Brevet FR2461399A1 — publié le 19810130

La présente invention a pour objet un dispositif d'alimentation d'un moteur pas à pas monophasé pour pièce d'horlogerie arrangé pour commander la marche du moteur par un premier type d'impulsions bipolaires de faible largeur ou par un second type d'impulsions bipolaires de plus grande lar- geur, un train dudit second type d'impulsions étant envoyé au moteur si ce dernier reçoit une impulsion de polarité telle qu'elle l'empêcherait de progresser d'un pas en réponse audit premier type d'impulsions. Un dispositif de commande de ce type est connu. L'exposé allemand DEOS 27 45 052 décrit un système de commande qui applique au moteur un si- gnal de faible énergie si la charge du moteur est faible et un signal Je grande énergie si la charge du moteur est forte et ceci dans le but de di- minuer d'environ 60 % la consommation d'énergie de la montre. L'invention citée base le passage du premier signal au second signal sur l'observation de l'allure du courant moteur dont les maxima se déplacent vers la droite quand la charge du moteur augmente. En détectant la position des maxima, il est ainsi possible d'envoyer au moteur une impulsion de commande de grande largeur (par exemple 7,8 ms) lorsque le couple mécanique augmente, ce qui est le cas par exemple au moment du changement de la date du calen- drier. Ce système présente l'inconvénient de ne pas être en mesure de con- naître quelle est la position qu'occupe le rotor après que lui ait été en- voyée une impulsion motrice de faible largeur et il peut se présenter des cas o un train d'impuisions de grande largeur est envoyé au moteur sans nécessité aucune. D'autres dispositifs de commande ont été proposés qui détectent si le moteur a franchi son pas en réponse à l'impulsion de commande. C'est le cas par exemple des demandes de brevets FR 2 384 289 et FR 2 388 323 o la configuration du moteur est telle qu'il présente une zone saturable. Dans les demandes citées, une impulsion dite de détection de l'ordre de la mil- liseconde permet de détecter si le rotor a tourné ou non. Si le pas a été fait, une impulsion de correction (7,8 ms) est immédiatement envoyée au moteur en remplacement de l'impulsion normale (3,8 ms). Comme déjà mention- né, ce système demande un moteur à zone saturable et présente donc l'in- convénient de n'être pas applicable à tous les moteurs pas à pas connus de l'industrie horlogère. D'autre part, il faut remarquer que la tension de détection passe du simple au double lorsque le moteur fait son pas alors que la présente invention propose un écart beaucoup plus important, ce qui lui confère une meilleure sûreté de fonctionnement, comme cela sera expli- qué plus loin. 2 246139 9 C'est le but de la présente invention d'éliminer Tes inconvénients cidessus et de baser la détection de l'avance du rotor, non en détectant si le rotor a franchi son pas ou si son état de charge a varié, mais de baser cette détection sur la polarité de l'impulsion motrice par rapport à la position du rotor. C'est-un autre but de l'invention de réaliser un dispositif de détec- tion basé sur la lecture de la tension induite livrée par le moteur, à circuit ouvert, immédiatement après le signal de commande. C'est encore un autre but de l'invention de proposer un système de commande qui économise l'énergie de la source d'alimentation tout en étant très sûr dans son fonctionnement. Ces buts sont atteints grâce aux moyens revendiqués. L'invention sera mieux comprise à la lumière de la description qui suit et des dessins qui représentent le fonctionnement du moteur et de son dispositif de commande. La figure 1 est l'organigramme d'une alimentation avec contrôle de position. La figure 2 représente les divers signaux appliqués au moteur. Les figures 3a et 3b.montrent l'allure des couple mutuel et couple de positionnement du moteur selon que sa bobine reçoit une impulsion correcte d'lavance ou une impulsion accidentelle inverse respectivement. La figure 4 montre la position angulaire Co, la vitesse angulaire n., le courant dans la bobine i et la tension aux bornes de la bobine du moteur si celui-ci reçoit une impulsion correcte d'avance; La figure 5 montre les mêmes variables qu'en figure 4 si le moteur reçoit une impulsion accidentelle inverse. La figure 6 montre comment est connecté le moteur par rapport à la tension d'alimentation. La figure 7 montre un schéma de principe possible pour mettre en oeuvre l'invention. L'invention qui va être décrite vise à la fois la sécurité de fonc- tionnement du moteur et la réduction de consommation de la pièce d'horlo- gerie. On constate en effet qu'un micromoteur de montre travaille en gé- néral pratiquement à vide. Toutefois, pour assurer un bon fonctionnement dans des cas particuliers comme variations de température, champ magnéti- que extérieur, augmentation de charge, etc., on est obligé de le surali- menter, ce qui conduit à une consommation inutile de l'énergie de la pile. L'invention propose un nouveau dispositif du contrôle de position du ro- tor du moteur qui permet d'adapter, avec de grandes marges de sécurité, l'alimentation en fonction de la charge, d'o il résulte un gain apprécia- ble sur la consommation d'énergie. La figure 1 représente le principe général d'alimentation du moteur tel qu'il a déjà été mentionné dans certains brevets cités plus haut et un organigramme d'alimentation avec contrôle de position du rotor. Le moteur est alimenté normalement par des impulsions de courte durée (par exemple 4 ms) émises par un générateur 1. Un détecteur de position 2, objet de la présente invention et qui sera décrit en détail plus loin, permet de con- trôler si le rotor du moteur est en condition de recevoir une impulsion de polarité correcte pour poursuivre son avance. Si oui, l'organe de décision 3 fait savoir via la ligne 4 au générateur 1 qu'il doit continuer à alimen- ter le moteur. Si non, le même organe de décision commande par la ligne 5 le générateur 6 qui émet des impulsions de longue durée (par exemple 6 ms) qui alimentent alors le moteur et se substituent aux impulsions de courte durée. Cette substitution a lieu pendant un temps de n secondes fixé par le compteur 7. Après ce laps de temps, le moteur est de nouveau alimenté par des impulsions de courte durée. On voit que le moteur est alimenté al- ternativement et suivant les besoins soit par la boucle 8 donnant des im- pulsions de courte durée, le détecteur étant en fonctionnement, soit par la boucle 9 donnant des impulsions de longue durée pendant un temps déter- miné par le compteur, le détecteur étant hors circuit. Les différentes a- nomalies qui peuvent se présenter lors du fonctionnement dues aux causes dont il a été question plus haut durent un certain temps. On comprendra donc qu'envoyer systématiquement une impulsion longue après chaque impul- sion courte trouvant le rotor en mauvaise position pour poursuivre sa cour- se serait dispendieux en énergie consommée et contraire au but que l'in- vention se propose d'atteindre. La durée pendant laquelle sont envoyées au moteur les impulsions longues est de l'ordre 5 minutes, mais d'autres va- leurs pourraient être choisies. La figure 2a représente le train d'impulsions bipolaires de faible largeur qui est normalement envoyé au moteur. Les impulsions 10 ont une durée de l'ordre de 4 ms et sont émises toutes les secondes par le généra- teur 1. La figure 2b représente le train d'impulsions longues Il d'une du- rée de l'ordre de 6 ms émis par le générateur 6, impulsions se succé-ant à un rythme de une seconde. Pour des raisons qui seront expliquées plus loin, le train d'impulsions longues est précédé par deux impulsions longues 12 et 13 de polarité alternée et dont les flancs initiaux sont espacés de 40 ms dans le temps; de plus, le circuit est arrangé pour que le début de l'im- pulsion 13 parvienne aussi 40 ms après le début de l'impulsion 10. Lorsque 2 2461399 le détecteur de position décèle l'arrivée d'une impulsion accidentelle in- verse, le signal d'alimentation se présente alors comme en figure 2c'ou le train d'impulsions longues est envoyé au moteur pendant 5 minutes, après quoi le moteur est commuté à nouveau-sur les impulsions courtes 10. La figure 3a montre la valeur des couples C qui agissent sur le rotor en fonction de son angle de rotation c. Comme il est connu, le rotor du moteur pas à pas est soumis à deux sortes de couples: un couple statique de maintien ou couple de positionnement Ca dû à l'aimant seul et un couple dynamique moteur ou couple mutuel aimant - bobine Cab dû à l'interaction du flux de l'aimant avec le flux de la bobine lorsque celle-ci est alimen- tee. Initialement le rotwr est en position SI. Si une impulsion d'avance de polarité correcte est envoyée au moteur, son rotor sera amené de la po- sition d'équilibre stable SI à la position D à l'aide du couple mutuel Cab créé par ladite impulsion, le reste du parcours (de D à la deuxième posi- tion d'équilibre stable 52) s'effectuant grâce à l'énergie cinétique et l'énergie potentielle emmagasinées. Au moment de la coupure de l'impulsion (qui a duré 4 ms dans la version présentée ici), le rotor se trouve au point D et possède une certaine vitesse angulaire -Si D (dans un premier modèle de moteur à 2 pas par tour, on a mesuré pour SL D une vitesse qlenviron 400 rad/s et pour un second modèle de moteur à 8 pas par tour, on a mesuré une vitesse d'environ 100 radis) et le facteur de couplage dé- fini par Cab/i est à peu près au maximum. Il s'ensuit que si l'on mesure presque immédiatement après la coupure de l'impulsion la tension induite produite par la bobine du moteur, ladite bobine étant à circuit ouvert, on recueille à ses bornes le produit Ui =- * Cab ui Dans la pratique et suivant le type de moteur, cette tension est de l'ordre de 0,4 à 1,2 volt. La figure 4 permet de se rendre mieux compte de l'évolution des diver- ses variables en fonction du yemps lorsque le moteur répond à une impul- sion dirigée dans le bon sens. L'abcisse des-temps est divisée en quatre zones TI à T4. Pendant le temps T1, le moteur est alimenté par l'impulsion de commande qui permet de lancer son rotor. Pendant le temps 13, le cir- cuit électrique du moteur est ouvert, ce qui permet, d'une part, de mesu- rer la tension induite de rotation, comme on le verra plus loin, et, d'au- tre part, d'autoriser son rotor à achever son trajet sans qu'un couple de -freinage n'apparaisse dû au courant induit qui apparaîtrait si la bobine était en court-circuit. Pendant le temps T4 qui court à partir de la fin 4 - 246 13 99 du temps T3 et jusqu'à l'arrivée d'une nouvelle impulsion motrice, la bobi- ne du moteur est court-circuitée, ceci dans le but d'amortir le mouvement du moteur en fin de pas. Dans une variante de l'invention dont il sera question plus loin, on prévoit un temps T2 situé entre les temps TI et T3 o le moteur est également court-circuité. La courbe o T3 (à T3 = 0,2 ms par exemple), on recueille une tension de grande ampli- tude de l'ordre de 1 volt. Enfin, la courbe i donne l'évolution du courant dans la bobine, lequel est nul pendant le temps T3 puisque la bobine se trouve dans un circuit ouvert. On supposera maintenant que pour une raison quelconque (augmentation subite de charge par exemple), le moteur n'a pas fait son pas en réponse à une impulsion correcte d'avance. C'est ce qu'on peut appeler une impulsion accidentelle inverse qui se présente alors aux bornes de la bobine. La figure 3b illustre cette nouvelle situation o le couple mutuel Cab est à prendre dans le sens inverse en réponse à une impulsion inversée. Avec cette fausse impulsion, le rotor est lancé en arrière et tend à se stabiliser au voisinage du point D'. L'énergie déveloopée par le couple Cab étant insuffisante à vaincre l'énergie de positionnement créée par le couple Ca, le rotor reviendra à son point de départ Sî. Au moment de la coupure de l'alimentation, la vitesse angulaire A et le facteur de cou- plage Cab/i sont sensiblement nuls et partant la tension induite Ui obte- nue est pratiquement égale à zéro. La figure 5 montre l'évolution des diverses variables en fonction du temps lorsque le moteur répond à-une impulsion accidentelle inverse ou en- core mauvaise impulsion et ceci dans les mêmes conditions de charge que celles de la figure 4. On observera plus particulièrement ici la valeur de la tension induite au début du temps T3. Si on mesure cette tension pres- que immédiatement au début du temps T3 (à T3 = 0,2 ms par exemple), on re- cueille une tension négative de petite ampliture de l'ordre de 0,1 volt. La comparaison des situations présentées par les figures 4 et 5 mon- tre immédiatement que grâce à la mesure de la tension induite Ui recueil- 6 2461399 lie aux bornes de la bobine du moteur on peut détecter si le moteur reçoit une impulsion normale correcte ou au contraire une impulsion inverse in- correcte, la première délivrant une tension de grande amplitude, la secon- de une tension voisine de zéro, voire négative. S'agissant d'un moteur à alimentation bipolaire et dans le cas o le moteur reçoit une impulsion correcte d'avance, on suppose qu'il a fait son pas avec l'impulsion précé- dente et donc qu'il peut continuer à être alimenté par des impulsions de courte durée telles qu'elles sont représentées en figure 2a. Dans le cas contraire o le moteur reçoit une impulsion incorrecte, on peut en dédui- re que son rotor n'a pas fait le pas avec l'impulsion précédente pas plus d'ailleurs qu'il ne le ferait si une nouvelle impulsion se présentait, cette dernière se présentant également comme incorrecte. Il y a donc lieu de rattraper ces deux pas perdus, ce qui explique la présence en figure 2b de deux impulsions rapprochées de plus longue durée 13 et 12. Dans une variante de l'invention, les flancs initiaux de ces deux impulsions alter- nées de grande largeur sont espacés de 40 ms, le flanc initial de l'impul- sin 13 commençant lui aussi 40 ms après le début de la dernière impulsion de courte durée 10. D'autres temps peuvent être choisis pour situer ces deux impulsions alternées 13 et 12 pourvu qu'elles prennent place entre la dernière impulsion courte 10 et la première impulsion longue 11 qui sont elles-mêmes distantes de une seconde. Comme déjà mentionné plus haut, dans une variante d'exécution de l'in- vention, un temps T2, o la bobine est court-circuitée, est intercallé en- tre les temps T1 et T3. Ce laps de temps peut être intéressant pour deux raisons: récupérer d'abord l'énergie de self induction L * i2/2 contenue dans le circuit, limiter ensuite la surtension prenant naissance aux bor- nes de la bobine. La figure 6 montre comment est connectée la bobine 15 du moteur par rapport à la tension U d'alimentation. Dans ce schéma, le moteur reçoit des impulsions alternées lorsque les interrupteurs 31 - 32, respectivement 33 - 34 sont fermés. Les deux tableaux ci-après indiquent la position des interrupteurs 31 à 34 selon les temps Tl à T4 définis plus haut et selon l'invention. La séquence de commande des interrupteurs s'établit donc sui- vant qu'il s'agit a) d'une impulsion positive b) 246139 9 31 32 33 34 T1 ( = 4 ms) fermé fermé ouvert ouvert T2 ( = 0,2 ms) fermé ouvert fermé ouvert T3 ( = 15 ms) ouvert ouvert ouvert ouvert T4 ( = 980,8 ms) fermé ouvert fermé ouvert d'une impulsion négative Temps Interrupteurs 31 32 33 34 T1 = 4 ms) ouvert ouvert fermé fermé T2 ( = 0,2 ms) fermé ouvert fermé ouvert T3 ( = 15 ms) ouvert ouvert ouvert ouvert T4 ( = 980,8 ms) fermé ouvert fermé ouvert Il est bien clair que dans les techniques actuelles se sont des tran- sistors qui jouent le rôle des interrupteurs. De plus, les valeurs des temps Tl à T4 sont indicatives et conviennent pour une certaine construc- tion de moteur. D'autres valeurs pourraient être choisies sans s'écarter pour autant de l'objet de l'invention. La figure 7 montre un schéma de principe possible pour mettre en oeu- vre l'invention. Les signaux en provenance du circuit diviseur 20 sont appliqués à un circuit de mise en forme 21. Ce circuit comprend le générateur d'impulsions courtes 1, le générateur d'impulsions longues 6 et le compteur 7, tel que cela a été expliqué dans la figure 1. Les électrodes de commande des tran- sistors 31 à 34 sont commandées par les signaux de la figure 2a selon les séquences des deux tableaux ci-dessus ou par les signaux de la figure 2c suivant que l'impulsion de commande est réputée correcte ou non respective- ment. La tension recueillie aux bornes de la bobine 15 est connectée à l'entrée d'un circuit 22. Un signal d'horloge 23 provenant du diviseur de fréquence est également connecté à l'entrée du circuit 22. Ce signal, d'une Temps Interrupteurs 246139-9 durée de l'ordre de quelques microsecondes, ouvre le circuit 22 après cha- que impulsion courte, c'est-à-dire, dans une version préférée de l'inven- tion, environ 0,2 ms après le début du temps T3. Pendant ce court instant, il apparait donc à la sortie du circuit 22 la tension induite Ui comme ce- la a été expliqué plus haut et conformément aux figures 4 et 5. La tension Ui est comparée à une tension de référence Ur dans un comparateur 24. Si Ui est plus grand que Ur, c'est une impulsion correcte d'avance qui a été envoyée au moteur et il n'apparaît aucun signal à la sortie du comparateur: le circuit de commande continue à émettre des impulsions de courte durée. Si au contraire Ui est plus petit que Ur, c'est une impulsion accidentelle inverse qui a été envoyée au moteur et il apparaît un signal Us à la sor- tie du comparateur qui, par la ligne 25, oblige le circuit de commande à émettre un train d'impulsions longues comme cela est montré en figure 2c. Pendant le temps o sont émises ces impulsions longues, on bloque le com- parateur 24 par la ligne 26. Des mesures sur modèle ont montré que, en tenant compte -es diverses circonstances qui peuvent se présenter, le rapport entre la tension Ui X produite par une impulsion correcte et la tension Ui produite par une im"i pulsion incorrecte est très grand. Il résulte de ceci que le système pro- posé est très sûr même si la tension de référence Ur est choisie dans des limites assez larges simplifiant ainsi la réalisation du comparateur 24. Enfin, comme déjà mentionné auparavant, le système a pour but inoor- tant de diminuer la consommation d'énergie de la pièce d'horlogerie et d'y parvenir au moyen Je la mesure de la tension induite recueillie aux bornes du moteur, ce dernier étant en circuit ouvert. Le système peut con- venir à n'importe quel système de-moteur pas à pas. Si ce moteur est di- mensionné pour l'asservissement que propose la présente invention, une é- conomie d'énergie de l'ordre de 60 % a été mesurée. f 246139 9 REVENDICATIONS9 1. Dispositif d'alimentation d'un moteur pas à pas monophasé pour pièce d'horlogerie arrangé pour commander la marche du moteur par un premier type d'impulsions bipolaires de faible largeur ou par un second type d'impulsions bipolaires de plus grande largeur, un train dudit second type d'impulsions étant envoyé au moteur si ce dernier reçoit une impulsion de polarité telle qu'elle l'empêcherait de progresser d'un pas en réponse audit premier type d'impulsions, caractérisé par le fait qu'après chaque impulsion bipolaire de faible largeur de premier temps T1, le moteur est mis en circuit ouvert pen- dant un second temps T3 au début duquel la tension induite Ui dudit moteur èst mesurée, la valeur de ladite tension induite Ui indiquant si un train dudit second type d'impulsions doit être envoyé au moteur. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le mo- teur est mis en court-circuit pendant un temps T2 situé entre ledit premier temps T1 et ledit second.temps T3 et pendant un temps T4 situé entre ledit second temps T3 et l'arrivée de la prochaine impulsion motrice. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le train dudit second type d'impulsions comprend des impulsions bipolaires se succédant à un rythme de une seconde, ledit train débutant une seconde après la dernière impulsion de faible largeur, deux impulsions alternées de plus grande largeur étant intercallées entre ladite dernière impulsion et la pre- mière impulsion dudit train, la première des deux dites impulsions alternées étant de polarité inverse à la polarité de ladite dernière impulsion. 4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ladite tension induite Ui est comparée à une tension de référence Ur dans un cir- cuit comparateur, la tension de sortie Us dudit comparateur déclenchant l'alimentation du moteur par ledit second type d'impulsions si sa valeur est différente de zéro. 5. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par le fait que la va- leur des temps T1 à T3 est comprise dans les fourchettes suivantes: T de 2 à 6 ms, T2 de 0,1 à 0,5 ms et T3 de 5 à 18 ms et que la tension induite Ui est mesurée 0,1 à 0,3 ms après le début dudit second temps T3. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait qu'il comporte des moyens pour commander la marche du moteur par ledit premier type d'impulsions ou ledit second type d'impulsions, compre- nant un diviseur de fréquence, un circuit de remise en forme, un circuit de commutation incluant la bobine du moteur, un détecteur détectant la tension induite Ui en réponse à un signal fourni par le diviseur de fréquence et un comparateur comparant ladite tension induite Ui à une tension de référence Ur.