Brevet FR2431218A1 — publié le 19800208

La présente invention concerne xn dispositif de commande d'un moteur électrique a courant continu, particulibrement adapté pour alimenter un moteur couple a aimant permanent. Cet ensemble peut permettre d'actionner mn système électro-mécanique d'asservissement dans lequel les dimensions, le rendement et le refroidissement du moteur doivent être particulièrement optimisés. I1 existe plusieurs possibilités pour commander le sens de rotation et le couple d'un moteur électrique. Le montage le plus connu consiste a utiliser des thyristors. Malheureusement, ce type de montage n' est avantageux qu'en cas d'alimentation du moteur en courant alternatif et lorsque l'environnement ne craint pas les parasites. Le montage dit en H, à tension continue, comprend l'utilisation de quatre portes analogiques de puissance et dissipe une énergie très importante. Le montage a double polarité continue est plus simple que le précédent mais il présente 1' inconvénient de n'utiliser a chaque instant que la moitié de la puissance installée. La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients et notamment de réaliser un dispositif de commande de moteur électrique a courant oontinu, qui soit léger et qui présente un rendement maximal. Ce dispositif permet en outre de commander le sens de rotation et le couple du moteur courant continu. La présente invention a pour objet un dispositif de commande d'un moteur électrique a courant continu, oeracté- risé en ce qu'il comprend une source d'alimentation du moteur, par une tension continue Vp, a double polarité par rapport a un potentiel fixe de référence, cette tension continue étant appliquée a une première borne d'alimentation du moteur, par l'intermédiaire d'un générateur d'impulsions modulées en largeur, à fréquence fixe, par une tension continue d'entrée Ve présentant l'une des deux polartés, la deuxième borne d'alimentation du moteur étant reliée au potentiel fixe de référence, à travers une résistance R de faible valeur et en ce qu'il comprend deux circuits de dé charge connectés en parallèle aux bornes d'alimentation du moteur et permettant de commander la décharge de l'inductance de ce moteur, en fonction d'une tension de commande Vc. Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, le générateur d'impulsions modulées en largeur a fréquence fixe comprend : - un circuit générateur de tensions en dents de scie, apte à délivrer respectivement en synchronisme sur deux sorties, une première et une deuxième tensions en dents de scie pré sentant la mtme anplitude, la même fréquence fixe et des polarités opposées par rapport au potentiel fixe de réf é- rence - un modulateur de largeur d'impulsions comprenant deux com parateurs comparant respectivement la tension d'entrée con tinue Ve, positive ou négative, à l'une des tensions en dents de scie, par 1' intermédiaire d'un circuit de réaction appliquant en outre aux comparateurs une tension d'asser vissement VcR du moteur en intensité, et deux portes de polarités opposées. Lesdites portes constituées par un tran sistor, fonctionnent au régime bloqué-saturé et ont la mor phologie de portes logiques, bien qu'elles transmettent des signaux dont la durée représente une information analogique-. Dans la suite du texte, les circuits qui les constituent seront systématiquement désignés par le terme "porte". Les entrées de oes portes sont respectivement connectées en sortie des comparateurs de sorte-que l'une des portes soit ouverte pour l'une des polarités de l'alimentation continue et soit fermé pour la polarité opposée de cette alimenta tion ét réciproquement pour l'autre porte, ces deux portes délivrant sur leurs sorties, des impulsions dont la durée et la polarité sont fonction de la tension de commande Vc dé- pendant de la tension continue Ve et de la tension d'asser vissement VCR' Selon une autre caractéristique de l'invention, oe dispositif se caractérise en ce que chacun des circuits de décharge de l'inductance du moteur comprend une diode associée a un circuit permettant de rendre cette diode passante selon la polarité de la tension de commande Vc. Selon une autre caractéristique de l'invention, le circuit de réaction comprend une résistance R reliant la deuxième borne du moteur au potentiel fixe de référence. Cette résistance présente ainsi entre ses bornes une diffé- rence de potentiel représentative, en grandeur et en sens, de l'intensité moyenne de courant traversant le moteur. Le circuit de réaction comprend aussi un amplificateur à I1 entrée duquel est appliquée, d'une part la tension continue Ve, et, d'autre part, la tension VCR recueillie aux bornes de la résistance R. Selon une autre caractéristique de l'invention, le dispositif est caractérisé en ce que le générateur d'impulsions modulées commande deux anplificateurs de puissance, connectés respectivement entre les sorties des portes et la première borne d'alimentation du moteur. Selon une autre caractéristique, les portes sont constituées par deux circuits préamplificateurs fonctionnant selon les modes bloqué-saturé. Selon une caractéristique particulière, le dispositif comprend deux circuits de protection des amplificateurs de puissance contre les défauts envisageables des tensions d'alimentation des circuits opérationnels. Ils sont connectés respectivement entre chaque comparateur et la porte correspon dante. - Selon une autre caractéristique particulière, chacun des circuits de décharge de l'inductance du moteur comprend une diode associée a un circuit permettant de rendre cette diode passante selon la polarité de la tension continue Ve. Dlautres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, donnée à titre plrement illustratif, en référence aux dessins annexés dans lesquels - la figure I représente un schéma par blocs d'un dispositif de commande d'un moteur électrique a courant continu, conforme à l'invention. - la figure 2 représente des diagrammes de signaux obtenus en certains points du dispositif * le diagramme' représente les signaux de sortie du générateur de tension en dents e scie, le diagrammesb représente les signaux de sortie de l'une des portes et le diagramme c représente les signaux de sortie de l'autre porte. - la figure 3 est un schina détaillé du dispositif de commande conforme a. 1' invention En référence à la figure 1 on a représenté scémati- quement un dispositif de commande d'un moteur électrique à courant continu, conforme à 1. invention Ce dispositif oem- prend une source d'alimentation du moteur non représentée, et permettant d'appliquer a ce moteur une tension continue Vp à double polarité par rapport à un potentiel fixe de référence VR Cette tension Vp est appliquée à une première borne 1 d'alimentation du moteur, par l'intermédiaire d'un générateur 3, d'impulsions modulées en largeur, à fréquence fixe.Les deux polarités de la tension continue Vp correspondent respectivement aux deux sens de rotation du moteur ; une deuxième borne 4 d'alimentation du moteur est reliée au potentiel fixe de référence VR, par la résistance R de faible valeur, réfé rencée 13. Le générateur 3 d'impulsions modulées en largeur à fréquence fixe comprend un circuit 5, générateur de tensions en dents de scie, délivrant respectivement, en synchronisme sur deux sorties 6, 7, une première et une deuxième tension en dents de scie ; ces deux tensions présentent la mSme amplitude, la méme fréquence fixe et des polarités opposées par rapport au potentiel fixe de référence VR. . Le circuit gé nérateur de tensions en dents de scie 5 peut etre constitué par exemple, par un générateur de tensions en dents de scie 8, suivi d'un inverseur 90, de sorte que la sortie 6 délivre une tension en dents de scie de fréquence et d'amplitude determi- nées et que la sortie 7 délivre une tension en dents de scie, de mne fréquence, de mène anplitude et de polarité inverse par rapport au potentiel fixe de référence Le générateur 3, d'impulsions modulées en largeur à fréquence fixe, comprend egalement un modulateur 58, de largeur d'impulsions, comportant deux comparateurs 9, 10, comparant chacun respectivement la tension continue Vc aux tensions en dents de scie délivrées sur les sorties 6 et 7 du circuit générateur 5 et appliquées aux entrées 14 et 15 des compara teurs 9 et 10.Cette tension de commance Vc. résulte de la comparaison des tensions d'entrée Ve et de réaction VCR Le circuit de réaction est constitué par la boucle de réaction 11, par l'amplificateur 12 et par la résistance d'asservissement 13 qui relie la deuxième borne 4 du moteur au potentiel fixe de référence VR Ce circuit de réaction réalise un asser- vissement ai moteur en intensité L'amplificateur 12 revoit la tension continue Ve ainsi qu'une tension proportionnelle a l'intensité moyenne du courant qui trayerse la résistance 13, donc le moteur 2. Cet amplificateur délivre une tension de commande Vc qui est appliquée a chacune des autres entrées 16, 17 des comparateurs 9, 10.Le modulateur de largeur d'impulsions 8 comprend également deux portes 18, 19, de polarités opposées et dont les entrées respectives 20, 21 sont connectées en sortie des comparateurs 9, 10. La porte 18, destinée a transmettre exclusivement les signaux de commande négatifs, est alimentée par un potentiel négatif -V, tandis que la porte 19 est alimentée par un potentiel positif V. Ainsi, la porte positive 19, destinée à transmettre exclusivement les signaux de commande positifs, délivre sur sa sortie 22 des impulsions positives modulées en largeur, a la fréquence des signaux en dents de scie. La porte négative 18 délivre sur sa sortie 23 des impulsions négatives par rapport au potentiel fixe de référence, modulées en largeur, à la fréquence des signaux en dents & scie.La polarité positive ou négative des impulsions est bien entendu fonction de la polarité de la tension continue de commande Vc. Le générateur 3 d'impulsions modulées en largeur, comprend également deux amplificateurs de puissance 24 et 25, permettant d' appliquer à la première borne d'alimentation 1 du moteur 2, les impulsions modulées déli- vrées par les portes 22, 23. Le dispositif comprend en outre deux circuits 26, 27 de décharge, connectés entre la borne d' alimentation (1) du moteur et le potentiel de référence Vu et permettant de commander la décharge de l'inductance de ce moteur, en fonction de la polarité de la tension de commande Yc. Eh effet, le moteur presente une impédance inductive et après chaque impulsion, cette inductance doit être déchargée.Ces circuits de décharge sont commandes par l'intermédiaire d'un comparateur 28 qui, en fonction de la polarité ae la tension de commande Vc, en sortie de l'amplificateur 12, provoque la décharge de l'inductance du moteur,. par le circuit 26 ou 27q Le courant moyen qui a traversé le moteur traverse également la résistance 13 et la tension qui apparaît aux bornes de cette résistance est appliquée, par la boucle 11, a 1'amplificateur 12 de manière a realiser ainsi un asservis sement du moteur en courant, donc en couple. Le dispositif comprend aussi deux circuits 29, 30 de protection des amplificateurs de puissance 18, 19 contre un défaut d'alimentation des circuits opérationnels. Ces circuits sont oonnectés respectivement, entre le comparateur 9 et la porte 18, et entre le comparateur 10 et la porte 19 ; ils seront décrits plus loin en détail. En référence a la figure 2, on a représenté les diagrammes des signaux obtenus en différents points du dispositif. Sur le diagramme a, on a représenté, en 60, la dent de scie de polarité positive obtenue en sortie 7 du circuit générateur de tensions en dents de scie 5, de la même manière en 31, est représentée la tension en dents de scie, de polarite négative obtenue sur la sortie 6 du générateur de tensions en dents de scie. Enfin, la droite 33 représente la tension continue de commande Vc appliquée aux entrées 16 et 17 des comparateurs 9 et 10. Cette tension de commande depend bien entendu de la tension continue Ve ainsi que de la tension de correction appliquée à l'amplificateur 12, par la boucle 11. Sur ce diagramme, on a représenté le potentiel de référence VR, ainsi que les amplitudes en Volts = + 2V et + 8V. Sur le diagramme b, on a représenté en 34, les impulsions de polarité négative obtenues sur la sortie 23, de la porte négative 18. On voit bien sur cette figure que les impulsions ont une polarité qui dépend de la polarité de la tension Vc, et ont une airée qui dépend de l'amplitude de cette tension De la mbme manière, sur le diagramme' c, on a repré- senté en 35 les impulsions positives obtenues sur la sortie 22 de la porte positive 19. De la même manière que précédemment, ces impulsions ont une polarité qui dépend de la polarite de la tension Vc et ont une durée qui dépend de l'am- plitude de cette tension.Ces résultats sont obtenus grâce aux portes constituées par les préamplificateurs fonctionnant en modes bloqué-saturé. En référence a la figure 3, on a représenté, en détail, le dispositif de commande de moteur électrique a courant oontinu, conforme a l'invention. Les mêmes éléments portent les mêmes férences sur cette figure et sur la figure 1. Le circuit générateur de tensions en dents de scie 5 n'est pas représenté en détail ; en effet, ce circuit est très connu dans 1' état de la technique. Les comparateurs 9 et 10 sont eux aussi constitués de manière connue par des circuits comprenant des résistances non référencées et des amplificateurs opérationnels 36, 37. La tension continue Ve est appliquée au dispositif par l'intermédiaire dtun poten tiomètre 38 dont le curseur est relié à l'amplificateur 12. Ce potentiaaètre permet de régler la valeur de la tension continue Ve qui fixe la airée et la polarité des impulsions appliquées ai moteur 2. les amplificateurs 12 et 28 sont eux aussi constitués de manière connue par des circuits comprenant des amplificateurs opérationnels 39, 40, et des résistances non référencées. Le circuit générateur de tension en dents de scie 5 peut, par exemple, délivrer des signaux à une fréquence de 20 kilohertz et présentant une amplitude de 15V. Chacun des comparateurs 9 et 10 est monté de manière constituer un amplificateur différentiel qui reçoit sur une entrée la tension de commande Vc.Chacun de Qs amplificateurs a un gain très élevé et présente une saturation soit positive, soit négative, suivant le signe de la tension de oommance Vc. Les portes qui ont été représentées en 18 et 19 sur la figure 1 sont constituées par les transistors 41 et 42. Chacun de ces transistors, commandé par chacun des comparateurs 9, 10 est soit saturé, soit bloqué selon la polarité de la tension de commande Vc.Le transistor 42 est saturé par les tensions positives, tandis que le transistor 41 est saturé par les tensions négatives. I1 en résulte que ces transistors constituent des portes puisque l'un d'eux est saturé tandis que l'autre est bloqué, et réciproquement, selon le signe de la tension de commande Yc. On a également représenté sur cette figure deux circuits constitués respectivement par les transistors 43 et 44 et par les transistors 45 et 46. Ces circuits qui comprennentégalement des résistances non référencées sont constitués de manière connue, ce sont des amplificateurs adaptateurs d1 impédance, qui assurent la liaison entre les portes constituées par les transistors 41 et 42, et les amplificateurs de puissance 24, 25.La saturation du transistor 42, par exemple, entrasse également la saturation de l'amplifi- cateur de puissance 25 et ainsi, elle permet l'application d'une tension positive d'alimentation Vp du moteur sur la borne 1 de celui-ci, Les amplificateurs de puissance 24 et 25 comprennent respectivement des transistors 47, 48, des transistors 49, 50, ainsi que des résistances et des diodes non référencées.Ces anplificateurs sont bien connus dans l'état de la technique, sous le nom de "Darlington11. Ils utilisent des transistors qui ont un temps de commutation très court, de manière a suivre rigoureusement les impulsions de commande en provenance des portes.Dans le cas d'impulsions négatives, le fonctionnement du système est analogue et la tension négative -Vp est appliquez au moteur sur sa borne 1 sous forme d'impulsions délivrées par l'amplificateur de puissance 24. L'impédance du moteur 2 est équivalente a une inductance. Il en résulte que ce moteur intègre les impulsions de courant qui le traversent. La résistance 13 permet de recueillir le courant moyen qui traverse le moteur ; la tension qui apparait aux bornes de cette résistance est proportionnelle a ce courant moyen et donc au couple moyen du moteur. C'est cette tension'qui est ajoutée, par la boucle 11, en correction à la tension Ve de manière a réaliser ainsi un asservissement en courant de l'amplificateur de puissance. On a representé en 26, 27 les circuits de décharge de l'inductance du moteur. Ces circuits comprennent respectivement les transistors 51,52 et la diode 53 et les transistors 54, 55 et la diode 56. Les transistors sont montés selon un circuit de type connu "Darlington" Le moteur est alimenté par des impulsions et a une impédance équivalente a une inductance. I1 en résulte que pendant les périodes ot la tension d'alimentation s'annule, l'inductance se décharge et prolonge le courant du moteur, le moteur fonctionne alors en générateur. Ce courant parasite est oourt circuite par les diodes 53 ou 56 selon la polarité des impulsions appliquées au moteur. Cha cune des diodes~-est commandée par les transistors 51, 52 au par les transistors 54, 55, euxemêmes pilotés par l'ampli- ficateur 28.Cet amplificateur qui est constitué par un amplificateur opérationnel 40, associé à des résistances non réfé rencées, reçoit la tension de commande Vc et permet d' appli- quer aux transistors précédents un signal de commande assurant la conduction de l'une des diodes en fonction de la polarité de la tension de commande Vc, et donc du sens de rotation du moteur. On a représenté en 29, 30 les circuits de protection de l'amplificateur de puissance, contre les défaillances des alimentations des circuits opérationnels. Ces circuits sont connectés entre les comparateurs 9,10 et les portes analoqiaues constituées par les transistors 41, 42. Ces circuits sont nécessaires car le circuit générateur de tension en dents de scie comprend un oscillateur qui ne fonctionne correctement que si sa tension d'alimentation est supérieure à 6 Volts. Dans le cas contraire, les comparateurs ne sont pas alimentés normalement et risquent de provoquer la conduction simultanée des deux branches. Il en résulte qu'il est nécessaire de prévoir des circuits de protection constitués par les transistors 57, 58, disposés en série entre les portes et les amplificateurs de puissance. Ces transistors sont saturés par la présence sur leur base des tensions d'alimentation +Va ou -Va des comparateurs 9, 10. Si cette tension d'alimentation vient à disparaître ou à diminuer en valeur absolue, les deux amplificateurs de puissance sont automatiquement bloqués. Ce cas risque de se produire lorsque les tensions d'alimentation +Vp et -Vp sont appliquées aux amplificateurs de puissance, en l'absence momentanée des tensions +Va et -Va. Ces circuits assurent donc une sécurité, en particulier lors de la mise sous tension ou de la coupure des différentes alimentations électriques du dispositif. Le dispositif qui vient d'etre décrit présente une dissipation calorifique minimale. L'amplificateur de puissance fonctionne en impulsions et il en résulte que les transistors qui le constituent, fonctionnent soit à l'état bloqué, soit à l'état saturé A a l'état bloqué, l'intensité est nulle, il n'y a donc pas de dissipation calorifique ; à 1' état sa turc, la tension a leurs bonites est de l'ordre de 1,5V pour une intensité axiale de 4A. La puissance dissipée est donc theoriquement de 6 watts environ Avec les circuits actuellement disponibles, les pertes par commutation sTajoutent et sont prépondérantes.De plus, seul l'un des deux amplificateurs de puissance est en fonctionnement lorsque l'autre est bloqué, ce qui diminue la dissipation totale. La puissance moyenne dissipée est d'autre part corrigée par le facteur de forme du courant. Ce facteur de forme est le rapport du temps de saturation des transistors de l'amplificateur de puissance, au temps total de travail de ces transistors (somme du temps de blocage et du temps de saturation). Les circuits de protection 26, 27 sont traversés par un courant ondulé dont la valeur moyenne dépend également du facteur de forme. Lorsque le couple du moteur est maximal, le facteur de forme est égal à l et aucun courant ne traverse les diodes 53, 56 ; la résistance 13, dans un exemple de réalisation du dispositif est égale a 0,12 ohms ; lorsqu'elle est traversee par le courant moteur, elle dissipe une puissance maximale de 2 watts. I1 résulte de ces observations que la dissipation calorifique totale ai dispositif est particulièrement faible. Le rendement est donc excellent (80%) et l'ensemble peut être refroidi facilement par l'air ou par un radiateur classique. Ce radiateur peut être réalisé très simplement au moyen d'une simple plaque de cuivre qui atteint une température limite de 800C. Si on refroidit cette plaque de cuivre par une circulation d'eau de trois litres par heure, la température du dispositif se stabilise a 350C, lorsque la température anbiante est de 250C. Le dispositif qui vient d'être décrit permet de contrôler très facilement le couple d1un moteur ; il est de faibles dimensions et présente une dissipatiOn calorifique très faible et il est particulièrement désigné pour équiper des appareillages autonomes et en particulier des matériels embarqués. I1 est bien évident que dans le dispositif qui yient d'entre décrit, les moyens utilisés auraient pu être remplacés par des moyens équivalents, sans sortir du cadre de l'invention. Eh particulier l'évolution de la technologie des semiconducteurs permettra prochainement de disposer de composants réalisant globalement les fonctions génératrices telles que générateursde dents de scies, comparateurs, sortie de signaux modulés en durée. REveNDICATIONS 1. Dispositif de commande d'un moteur électrique a courant continu, caractérisé en ce qu'il comprend, une source d'alimentation du moteur par une tension continue Wp å double polarité par rapport å un potentiel fixe de référence, cette tension continue étant appliquée à une première borne d'alimentation du moteur par l'intermédiaire d'un générateur d'impulsions modulées en largeur, à fréquence fixe, par une tension continue d'entrée Ve présentant l'une quelconque des deux polarités, une deuxième borne d'alimentation du moteur étant reliée au potentiel de référence et deux circuits de décharge connectés en parallèle aux bornes d'alimentation du moteur et permettant de commander la décharge de l'inductance de ce moteur, en fonction de la polarité d'une tension de commande Vc. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le générateur d'impulsions modulées en largeur à frequence fixe comprend - un circuit générateur de tensions en dents de scie, apte a délivrer respectivement en synchronisme sur deux sorties, une première et une deuxième tensions en dents de scie pré sentant la même amplitude, la même fréquence fixe et des polarités opposées par rapport au potentiel fixe de référence - un modulateur de largeur d'impulsions, comprenant deux oom- parateurs comparant respectivement la tension continue d'en trée Ve a l'une des tensions en dents de scie, par l'intermé diaire d'un circuit de réaction appliquant en outre aux comparateurs une tension VcR d'asservissement du moteur en -courant et par l'intermédiaire de deux portes de polarités opposées, dont les entrées sont respectivement oonnectées en sortie des comparateurs, de sorte que l'une des portes soit ouverte pour l'une des polarités de l'alimentation continue et soit fermez pour la polarité opposée de cette alimentation et réciproquement pour l'autre porte, ces deux portes délivrant sur leurs sorties des impulsions dont la durée et la polarité dépendent de la tension de commande Vc dépendant de la tension continue Ve et de la tension d'asser vissement VCR 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que chacun des circuits de décharge de l'inductance du moteur comprend Dne diode associée a non circuit permettant de rendre cette diode passante selon la polarite de la tension de commande Vc. 4* Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le circuit de réactfon comprend une résistance d' as- servissement reliant la deuxième borne du moteur au potentiel fixe de référence, et un amplificateur a l'entrez duquel est appliquée, d'une part, la tension continue Ve, et, d'autre part, la tension VÇR recueillie aux bornes de la résistance d1 asservissement. 5. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le générateur d'impulsions modulées commande deux amplificateurs de puissance connectés respectivement entre les sorties des portes et la premiere borne d' alimentation du moteur. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que les portes sont constituées par un étage préamplificateur fonctionnant selon les modes bloqué-saturé. 7. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce qu il comprend des circuits de protection des amplificateurs de puissance contre les défaillances des alimentations, ces circuits de protection étant respectivement con nectés entre chaque comparateur et la porte qui lui correspond. 8. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que les amplificateurs sont d'un type apte a fonctionner en mode bloqué-saturé.