Brevet FR2451657A1 — publié le 19801010

La présente invention concerne les commandes électriques et a notamment pour objet une commande électrique à moteur synchrone. Les commandes électriques à moteur synchrone sont surtout utilisées pour le déplacement des organes de travail des machines de haute précision pour l'usinage des métaux. Les commandes électriques peuvent également etre utilisées pour le déplacement de mécanismes quelconques devant être effectué rapidement, avec précision et dans une large gamme de vitesses. Les commandes électriques à moteur synchrone connues aujourd'hui réalisent le déplacement des organes de travail des machines - outils à métaux avec une précision insuffisante. L'amélioration de la précision de déplacement des organes de travail des machines-outils à usiner les métaux exige la création d'une commande électrique avec un faible niveau de pulsations du couple moteur à l'arbre du moteur synchrone. On connaît une commande électrique à moteur synchrone (voir, par exemple, le brevet suisse NO 541250, publié le 15.10.1973, classe H02 P 5/40 ) comportant une source de courant dont la sortie est raccordée aux enroulements du stator d'un moteur synchrone. L'entrée de la source de courant comprenant des thyristors est reliée électriquement par l'intermédiaire d'un convertisseur de coordonnées, à un dispositif de consigne de courant, qui sert également de dispositif de consigne de signal de commande. Les deux entrées du convertisseur de coordonnées sont raccordées à la sortie d'un calculateur de la phase du flux magnétique du moteur synchrone, dont les entrées sont raccordées électriquement aux sorties d'un capteur impulsionnel de la vitesse et d'un capteur des courants de l'enroulement statorique du moteur synchrone. La présence d'un calculateur de la phase du flux magnétique du moteur synchrone, réalisé sous la forme d'un calculateur analogique, complique le circuit de commande du moteur synchrone. A cause de l'utilisation d'un capteur impulsionnel de la vitesse du rotor du moteur synchrone et d'une source de courant à thyristors, la commande électrique indiquée possède une bande passante étroite en fréquences du signal de commande et une faible gamme de régulation de vitesses, ce qui explique sa vitesse de réponse et sa précision insuffisantes pour les machines outils à usiner les métaux. On connaît une commande électrique à moteur synchrone (voir, par exemple, sous la rédaction de V.V. Solodnikov, Dispositifs et éléments de systèmes de réglage automatique et de commande". Cybernétique technique. Livre 3; Dispositifs opérateurs et mécanismes d'asservissement. Moscou, "Machino stro5enie", année 1976,pp . 252 à 262), comportant une source de courant dont la sortie est raccordée aux enroulements du stator du moteur synchrone. L'entrée de la source de courant est reliée électriquement à un dispositif de consigne du courant, par l'intérmédiaire d'un bloc de redresseurs sensibles à la phase, un capteur électromécanique de la position angulaire du rotor du moteur synchrone et un bloc de modulateurs couplés en série.Les entrées du bloc de redresseurs sensibles au déphasage et du bloc de modulateurs sont raccordées à la sortie d'un générateur d'impulsions de tension monophasées rectangulaires. La commande électrique indiquée possède une bande passante étroite en fréquences du signal de commande, à cause du passage de ce signal par le circuit d'excitation du transmetteur électromécanique de la position angulaire du rotor du moteur synchrone possédant une constante de temps importante. La présence d'une force électromotrice de rotation dans les enroulements de sortie du transmetteur de la position angulaire du rotor du moteur synchrone entraine une distorsion des signaux de commande aux entrées du bloc de redresseurs sensibles à la phase lors du chan gement de la vitesse de rotation du moteur synchrone, ce qui entraîne la dégradation des caractéristiques mécaniques de la commande électrique. C'est pourquoi la commande électrique indiquée possède une vitesse de réponse et une précision insuffisantes. On connaît une commande électrique à moteur synchrone, comportant une source polyphasée de tension sinusoldale, reliée électriquement aux entrées d'un transmetteur de la position angulaire du rotor du moteur synchrone, dont les enroulements statoriques sont reliés par l'intermédiaire d'une source de courant réglable aux sorties d'un bloc de redresseurs sensibles à la phase, dont les entrées de commande sont reliées électriquement à la sortie d'un dispositif de consigne de courant (voir, par exemple, V.N. Brodovsky, E.S. Ivanov " Commandes électriques à réglage en courant et fréquence, Moscou, "Energia", 1974, pp. 68-72). Dans cette commande électrique, la source triphasée de tension sinusoidale est raccordée aux enroulements statoriques d'un transmetteur électromécanique de la position angulaire du rotor du moteur synchrone et aux entrées du bloc de redresseurs sensibles à la phase destinées à recevoir les signaux de référence. L'enroulement de sortie du transmetteur de la position angulaire du rotor du moteur synchrone est raccordé aux entrées d'un bloc de modulateurs. La commande électrique considérée possède une faible précision de déplacement et une progressivité insuffisante de rotation de l'arbre de sortie, ce qui s'explique par la présence de pulsations du couple du moteur synchrone, dues à l'alimentation de ce moteur par des courants comportant des harmoniques multiples de la fréquence de rotation du rotor du moteur.Quand on utilise une commande électrique à moteur synchrone biphasé, le courant statorique du moteur contient les troisième, cinquième, septième, etc. harmoniques, tandis que dans le cas d'une commande électrique à moteur synchrone triphasé, le courant statorique du moteur comporte le cinquième, septième etc. harmoniques. La basse précision de déplacement et la rotation insuffisamment progressive de l'arbre de sortie sont à l'origine de la basse précision et de la progressivité insuffisante du déplacement des organes de travail des machines-outils pour l'usinage des métaux. La présente invention vise par conséquent une commande électrique à moteur synchrone dans laquelle l'élimination des pulsations du couple du moteur synchrone permettrait d'améliorer la précision de déplacement et la progressivité de la rotation de l'arbre de sortie de la commande électrique. Ce problème est résolu à l'aide d'une commande électrique à moteur synchrone, du type comportant une source polyphasée de tension sinusofdale reliée électriquement aux entrées d'un transmetteur de la position angulaire du rotor du moteur synchrone, dont les enroulements statoriques sont reliés électriquement, parl'Stermédiaire d'une source de courant réglable, aux sorties d'un bloc de redresseurs sensibles à la phase, dont les entrées de commande sont raccordées électriquement à la sortie d'un dispositif de consigne du courant, ladite commande étant selon l'invention, caractérisée en ce qu'elle comporte un conformateur de signaux de référence, dont la sortie est raccordée à d'autres entrées du bloc de redresseurs sensibles à la phase, et l'entrée, à la sortie du transmetteur de la position angulaire du rotor du moteur synchrone, et un bloc de multiplicateurs dont chacun a une de ses entrées raccordée à la sortie du dispositif de consigne de courant une autre entrée, à la phase correspondante de la source polyphasée de tension sinusoîdale, et sa sortie, à l'entrée de commande correspondante du bloc de redresseurs sensibles à la phase, aux sorties duquel apparaissent des signaux electriques dont la forme est déterminée par la source polyphasée de tension sinusodale, et dont la fréquence est égale à la fréquence de rotation du rotor, déterminée par le formateur de signaux de référence. La commande électrique proposée possède une haute précision de reproduction du couple moteur assigné et fonctionne sans pulsations, car les enroulements du stator du moteur sont alimentés en courants sinusoidaux, de sorte que dans le canal de réglage des courants du stator du moteur il n'y a pratiquement pas d'éléments de retard, ce qui permet de construire des systèmes de réglage de la vitesse et de la position angulaire des organes de travail des machines - outils à usiner les métaux avec un gain élevé et, par conséquent, avec une haute précision de conformité aux paramètres d'usinage assignés. L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaitront plus clairement au cours de la description explicative qui va suivre faite en référence aux dessins schématiques annexés donnés uniquement à titre d'exemple illustrant un mode de réalisation de l'invention, et dans lesquels - la figure 1 représente le schéma électrique de principe d'une commande électrique à moteur synchrone selon l'invention - la figure 2 représente le schéma électrique d'un redresseur sensible à la phase, selon l'invention - la figure 3 (a, b, c) est le diagramme temporel des signaux électriques aux entrées des éléments du circuit de commande de la commande électrique, selon l'invention La commande électrique à moteur synchrone comporte une source polyphasée 1 (figure 1) de tension sinusoidale s'exprimant par les équations suivantes UÂ = U.sin W ot; UB = U.cos O ot UC = U.sin(G)0t 2: 3 où U est l'amplitude de la tension de la source 1 de tension sinusoldale, W O est la pulsation de la tension. Les phases A et B de la source 1 sont raccordées à l'enroulement biphasé 2 d'un transmetteur 3 de la position angulaire du rotor du moteur synchrone. Le rotor 4 du transmetteur 3 est solidaire du rotor 5 du moteur synchrone 6. La commande électrique comporte un conformateur 7 de signaux de référence, dont l'entrée est raccordée à la sortie 8 du capteur 3. La sortie 8 du transmetteur 3 est constituée par les bornes de l'enroulement 9 du rotor 4. La sortie du conformateur 7 de signaux de référence est raccordée à des entrées 10 d'un bloc Il de redresseurs sensibles à la phase. Dans la variante décrite ici à titre d'exemple, le bloc 11 comporte deux redresseurs 12 sensibles à la phase. Les sorties des redresseurs 12 sont raccordées aux entrées correspondantes 13,14 directement et par l'intermédiaire d'un amplificateur d'échelle 15 à l'entrée 16 d'une source réglable de courant 17. La source de courant 17 comporte trois amplificateurs monophasés de tension 18, d'après la nombre de phases du moteur synchrone 6.Les sorties des amplificateurs 18 sont raccordées aux enroulements correspondants 19 du stator. La commande électrique comporte un bloc 20 de multiplicateurs, qui dans la variante décrite ici comprend deux multiplicateurs 21 ayant chacun une entrée 22 raccordée à la sortie d'un dispositif de consigne de courant 23, une autre entrée 24 raccordée à la phase correspondante de la source de tension sinusoidale 1, et une sortie raccordée à une entrée réglable correspondante 25 du bloc 11 de redresseurs sensibles à la phase. Dans la variante décrite de la commande électrique, le transmetteur 3 joue le role d'un déphaseur en cas d'alimentation biphasée par la source 1, la phase du signal appliqué à l'enroulement 9 de rotor dépendant linéairement de l'angle de rotation du rotor 4. Le redresseur sensible à la phase 12 (figure 2) comporte un élément de commutation à semi-conducteurs 26 qui est représenté conventionnellement sous la forme d'un contact ouvert. L'une des bornes de l'élément de commutation 26 sert d'entrée 25 du redresseur sensible à la phase 12, tandis que son autre borne 27 est raccordée à l'entrée d'un amplificateur 28 et à la borne d'un condensateur 29. L'autre borne du condensateur 29 constitue une borne de l'ensemble du redresseur 12. L'entrée de l'élément de commutation 26 à laquelle sont appliqués les signaux de commande de l'état de ce dernier constitue l'entrée 10 du redresseur 12. Pour une meilleure compréhension du fonctionnement de la commande électrique, la figure 3 représente les diagrammes des signaux aux entrées des éléments du circuit de réglage de la commande électrique, sur l'axe des abscisses de ces diagrammes est porté le temps, et sur l'axe des ordonnées, la tension. Les graphiques illustrent le fonctionnement de la commande électrique lors de la rotation de la charge, c'est àdnedel'organe de travail de la machine, à une vitesse angulaire CJ. La figure a représente le diagramme de la tension à l'une des entrées 25 du bloc 11 de redresseurs sensibles à la phase, la figure 3b est le diagramme de la tension à l'autre entrée 25 du bloc 11, la figure 3c est le diagramme de la tension aux entrées 10 du bloc 11. La source de courant 17 (figure 1) comporte les trois amplificateurs de tension 18, chacun desquels est embrassé par une réaction en courant de sortie d'un amplificateur 18 afin de lui conférer les caractéristiques d'un amplificateur de courant. Ainsi, la source de courant 17 comporte en fait trois amplificateurs de courant réglables chacun desquels est prévu pour alimenter en courant l'un des enroulements 19 du stator du moteur synchrone. Les amplificateurs de tension 18 sont constitués par des transistors changeant continuellement d'état avec une haute fréquence, ce qui assure une vitesse de réponse élevée de la source de courant 17.La source de courant 17 assure l'alimentation du moteur 6 par les courants nécessaires, pratiquement sans retard, dans toute la gamme de vitesses de rotation Cri). Le fonctionnement de la commande électrique à moteur synchrone consiste en ce qui suit. En régime de fonctionnement à une vitesse de rotation tj constante, la commande électrique fonctionne comme suit. Le dispositif de consigne de courant 23 élabore un signal sous trime d'une tension UO en courant continu, qui constitue le signal de commande du couple moteur à l'arbre du moteur synchrone. Ce signal attaque les entrées 22 du bloc 20 de multiplicateurs, dont les autres entrées 24 sont attaquées par les tensions UA et Uc de la source 1 de tension sinusoldale. Aux sorties du bloc 20 de multiplicateurs apparaissent deux tensions U1 et U2, qui sont déterminées par les équations Uî s U.U,.sin W.t; U2 = U.UQsin (O ot - Ces tensions U1, U2 (figures Ja, 5b) attaquent respectivement les entrées 25 (figure 1) des redresseurs sensibles à la phase, aux entrées 10 desquels sont appliquées des impulsions courtes rectangulaires de tension U3 (figure 3c) dont la phase est déterminée par la position angulaire du rotor 4 du transmetteur 3. Aux enroulements statoriques 2 du transmetteur 3 est appliquée la tension biphasée de la source 1. Dans le stator du capteur 3 se forme un flux magnétique tournant refréquence angulaire t)0 et qui induit dans l'enroulement à 9 du rotor 4, une tension UO déterminée par l'expression UO = K;U.sin (#0t + #) où K est un coefficient de proportionnalité ; la phase de la tension UO, qui dépend de la vitesse de rotation W du rotor 5 du moteur synchrone 6. La tension UO est appliquée à l'entrée du conformateur 7 de signaux de référence, à la sortie duquel apparaissent des impulsions de tension U3 (figure 3c). La phase T de ces impulsions, mesurée par rapport à la phase de la tension U1 (figure 3a), varie continuellement avec une fréquence 03 la période T d'apparition desdites impulsions étant déterminée par l'expression Appliquées aux entrées 10 (figure 1) des redresseurs sensibles à la phase 12, les impulsions U3 réalisent la commande des éléments de commutation 26, qui se bloquent. Lorsqu'un élément de commutation 26 est bloqué, la tension de valeur U1 est transmise au condensateur 29 (figure 2)et est mise en mémoire pour toute la durée de la période T. L'amplificateur 28 transmet le signal du condensateur 29 aux entrées des autres éléments de la commande électrique, sans charger le condensateur 29. Afin d'exclure l'introduction d'un retard par le redresseur sensible à la phase 12 (figure 1), le circuit de charge et de décharge du condensateur 29 (figure 2) à travers l'élément de commutation 26 est conçu de faon à avoir une faible constante de temps, l'amplificateur 15 est choisi à forte impédance d'entrée, et la pulsation UJO de la source 1 est choisie sensiblement supérieure à la vitesse angulaire maximale. Lorsque WO W et que la tension d'alimentation du capteur 3 est de forme sinusoldale, on obtient pleinement les caractéristiques de précision du transmetteur 3 de la position angulaire du rotor du moteur synchrone, ce qui permet d'utiliser ce transmetteur 3 non seulement pour commander le moteur synchrone, mais aussi pour commander la position de la charge, c'est à dire de l'organe de travail d'une machine-outil à usiner les métaux. Le bloc 11 forme deux tensions : Ux = K1UQ sin #t Uy= K1UQ sin(#t#2#) où K1 est un coefficient de proportionnalité. Ces deux tensions Ux, U attaquent les entrées de l'amplifica y teur d'échelle 15, a la sortie duquel apparait la tension Uz = K1 . UQ sin (w t ~ Jr ). 3 Les tensions Ux, Uyw Uz forment un système de tensions triphasé, qui est appliqué aux entrées 13,14, 16 de la source de courant 17. La source 17 alimente l'enroulement triphasé 19 du moteur synchrone 6 en courant sinusoidal triphasé de valeur proportionnelle à la tension UQ, la pulsation est égale à la vitesse angulaire i, et la phase est déterminée par les positions relatives des rotors du transmetteur 3 et du moteur 6. Les ampères-tours totaux du stator sont proportionnels au signal UQ, leur axe tourne à la vitesse Wet leur phase est déterminée par la position relative des rotors du transmetteur 3 et du moteur 6.La position relative initiale des rotors du moteur 6 et du transmetteur 3 permet d'assurer une disposition orthogonale des axes des ampères-tours totaux du stator et de l'axe longitudinal du rotor 5 du moteur 6, qui est maintenue à une vitesse de rotation W quelconque du rotor 5. Dans ce cas, le couple à l'arbre du moteur 6 dans la zone de travail de la commande électrique est proportionnel au signal UQ et ne dépend pas de la vitesse de rotation W . Les caractéristiaues mécaniques de la commande électrique sont du type série. Une commande électrique à caractéristiques douces du type série est utilisée directement pour régler l'accélération de la charge. Dans ce cas, le dispositif 23 de consigne du courant joue le rble d'un dispositif de consigne de l'accélération. Lorsque la commande électrique faisant l'objet de la présente invention est utilisée pour bigler la vitesse de la charge, elle est dotée d'un dispositif de consigne de la vitesse et d'une génératrice tachymétrique (non représentée sur la figure 7)installée sur l'arbre de sortie de la commande électrique. Alors le dispositif 23 de consigne du courant est réalisé sous la forme d'un régulateur de vitesse, à l'entrée duquel s'effectue la comparaison des signaux du dispositif de consigne de la vitesse et de la génératrice tachymétrique. Lorsque la commande électrique faisant l'objet de la demande de brevet est utilisée pour régler la position de la charge elle est dotée d'un dispositif de consigne de la position (non représenté sur la figure 1). En qualité de transmetteur d'angle de rotation de la charge on utilise un transmetteur 3, dont le signal de l'en- roulement de sortie 9 est converti en un signal proportionnel à la position angulaire de la charge. Le signal obtenu est comparé au signal du dispositif de consigne de la position à l'entrée du dispositif 25 de consigne du courant qui, dans ce cas, remplit le rôle d'un régulateur de la position de la charge. Ainsi, pour régler la position de la charge, il n'est pas nécessaire de prévoir dans la commande électrique un transmetteur supplémentaire de la position angulaire. La commande électrique selon l'invention possède en comparaison des dispositifs connus, une haute précision de commande du couple à l'arbre gracie à l'alimentation du moteur synchrone en courants de forme sinusoidale. L'absence de dépendance entre la valeur du couple à l'arbre et la vitesse de rotation de l'arbre améliore le rendement du matériel. La commande électrique possède des propriétés dynamiques élevés ce qui s'explique par l'absence de constantes de temps importantes dans le circuit de commande du couple moteur. Ceci, à son tour, permet de réaliser des systèmes à vitesse de réponse élevée et à haute précision pour le réglage de la vitesse et de la position des organes de travail des machines-outils, d'augmenter le rendement du matériel et d'assurer une haute qualité des pièces usinées. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée au mode de réalisation décrit et représenté qui n'a été donné qu'à titre d'exemple. En particulier, elle comprend tous les moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits, ainsi que leurs combinaisons si cellesci sont exécutées suivant son exprit et mises en oeuvre dans la cadre de la protection comme revendiquée. REVENDICATION Commande électrique à moteur synchrone, du type comportant une source polyphasée (1) de tension sinusoïdale, reliée électriquement aux entrées d'un transmetteur (3) de la position angulaire du rotor (5) du moteur synchrone (6), dont les enroulements statoriques sont reliés électriquement par l'intermédiaire d'une source de courant réglable (17), aux sorties d'un bloc (11) de redresseurs (12) sensibles à la phase, dont les entrées de commande sont reliées électriquement à la sortie d'un dispositif (23) de consigne du courant, caractérisée en ce qu'elle comporte un conformateur (7) de signaux de référence, dont la sortie est raccordée à.d'autres entrées du bloc (11) de redresseurs (12) sensibles à la phase et l'entrée à la sortie du transmetteur (3) de la position angulaire du rotor du moteur synchrone, et un bloc (20) de multiplicateurs ayant chacun l'une de leurs entrées raccordée à la sortie du dispositif (23) de consigne du courant, une autre entrée, à la phase correspondante de la source polyphasée (1) de tension sinusoidale, et la sortie, à l'entrée correspondante du bloc (11) de redresseurs sensibles à la phase, aux sorties duquel apparaissent des signaux -électriques dont la forme est déterminée par la source polyphasée (1) de tension sinusoldale et dont la fréquence est égale à la fréquence de rotation du rotor (5) déterminée par le conformateur (7) de signaux de référence.