variateurs de vitesse des moteurs à courant continu. D'une maniere générale, ils se composent de quatre modules de commutation montés en pont, de telle sorte que deux modules opposés du circuit en pont soient conducteurs pendant que les deux autres sont bloqués. De plus quatre diodes de récupération branchées en parilèle avec chacun des modules de commutation assurent 1' écoulement du courant lorsque la charge fonctionne en générateur. L'amplificateur est alimenté par une tension continue délivrée par exemple par une batterie d'accumulateurs. La tension de commande est une tension continue reglable. Ainsi, l'amplificateur délivre une tension en créneaux dont le rapport cyclique est proportionnel a la tension de commande et dont l'amplitude est égale a la valeur de la tension disponible aux bornes du dispositif d'alimentation. La charge, etant selfique, intégre cette tension en créneaux, et on a en fait à ses bornes une tension sensiblement continue de valeur égale a la valeur moyenne de la tension en créneaux délivrée par l'amplificateur.L'amplificateur a découpage se comporte donc vis a vis de la charge comme un amplificateur de tension, de gain égal au rapport cyclique du créneau. Une telle utilisation ne presente pas entière satisfaction. D'une part, il existe une chute de tension due a la tension de dechet des modules lorsque la charge fonctionne en récepteur et a la tension directe des diodes de récupération lorsqu'elle fonctionne en générateur. De ce faitlla caracte- ristique statique courant dans la charge en fonction de la tension moyenne aux bornes de la charge n'est pas lineaire, ce qui se traduit par la présence d'un seuil au niveau de la caractéristique statique (tension aux bornes de la charge en fonction de la tension de commande). Ce seuil est bien évidemment préjudiciable a la précision du système.D'autre part, la batterie d'alimentation de l'amplificateur ne delivre pas une tension constante suivant son niveau de charge. Ceci fait que la tension fournie par l'amplificateur risque de ne pas etre la meme dans le temps pour une meme tension de commande. Pour remédier a ces deux défauts, un procédé a déjà été proposé. I1 consiste a asservir la tension moyenne de sortie a la tension de commande. Ceci resoud par principe le premier defaut, à savoir la variation de la tension de sortie en fonction du courant, la variation de la tension d'alimentation étant traitée comme une perturbation. Mais ce procédé présente un gros défaut : il limite la bande passante de l'ensemble de par la présence néces saire d'un filtre passe-bas dans le circuit de mesure de la tension de sortie. Par ailleurs, la tension d'alimentation est généralement decouplée gal vaniquement du signal de commande ; ceci demande donc un circuit de mesure de la tension moyenne de sortie à l'aide d'amplificateurs à découplage galvanique coûteux. Le but de la présente invention est de linéariser les caracteristi- ques statiques des amplificateurs à decoupage, c'est-à-dire de rendre la tension de sortie de l'amplificateur indépendante du courant circulant dans la charge et des variations de la tension d'alimentation. Pour ce faire l'invention a pour objet un procédé de linéariqation des caractéristiques statiques des amplificateurs a découpage à courant continu de type connu, décrits plus haut, dans lesquels la tension de déchet des modules de commutation est egale à la tension directe des diodes de récupération, ce procédé etant caractérisé en ce qu'il consiste essentiellement à de tecter le signe du courant circulant dans la charge, à produire une tension de décalage, en valeur absolue égale au rapport de la valeur absolue de la tension de déchet des modules par le gain global de l'amplificateur et de signe identique à celui du courant detecté, à faire la somme algebrique de cette tension de decalage avec la tension initiale de commande de l'amplificateur, à diviser analogiquement la tension résultante par une tension egale au rapport de la tension instantanée d'alimentation de 1' amplificateur par la valeur du gain nominal K choisi et à appliquer la tension ainsi obtenue comme nouveau signal de commande de l'amplificateur. L'invention concerne aussi un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé, dispositif caractérisé en ce qu'il comprend successivement un détecteur inséré sur la branche d'alimentation de la charge et delivrant une tension de même signe que le courant à mesurer, un comparateur dont l'entrée est connectée à la sortie du détecteur de courant et délivrant la tension de décalage, un sommateur à deux entrées dont l'une est alimentee par la tension de sortie du comparateur et l'autre par la tension initiale de commande de l'amplificateur et un diviseur analogique dont l'entrée numérateur est reliée a la sortie du sommateur et l'entrée dénominateur aux bornes du dispositif d'alimentation, sa sortie étant reliee à l'entrée de l'amplificateur. Dans un mode préféré de réalisation, le diviseur analogique est caractérisé en ce qu'il comprend successivement une horloge, un intégrateur possedant une borne remise à zéro connectée à la sortie de l'horloge et recevant la tension d'alimentation sur la borne d'entrée, un comparateur recevant sur son entrée positive, le signal de sortie de l'intégrateur et sur son entrée negative, un signal de référence et présentant une entrée d'échan- tillonnage qui inhibe le comparateur au cours de la remise à zéro de l'inté- grateur, un photocoupleur relié en série au comparateur qui inverse le signal de sortie en creneau tout en réalisant un isolement galvanique entre la commande et l'alimentation, un relais solide à deux positions, commandé par le signal de sortie du photocoupleur, dont un contact est relié à la masse et l'autre à la tension de sortie d'un amplificateur opérationnel, et d'un filtre passerbas relié à la borne commune du relais solide qui restitue la valeur moyenne du signal pour l'appliquer à l'entrée de l'amplificateur. D'une maniere plus précise l'invention va etre décrite à l'aide d'exemples numériques qui n'ont aucune valeur limitative et en référence aux dessins annexés dans lesquels la figure t represente le schéma synoptique d'un amplificateur à découpage de type connu, la figure 2 représente les caractéristiques I = f(u), courant dans la charge en fonction de la tension à ses bornes la figure 3 représente la caractéristique statique u = f(E) de l'amplifica- teurs . la figure 4 représente le schéma synoptique d'un dispositif de mise en oeuvre du procede revendique, . la figure 5 represente le schéma synoptique d'un diviseur analogique utilisé dans le dispositif représenté sur la figure 4, . la figure 6 représente les chronogrammes des signaux recueillis à la sortie de chacun des éléments constituant le diviseur analogique représente sur la figure 5. Sur la figure 1 est représenté le schéma synoptique d'un amplificateur à découpage de type connu dans lequel les modules de commutation sont dési- gnés par les reperes S1, S2, S3 et S4 et les diodes de récupération correspondantes par les reperes D1, D2, D3 et D4. L'ensemble est alimente, par exemple, par une batterie qui délivre une tension Ub. A l'entrée de chaque module est connectée la sortie d'un comparateur. Pour les modules St et S2 celui-ci compare une tension de commande e règlable entre -10v et 0 à un signal en dents de scie entièrement négatif et de frequence f. Pour les modules S3 et S4, il compare E reglable entre 0 et +azv à un signal en dents de scie entièrement positif et synchrone du premier. Le comparateur bascule lorsque le signal en dents de scie dépasse un seuil constitue par la valeur absolue de la tension de commande e. I1 delivre donc un signal en créneau de fréquence f et de rapport cyclique k proportionnel à . Les composants des modules sont tels que lorsque e > o , S3 et S2 sont conducteurs, et S1 et S4 sont bloqués et lorsque et S3 et S2 sont bloqués. Dans chaque branche de conduction un module joue le règle de commutateur et l'autre de saturateur. La tension délivrée est une tension en créneau de rapport cyclique k proportionnel à e et d'amplitude égale à Ub, k sera par exemple égal à C . La charge,étant selfique,intègre cette tension sous la forme d'une tension c8nti- nue de valeur kUb et l'ensemble batterie-amplificateur se comporte vis a vis de la charge comme un générateur de f.e.m kUb avec -1 Si l'on choisit comme positif le sens de la tension et du courant indiqués sur la figure, on a quatre possibilités de fonctionnement de la charge vis à vis de l'amplificateurs. Ces 4 possibilités sont I)Si U > o I > o, S2 et S3 conducteurs-. La charge est un récepteur. II)Si U III7Si U > o I D2 et D3 conductrices. La charge est un générateur. IV)Si U D1 et D4 conductrices. La charge est un générateur. Le fonctionnement idéal d'un tel dispositif serait que quel que soit le courant circulant dans la charge, et quelque soit le mode de fonctionnement, on ait une tension de sortie constante en fonction d'un signal de commande g fixé. Ceci se traduirait sur la caractéristique I = f(u) représentée sur la fig. 2 par les droites verticales tracées en traits discontinus. Mais ces caractéristiques idéales ne sont jamais obtenues car il existe aux bornes de la charge une chute de tension égale à la tension de déchet Vdl des modules lorsque la charge fonctionne en recepteur et égale à la tension directe Vd2 des diodes de récupération lorsqu'elle fonctionne en générateur.Ceci se traduit au niveau de la caractéristique I = f(u) par les courbes en traits mixtes.La tension aux bornes de la charge varie donc en fonction du courant la traversant et de son mode de fonctionnement. AinsiRpour chacun des cas cites plus haut, on a U = kub - 2Vd U = kUb - 2Vd U = kUb + 2Vd2 U = kUb + 2Vd2. Les tensions Vd1 et Vd2 varient en fonction du courant I. Pour la mise en oeuvre de l'inventionRon supposera Vd1 et Vd2 constantes quelle que soit la valeur du courant. Toujours pour la mise en oeuvre de l'invention, on se place dans le cas ou Vd1 et Vd2 sont égales. A titre d'exemple non limita tif1 on choisira des modules ayant une loi de variation Vd1 = f (I) telle que Vd1 = RI avec R = 0,07Q à la valeur I = 20A on a Vd1 = 1,4V. et des diodes du type I N 3911 dont la caractéristique directe est de la forme Vé2 = Eo + rol avec Eo = 1,2V et ro = 12.10 soit pour I = 20 A. Vd2 = - 1,4 V - Vd1. Pour la suite de la description, on posera A = 2Vd1 = 2Vd2. Par cette approximation, on a au niveau de la caractéristique I = f(U) les courbes représentées en traits pleins sur la figure 2. Celles-ci sont obtenues à partir des courbes idéales par une translation de -A lorsque I > o et de +h lorsque I Donc lorsque I > o , U = kUb - A et lorsque I Au niveau de la caracteristique U = f(), caractéristique statique de l'amplificateur représentée sur la figure 3, cela se traduit par la courbe en trait pleins, la courbe idéale étant représentée en traits discontinus. Le seuil apparaissant pour U = o est préjudiciable a la precision du système. L'invention a pour objectif, dans un premier temps de faire tendre la caractéristique réelle en traits pleins vers la caractéristique idéale en traits discontinus. Dans un deuxième temps, l'invention a pour objectif de rendre la tension U indépendante des variations de la tension dtalimentation Ub,c'est- -dire en sorte que la caractéristique statique conserve une pente constante égale à Ubn/10} Ubn étant fixé arbitrairement (par exemple Ubn = 24V). Pour ce faire, on met en oeuvre le dispositif objet de l'invention, dont le schema synoptique est représente sur la figure 4 étant entendu que d'autres dispositifs peuvent convenir. Un détecteur 2 est inséré dans le circuit d'alimentation de la charge 1. I1 délivre une tension v(I) du même signe que le courant I détecté. Ce pourra être par exemple un détecteur a effet Hall. Cette tension est recueillie à l'entrée d'un organe non lineaire 3 par exemple un comparateur qui délivre une tension de décalage constante en valeur absolue et du signe du courant detecté. Cette tension de decalage est sommée a la tension de commande e de l'amplificateur qu'on appellera e1 par la suite tension initiale de commande.On recueille le signal de sortie du sommateur 4 sur l'entrée numérateur N du diviseur analogique 5 dont l'entrée dénominateur D est reliée à la tension d'alimentation Ub. La sortie du diviseur est connectée à la commande de l'amplificateur 6. Le fonctionnement de ce dispositif est le Sans adjonction du dispositif objet de l'invention, la charge 1 est alimentée sous une tension U telle que U : k(Ub) . ' -E pour I > o U : k(Ub) . ' +E pour I Le détecteur 2 détecte le signe du courant I. L'organe non-linéaire 3 délivre une tension de décalage vl telle que vi = # si I > o k' vl = - a si I Le sommateur 4 delivre un signal 1 = # + # et le diviseur analogique un signal E' = 1. UbnUbn étant la tension nominale de batterie. On a alors à la sortie de l'amplificateur une tension U telle que U = k(Ub) x e' t . que On montre, quelle # soit la valeur de I, qu'on a une même valeur de U qui est proportionnelle à la tension initiale de commande e de l'amplificateur. On a ainsi linéarisé la caractéristique U = f(e) qui conserve la même pente quel que soit le moment d'utilisation de la batterie. Sur la figure 5 est représenté un mode de réalisation particulier du diviseur analogique 5 etant entendu que d'autres dispositifs electroniques peuvent realiser cette fonction diviseur analogique. Dans ce mode de réalisation, un intégrateur 7 reçoit sur son entrée la tension d'alimentation Ub ou une tension proportionnelle. I1 possède en outre une borne remise à zero reliee à la sortie d'une horloge 8. Le signal de sortie de l'intégrateur est envoyé sur l'entrée positive d'un comparateur 9 dont l'entrée négative est reliee à un signal de référence V@. Un photocoupleur 10 est directement connecté sur la sortie du comparateur. Le signal de sortie du photocoupleur 10 commande le fonctionnement d'un relais solide 11 à 2 positions dont un contact est relié à un potentiel nul et l'autre à la tension initiale de commande Ede l'amplificateur. La borne commune du relais solide il est reliée à l'entrée d'un amplificateur operationnel 12 de gaina( lui même connecté en série avec un filtre passe bas 13. On a ainsi à la sortie de ce dispositif un nouveau signal de commande directement appliqué à l'entrée de l'amplificateur. Le fonctionnement de ce diviseur va être decrit ci-après en référence aux chronogrammes de la figure 6. Ces chronogrammes représentent l'évolution en fonction du temps des signaux de sortie de chacun des organes constituant le diviseur décrit ci-dessus. L'intégrateur 7 est de type connu. I1 s'agit d'un intégrateur de Miller de constante de temps RC. I1 reçoit un signal continu Ub et délivre un signal fonction du temps de la forme VS1 (t) = Ub t + V51 (o) avec VS1 (o) = 0 (RAZ de l'intégrateur) RC représente sur le cronogramme B de la figure 6. Ce signal est synchronise sur le front montant de l'impulsion d'horloge qui apparait sur le chronogramme A. Le comparateur 9 reçoit ce signal et le compare au signal de refé- rence VI. Dès que la différence Vsl(t) - Vt est positive, la sortie du comparateur passe de la position 0 à la position 1. On choisit, pour les besoins de l'invention,un comparateur à echantillonnage tel que le comparateur est bloqué sur la position 1 pendant-la remise à zero de l'intégrateur et ne revient sur la position 0 que sur le front descendant de l'impulsion d'horloge. C'est ce qui ressort du chronogramme de la figure 6. La valeur de T, instant de passage du comparateur de la position 0 à 1 est le temps t pour lequel Vsl(t) = VI soit T = RCVI Ub Le photocoupleur 10 a pour fonction d'inverser le signal de sortie du comparateur.On a ainsi à sa sortie le signal en créneau représente sur le chronogramme D de la figure 5. I1 a aussi pour fonction de réaliser l'isolement gal panique entre la commande et l'alimentation de l'amplificateur. Le relais solide il commandé par la sortie L du photocoupleur commute l'entrée de l'amplificateur operationnel 12 soit sur un potentiel nul, soit sur le signal de sortie e1 du sommateur. On a ainsi pour L = O Vs4 (t) = O, pour L = 1 Vs4 (t) = #1. Le relais 11 délivre donc une tension en creneau de rapport cyclique # et d'amplitude s. T L'amplificateur opérationnel 12 de gain permet une adaptation du gain de l'ensemble diviseur, analogique. La valeur maximale #1 de la tension en créneau est donc multipliee par . Le filtre 13 restitue la valeur moyenne du signal de sortie de l'amplificateur opérationnel. On envoie ainsi sur la commande de l'amplificateur un signal continu de valeur C =&alpha;.#. T T - &alpha; RC VT .# Ub.T On détermine les valeurs de R.C.T, VI et X par identification avec l'expression désirée, c'est-à-dire &alpha;.RC.Vr = K T.Ub Ub Le filtre 13 pourra être par exemple un filtre à front raide du 4ème ordre. Pour synthétiser la fonction de transfert d'ordre 4, on utilise 2 filtres passe-bas à source controlée d'ordre 2 en cascade. Les valeur des différents composants des 2 filtres se déterminent facilement à partir des fonctions de transfert de chacun des filtres, et de la fréquence maximale à transmettre Fh. Le procédé ainsi décrit et le dispositif pour sa mise en oeuvre adjoint à un amplificateur à decoupage trouvent une application dans la commande des moteurs à courant continu et notamment des moteurs actionnant des tourelles de chars. REVENDICATIONS 1. Procédé de linéarisation des caractéristiques statiques des amplificateurs à découpage de type connu, destinés à l'alimentation sous tension moyenne réglable de charges selfiques, et dans lesquels la tension de déchet des modules de commutation est sensiblement égale à la tension directe des diodes de récupération, procédé caractérisé en ce qu'il consiste essentiellement à détecter le signe du courant circulant dans la charge, à produire une tension de decalage, du signe du courant détecté et égale en valeur absolue au rapport de la valeur absolue de la tension de déchet des modules de commutation par le gain global de l'amplificateur, à faire la somme algébrique de cette tension de décalage avec la tension initiale de commande de l'amplificateur, à diviser analogiquement la tension résultante par une tension égale au rapport de la tension instantanée d'alimentation de l'amplificateur par la valeur du gain nominal k choisi et à appliquer la tension ainsi obtenue comme nouveau signal de commande de l'amplificateur. 2. Dispositif pour la mise en oeuvre du procedé selon la revendication 1, caractérise en ce qu'il comprend successivement un détecteur de courant, inséré sur la branche d'alimentation du moteur et délivrant une tension du même signe que le courant le traversant, un comparateur dont l'entrée est connectée a la sortie du detecteur de courant et délivrant la tension de décalage, un sommateur à deux entrées dont l'une est alimentée par la tension de sortie du comparateur et l'autre par la tension initiale de commande de l'amplificateur, un diviseur analogique dont l'entrée numerateur est reliee à la sortie du sommateur et l'entrée dénominateur aux bornes du dispositif d'alimentation, et dont la sortie est reliée à la commande de l'amplificateur. 3. Dispositif selon la revendication 2 dans lequel le diviseur analogique est caractérisé en ce qu'il comprend successivement une horloge, un intégrateur, possédant une borne remise à zéro connectée à la sortie de l'horloge et recevant la tension d'alimentation sur sa borne d'entrée, un comparateur recevant sur son entrée positive le signal de sortie de l'intégrateur et sur son entre négative un signal de référence et presentant une entrée d'échan- tillonnage qui inhibe le comparateur au cours de la remise à zéro de l'integrateur, un photocoupleur relie en série au comparateur qui inverse le signal de sortie en créneau du comparateur tout en réalisant un isolement galvanique entre la commande et l'alimentation, un relais solide à deux positions commandé par le signal et dont un contact est relié à la masse et l'autre à la tension de commande de l'amplificateur, un amplificateur opérationnel pour ajuster le signal de sortie du relais solide et un filtre passe-bas relié à la borne commune du relais solide, qui restitue la valeur moyenne du signal de sortie du relais, servant de nouveau signal de commande de l'amplificateur.