Brevet FR2471698A1 — publié le 19810619

Dispositif pour la régulation du courant de propulsion et du courant de freinage d'un moteur à courant continu sans balais. La présente invention concerne un dispositif qui, destiné à réguler le courant de propulsion et le cou- rant de freinage d'un moteur à courant continu sans balais comportant un rotor à aimant permanent et des enroulements statoriques, comprend des éléments de commutation semiconducteurs reliés à une source de tension de service en étant montés chacun en série avec un enroulement statorique, des diodes de roue libre associées respectivement aux enroulements stato- riques, un circuit de commande pour les éléments de commutation semiconducteurs, un capteur explorant l'angle de rotation instantané du rotor et commandant les éléments de commutation semiconducteurs par l'in- termédiaire du circuit de commande en fonction de l'angle de rotation instantané du rotor, un équipement comparateur présentant deux entrées et agissant égale- ment sur le circuit de commande, et un équipement de mesure de courant monté en série avec les enroulements statoriques et qui mesure le courant des enroulements statoriques et celui des diodes de roue libre et auto- rise ou interdit à la cadence imposée par l'intermé- diaire de l'équipement comparateur l'émission des si- gnaux de commande du circuit de commande. Dans un dispositif connu de ce genre, l'équipe- ment de mesure de courant présente une résistance de mesure de courant montée en série avec chacun des en- roulements statoriques. Les résistances de mesure de courant sont toutes reliées à une ligne d'alimentation en courant commune à laquelle sont également connec- tées les diodes de roue libre par l'intermédiaire d'un circuit limiteur de tension commun. Ainsi, le courant de roue libre peut aussi être mesuré et limité. La limitation de courant empêche une démagnétisation de l'aimant permanent du rotor et protège les diodes de roue libre ainsi que les éléments de commutation semi- conducteurs contre le risque de surcharge. Un dispo- sitif de ce type est relativement coûteux. Or, la présente invention consiste à créer un dis"ositif du genre décrit mais qui, tout en étant d'une construction plus simple, mrotège même lors du freinage du motor (fonctionnant comme génératrice) les éléments de commutation semiconducteurs et les diodes de roue-libre contre des surcharges. La solution apportée à ce problème suivant la présente invention consiste en ce- que l'équipement de mesure de courant comprend deux organes de mesure de courant dont le mremier est commun aux seuls enroule- ments statoriques et le second est commun aux seules diodes de roue libre, en ce que le premier organe de mesure de courant est relié à l'une des entrées et le second organe de mesure de courant à l'autre entrée de l'équipement comparateur et en ce que l'équipement comparateur transmet au circuit de commande un signal de déblocage ou un signal de blocage en fonction du résultat d'une comparaison du signal de mesure du pre- mier organe de mesure de courant avec une première valeur limite de courant et du signal de mesure du second organe de mesure de courant avec une seconde valeur limite de courant. Ainsi, il suffit de prévoir un seul organe de mesure de courant pour toutes les phases du moteur et un seul organe dé mesure de courant pour toutes les diodes de roue libre. De préférence, on veillera à ce que l'équipement comparateur soit du type à basculement et bascule en cas de dépassement d'une valeur limite supérieure et d'une valeur limite inférieure de courant. Par un choix approprié des valeurs limites, on peut limiter 2471698.. la charge subie par les éléments semiconducteurs et en même temps régler, en fonction de la vitesse de rotation voulue, la valeur moyenne du flux magnétique produit par les enroulements statoriques. Les valeurs limites peuvent notamment être si proches l'une de l'autre que la fréquence de basculement soit supé- rieure à la fréquence du moteur et se situe de pré- férence au-dessus de l'intervalle des fréquences acoustiques. L'équipement comparateur peut comporter deux comparateurs dont l'un est destiné à comparer le si- gnal de mesure du premier organe de mesure de courant à la première valeur limite de courant et le second comparateur est destiné à comparer le signal de mesure du second organe de mesure de courant à la seconde valeur limite de courant. Bien qu'il soit en principe possible de n'utiliser qu'un seul comparateur, l'uti- lisation de deux comparateurs permet de régler les valeurs limites de courant indépendamment l'une de l'autre. L'équipement peut être conçu de façon que les signaux de sortie des deux comparateurs soient amenés respectivement à l'une et l'autre de deux entrées d'uoe bascule bistable (flip-flop) qui influencent l'état de basculement de la bascule bistable de manière inverse l'une par rapport à l'autre. Cela permet de maintenir un changement de polarité très rapide de la différence de signal d'entrée de l'un des comparateurs jusqu'à une variation, présentant le signe correct, de la dif- férence de signal d'entrée de l'autre comparateur et vice versa. Notamment dans le cas d'un moteur ne comportant que deux enroulements statoriques, décalés l'un par rapport à l'autre de 180 , une forme de réalisation avantageuse de l'invention consiste en ce que chaque diode de roue libre shunte l'élément de commutation semiconducteur mettant en circuit et hors circuit l'enroulement statorique correspondant, en ce que chaque diode de roue libre est montée en antiparallèle par ranport à l'élément de commutation semiconducteur entre le côté de celui-ci connecté à l'enroulement statorique et le pôle de la source de tension continue de fonctionnement relié à l'autre côté de l'élément de commutation semiconducteur et en ce que les enroule- ments statoriques sont des bobinages bifilaires. On obtient ainsi pour une construction simple que l'éner- gie accumulée dans le champ magnétique d'un enroule- ment statorique venant d'être mis hors circuit se dis- sipe sous forme de courant de roue libre passant par l'autre enroulement statorique afin de limiter la ten- sion appliquée à l'élément de commutation semiconduc- teur vehant d'être mis hors circuit, mais continue néanmoins d'agir dans le même sens de rotation. Il en résulte un accroissement du rendement. De plus, les éléments de commutation semiconduc- teurs peuvent, du côté éloigné des enroulements stato- riques, être reliés conjointement par l'intermédiaire d'une première résistance de mesure de courant au pôle correspondant de la source de tension continue de fonc- tionnément et les diodes de roue libre peuvent, égale- ment du côté éloigné des enroulements statoriques, être reliées conjointement par l'intermédiaire d'une seconde résistance de mesure de courant à ce même pôle de la source de tension continue. Cela permet d'une manière particulièrement simple de réaliser les compa- rateurs en tant qu'amplificateurs différentiels présen- tant une entrée inverseuse et une entrée non inverseu- se. Suivant une autre caractéristique de l'invention, l'entrée inverseuse de l'un des comparateurs peut alors être reliée à la résistance de mesure de courant pré- sentant dans le cas o le courant de fonctionnement passe dans le sens normal une chute de tension posi- tive et l'entrée non inverseuse de ce comparateur peut être soumise à une tension de référence correspondant à la valeur limite de courant supérieure tandis qu'en outre l'entrée non inverseuse de l'autre comparateur peut être reliée à la résistance de mesure de courant présentant lors du passage d'un courant libre une chu- te de tension négative et l'entrée.inverseuse de ce comparateur peut être soumise à une tension de réfé- rence corresnondant à la valeur limite de courant infé- rieure. Lorsqu'à présent, l'une des résistances de mesure de courant est traversée par un courant de fonc- tionnement, la chute de tension à travers l'autre ré- sistance de mesure et donc également la tension apDli- quée à l'entrée du comparateur correspondant connectée à cette autre résistance sont nulles, puisque dans ce cas, l'autre résistance de mesure de courant n'est traversée par-aucun courant, alors que les conditions se trouvent inversées en cas de passage d'un courant libre. De préférence, les tensions de référence appli- quées aux entrées concernées des comparateurs sont réglables. Ceci permet d'une manière simple de faire varier les valeurs limites de courant et donc égale- ment la fréquence de commutation (fréquence de hacheur) des éléments semiconducteurs. Un exemple de réalisation préféré de l'invention est décrit ci-dessous en détail à l'aide du dessin annexé dans lequel: - la figure 1 représente sous forme de schéma- blocs le dispositif régulateur de courant; - les figures 2 à 7 montrent, en vue d'expliquer le mode de fonctionnement du dispositif régulateur de courant, l'évolution dans le temps de certaines gran- deurs électriques dans ce dispositif et dans le moteur connecté à celui-ci. Suivant la figure 1, un enroulement statorique 1, un transistor 2 et une résistance de mesure de cou- rant 3 sont reliés en série aux pôles (+) et (0) d'une source de tension continue de fonctionnement non repré- sentée. D'autre part, un second enroulement statorique 4, un transistor 5 et la résistance de'mesure de cou- rant 3 sont reliés en série à la source de tension con- tinue de fonctionnement. Les enroulements statoriques 1 et 4 sont enroulés en tant que bobinages bifilaires lo sur le noyau du stator. La jonction du transistor 2 et de l'enroulement statorique 1 est reliée par l'intermédiaire d'une dio- de de roue libre 6 et d'une seconde résistance de me- sure de courant 7 au pôle (0) présentant une tension nulle de la source de tension continue de fonctionne- ment. De même, la jonction du transistor 5 et de l'en- roulement statorique 4 est reliée par l'intermédiaire d'une seconde diode de roue libre 8 et de la seconde résistance de mesure de courant 7 au pôle (0) de la source de tension continue de fonctionnement. A cet égard, les diodes de roue libre 6 et 8 sont polarisées en sens inverse des transistors 2 et 5. Le moteur à courant continu comporte un rotor à aimant permanent 9 représenté schématiquement et dont l'angle de rotation instantané est exploré par un cap- teur 10 sensible aux champs magnétiques. Le capteur 10 provoque par l'intermédiaire d'un circuit de commande 11., lequel est relié du côté sortie aux bases des transistors 2 et 5, la commutation des transistors après chaque demi-tour effectué par le rotor. Le circuit de commande 11 présente une entrée de blocage 12 qui est connectée à la sortie Q d'un équi- pement comparateur 13. L'équipement comparateur 13 comporte un diviseur de tension formé de quatre résis- tances ohmiques 14 à 17. La résistance 14 est reliée d'une part au pôle positif (+) et d'autre part par 2471698 1 7À l'intermédiaire de la résistance 15 à un pâle (0), présentant une tension nulle, d'une source de tension continue non représentée, alors que la résistance 16 est reliée d'une oart à ce même pâle (0) présentant une tension nulle et d'autre part par l'intermédiaire de la résistance 17 au pôle négatif (-) de cette source de tension continue. De plus, les résistances 14 et 16 sont réglables. La jonction 18 des résistances 14 et 15 est re- liée à l'entrée non inverseuse (+) d'un comparateur 19 et la jonction 20 des résistances 16 et 17 est reliée à l'entrée inverseuse (-) d'un comparateur 21. L'entrée inverseuse (-) du comparateur 19 constitue en même temps l'une 22 des entrées de l'équipement comparateur 13 et est reliée à la jonction du transistor 2 et de la résistance de mesure de courant 3 alors que l'entrée non inverseuse (+) du comparateur 21 constitue en même temps l'autre entrée 23 de l'équipement comparateur 13 et est reliée à la jonction du transistor 5 et de la résistance de mesure de courant 7. Les comparateurs 19 et 21 sont des amplificateurs différentiels présentant un très haut degré d'amplification et se comportent comme des bascules. Si la tension appliquée à l'entrée inverseuse (-) excède celle appliquée à l'entrée non inverseuse (+) dans le sens positif, alors le signal de sortie du comparateur prend brusquement une valeur négative (basse) et vice versa. La sortie du comparateur 19 est reliée à une entrée R et la sortie du comparateur 21 à une entrée C d'une bascule bistable (flip-flop) 24. Ces entrées influent de manière opposée sur l'état du signal de sortie de la bascule bistable 24 au niveau d'une sortie Q qui constitue en même temps la sortie de l'équipement comparateur 13. Lorsque le signal appliqué à l'entrée R est en voie de diminuer, c'est-à-dire lorsque le flanc arrière du signal de sortie du comparateur 19 se pré- sente, la bascule bistable 24 est amenée à basculer de façon à produire à la sortie Q un signal-de bl.o- cage UQ (zéro logique). Si. par contre, après une diminution du signal appliqué à l'entrée R le signal appliqué à l'entrée C est en voie de croître, c'est- à-dire que'le flanc avant du signal de sortie du com- parateur 21 se présente, la bascule bistable 24 est amenée à basculer de façon à produire à la sortie Q un signal de déblocage UQ (un logique)- Le mode de fonctionnement du disnositif de la figure 1 est décrit cidessous en se référant aux figures 2 à 7. Il est supposé qu'à l'instant t = o, le signal de commande délivré Dar le capteur 10 est positif et le signal de déblocage UQ (figure 6) est présent à la sortie Q et-donc également à l'entrée 12. Le signal de commande peut donc passer par le circuit de comman- de 11 et, étant donné qu'il s'agit de la première moi- tié du tour de rotation du rotor, être amené à la base du transistor 2, alors que le transistor 5 ne reçoit aucun signal de commande. Le transistor 2 de- vient alors conducteur de sorte qu'un courant crois- sant à peu près linéairement passe à partir du pâle nositif (+) de la source de tension continue de fonc- tionnement par l'intermédiaire de-l'enroulement stato- rique 1, du transistor 2 et de la résistance de mesure de courant 3 au pâle (0), présentant une tension nul- le, de la source de tension continue de fonctionnement. Le flux magnétique 0 (figure 7) produit par ce courant traversant l'enroulement statorique 1 croit donc à peu près linéairement jusqu'à ce que ce courant provoque à travers la résistance de mesure de courant 3 une chute de tension U3 (figure 2) qui excède à l'instant t1 la tension U18 (figure 2) réglée au moyen de la résistance 14 au niveau de la jonction 18 et corres- pondant à une valeur limite de courant supérieure. 2471-698 J De ce fait, le comparateur 19 bascule de sorte que son signal de sortie U19 auparavant positif devient négatif (figure 4) et la bascule bistable 24 bascule également de sorte que le signal de blocage UQ (fi- gure 6) se présente à la sortie Q et le signal de commande est empêché d'accéder à la base du transis- tor 2. Par conséquent, le transistor 2 se trouve bloqué à l'instant t1 de sorte que le courant pas- sant par l'enroulement statorique 1 est interrompu et la chute de tension U3 provoquée, sous l'action de ce courant, à travers la résistance de mesure de courant 3 disparaît et le comparateur 19 bascule en même temps dans l'autre sens, c'est-à-dire que son signal de sortie U 19 redevient positif (figure 4). Toutefois, étant donné que les deux enroulements sta- toriques 1 et 4 sont couplés magnétiquement par le noyau du stator, l'énergie magnétique accumulée jus- qu'à l'instant t1 dans le champ magnétique peut être dissipée par l'intermédiaire de l'enroulement stato- rique 4. En effet, tant que l'enroulement statorique 1 était parcouru par un courant, il était induit dans l'enroulement statorique 4 une tension polarisée de façon à tendre à faire passer un courant dans le sens de conduction du transistor bloqué 5 et dans le sens inverse de celui de c nduction de la diode de roue libre 8. Par suite de l'interruption du flux de courant dans l'enroulement statorique 1, il est ce- pendant induit dans l'enroulement statorique 4 une tension supérieure à celle de la source de tension continue de fonctionnement et polarisée en sens in- verse de cette dernière tension. La tension induite dans l'enroulement statorique 4 par l'interruption de courant dans l'enroulement statorique 1 teut donc à présent faire retourner dans la source de tension continue de fonctionnement un courant qui passe par la résistance de mesure de courant 7 et la diode de 2471698 i roue libre 8. Ce courant est négatif par rapport à la polarité du courant qui prssait auparavant par la résistance de mesure de courant 3 et croit par bonds (dans le sens négatif) jusqu'à une valeur correspon- dant au flux 0 à l'instant tl. A cet égard, la chute de tension (négative) U7 que ce courant provoque à travers la résistance de mesure de courant 7 descend aussitôt au-dessous de la tension de référence U20 (figure 3) appliquée à la jonction 20 et correspon- dant à la valeur limite de courant inférieure, de sorte Cq'à présent, le comparateur 21 bascule et son signal de sortie U_1 (figure 5) prend une valeur né- tance de mesure de courant 7 décroit ensuite à peu près linéairement en fonction de la dissipation de l'énergie magnétique accumulée dans le champ magnéti- que de sorte que la chute de tension U7 diminue éa:- lement de façon progressive (figure 3), c'est-à-dire que la tension appliquée à l'entrée 23 augmente dans le sens positif. A l'instant t2, cette tension excède à nouveau la tension de référence U20 appliquée à la jonction 20 de sorte que l'amplificateur 21 effectue un basculement en retour et la bascule 24 est ramenée à son état initial par l'accroissement du signal de -25 sortie U21 de cet amplificateur 21. De ce fait, le signal de déblocage U1 se présente à nouveau à l'en- Q trée 12 du circuit de commande 11. A la base du tran- sistor 2 est donc à nouveau amené le signal de comman- de du capteur 10 et le transistor 2 devient à nouveau -arfaiLement conducteur. Etant donné qu'à l'instant t2, une énergie magnétique résiduelle est encore emma- gasinée dans le champ magnétique, le courant dans la résistance de mesure de courant 3 et, par suite, la chute de tension U3 à travers celle-ci croissent d'un bond jusqu'à une valeur correspondant à cette énergie résiduelle pour continuer ensuite à croitre encore à il peu près linéairement jusqu'à ce que, à l'instant t3, la tension de référence U18 correspondant à la valeur de courant limite supérieure soit à nouveau atteinte. A partir de là, le processus décrit se répète jusqu'à l'instant tn o le rotor a effectué un demi-tour de rotation. A présent, le signal de commande du capteur est envoyé par commutation sur la base du transis- tor 5 jusqu'à présent continuellement bloqué et est à nouveau, à la cadence du changement du signal de sor- tie de l'équipement comDarateur 13, alternativement libéré et bloqué de façon à obtenir également au cours dela seconde moitié d'un tour de rotation du rotor une allure de flux sensiblement en forme de dents de scie correspondant à celle obtenue au cours du premier demi-tour de rotation, mais avec une polarité inverse, comme représenté dans la partie inférieure droite de la figure 7. Ce flux négatif continue à présent au cours de la seconde moitié d'un tour de rotation du rotor à agir dans le même sens de rotation que le flux positif au cours de la première moitié du tour de rotation. Le choix des valeurs limites pour lesquelles les comparateurs basculent détermine la valeur moyenne du flux 0 et par conséquent également la vitesse du mo- teur ainsi aue la fréquence des impulsions de comman- de, c'est-à-dire la -réquence de commutation, des transistor= qui est de préférence située à l'extérieur de l'intervalle des fréquences acoustiques. Le fait qu'après la mise hors circuit d'un en- roulement statorique l'énergie emmagasinée dans le champ magnétique soit amenée à retourner dans la source de tension de fonctionnement en passant par l'autre enroulement statorique a pour avantage que cette énergie contribue également en partie au couple du moteur. En outre, tant les transistors que les diodes de roue libre se trouvent protégés contre le 247i698 I risque de surcharge. La limitation de courant est également effective lorsque le moteur fonctionne com- me génératrice, par exemple lors d'un freinage, le- quel produit ainsi en même temps un effet utile. Un freinage peut être aisément réalisé en maintenant de façon positive un transistor continûment à l'état conducteur. Diverses modifications peuvent être apportées à l'exemple de réalisation représenté sans sortir du cadre de l'invention. Ainsi peuvent être prévus au lieu des transistors également d'autres éléments de commutation semiconducteurs, comme mar exemple des thyristors de coupure, qui par des impulsions de commande de-polarité appropriée entre la connexion de commande et la connexion principale correspondante neuvent être amenés par commutation non seulement de l'état bloqué à l'état conducteur, mais aussi inver- sement de l'état conducteur à l'état bloqué. 2471698 1 REVENDICATIONS 1. Dispositif qui, destiné à réguler le courant de Propulsion et le courant de freinage d'un moteur à courant continu sans balais comportant un rotor à aimant permanent et des enroulements statoriques, comprend des éléments de commutation semiconducteurs relié à une source de tension de service en étant montés chacun en série avec un enroulement statori- que, des diodes de roue libre associées respective- 1o ment aux enroulements statoriques, un circuit de com- mande pour les éléments de commutation semiconduc- teurs, un capteur explorant l'angle de rotation ins- tantané du rotor et commandant les éléments de commu- tation semiconducteurs par l'intermédiaire du circuit de commande en fonction de l'angle de rotation instan- tané du rotor, un équipement comparateur présentant deux entrées et agissant également sur le circuit de commande, et un équipement de mesure de courant monté en série avec les enroulements statoriques et qui mesure le courant des enroulements statoriques et celui des diodes de roue libre et autorise ou inter- dit, à la cadence imposée par l'intermédiaire de l'é- quipement comparateur, l'émission des signaux de com- mande du circuit de commande, caractérisé en ce que l'équipement de mesure de courant (3, 7) comprend deux organes de mesure de courant dont le premier (3) est commun aux seuls enroulements statoriques (1, 4) et le second (7) est commun aux seules diodes de roue libre (6, 8), en ce que le premier organe de mesure de courant (3) est relié à l'une (22) des entrées et le second organe de mesure de courant (7) à l'autre entrée (23) de l'équipement comparateur (13) et en ce que l'équipement comparateur (13) transmet au circuit de commande (11) un signal de déblocage (U Q) ou un signal de blocage (UQ) en fonction du résulLat d'une comparaison du signal de mesure (U3) du premier organe 2471698 1 de mesure de courant (3) avec une première valeur li- mite de courant (U18) et du signal de mesure (U7) du second organe de mesure de courant (7) avec une se- conde valeur limite de courant (U20) 2. Dispositif suivant la revendication 1, carac- térisé en ce que l'équipement comparateur (13) est du type à basculement et bascule en cas de dépassement d'une valeur limite de courant supérieure (U18) et d'une valeur limite de courant inférieure (U20). 3. Dispositif suivant la revendication 2, carac- térisé en ce que la fréquence de basculement est supé- rieure à la fréquence du moteur et se situe de préfé- rence au-dessus de l'intervalle des fréquences acous- tiques. 4. Dispositif suivant l'une quelconque des re- vendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'équipement comparateur (13) comprend deux comparateurs (19, 21) dont le premier (19) est destiné à comparer le signal de mesure (U3) du premier organe de mesure de courant (3) à la première valeur limite -e courant (U18) et le second (21) est destiné à comparer le signal de mesure (U7) du second organe de mesure de courant (7) à la seconde valeur limite de courant (U20). 5. Dispositif suivant la revendication 4, carac- térisé e ce que les signaux de sortie (U19, U21) des comparateurs (19, 21) peuvent être amenés respective- ment à une de deux entrées (R, C) d'une bascule bista- ble (24) qui influent de manière opposée sur l'état de bdsculement de la bascule bistable (24). 6. Dispositif suivant l'une quelconque des re- vendications 1 à 5, caractérisé en ce que chaque diode de roue libre (6, 8) shunte l'élément de commu- tation semiconducteur respectif (2, 5) mettant en cir- cuit et hors circuit l'enroulement tatorique corres- pondant, en ce que chaque diode de roue libre est montée en antiparailèle par rapport à l'élément de 2471698.I commutation semiconducteur entre le côté de celui-ci connecté à l'enroulement statorique et le pôle (0) de la source de tension continue de fonctionnement relié à l'autre côté de l'élément de commutation se- miconducteur et en ce que les enroulements statori- ques (1, 4) sont des bobinages b4filaires. 7. Disositif suivant la revendication 6, carac- térisé en ce que les éléments de commutation semi- conducteurs (2, 5) sont, du côté éloigné des enrou- lements statoriques (1, 4), reliés conjointement par l'intermédiaire d'une première résistance de mesure de courant (3) au oôle correspondant (O) de la source de tension continue de fonctionnement et les diodes de roue libre (6, 8) sont, également du côté éloigné des enroulements statoriques, reliées conjointement par l'intermédiaire d'une seconde résistance de me- sure de courant (7) à ce même pôle de la source de tension continue. 8. Dispositif suivant l'une quelconque des re- vendications 4, 6 et 7, caractérisé en ce qu'une en- trée inverseuse (-) de l'un (19) des comparateurs est reliée à la résistance de mesure de courant (3) présentant dans le cas o le courant de fonctionne- ment passe dans le sens normal une chute de tension positive (U3) et une entrée non inverseuse (+) de ce même comDarateur (19) est soumise à une tension de référence (U18) correspondant à la valeur limite de courant supérieure et en ce qu'une enLrée non inver- seuse (+) de l'autre comparateur (2]) est reliée à la résistance de mesure de courant (7) présentant lors du passage d'un courant de roue libre une chute de tension négative (U7) et une entrée inverseuse (-) de ce comparateur (21) est soumise à une tension de référence (U20) correspondant à la limite de courant inférieure. 9, Dispositif suivant la revendication 8, carac- térisé en ce que les tensions de référence sont régldbles.