Brevet FR2475309A1 — publié le 19810807

?)ispositif de commande pour un moteur à courant continu sans balais. La présente invention concerne un dispositif de com- mande pour un moteur à courant continu sans balais qui comporte au moins deux enroulements statoriques, lequel dis- positif comprend des éléments de commutation à semiconduc- teurs,un hacheur ou interrupteur vibrant, une bobine d'arrêt entre les éléments de commutation à semiconducteurs et le hacheur, un capteur pour déterminer la position an- gulaire du rotor, un équipement de commande de commutation destiné aux éléments de commutation à semiconducteurs et susceptible d'être commandé par le capteur, un étage de commande du hacheur pourvu d'un parcours de transmission, pour des signaux de mise en circuit, monté devant l'entrée de commande de l'étage de commande du hacheur, et un organe de mesure de courant au mroyen duquel le hacheur veut être commandé en fonction du courant du moteur par l'intermédiaire de l'éta- ge de commande du hacheur, chaque montage en série comportant un élément de commutation à semiconduc- teurs, la bobine d'arrêt et le hacheur pouvant en série avec un enroulement statorique respectif, être connecté à la source de tension continue de fonctionnement. Dans un dispositif de commande connu de ce genre un capteur d'angle de rotation exposé au champ du rotor déclen- che la commutation des éléments de commutation à semicon- dtuckeurs. Le taux d'impulsions du hacheur est réglé, on fonction du courant et de la vitesse du mo- teur, par l'intermédiaire de l'étage de commande automati- quement de telle façon que ce courant et cette vitesse cor- respondent aux valeurs nominales fixées à l'avance. Les éléments de corrlutation à semiconducteurs sont des transis- 2475309' tors. Ceux-ci ont cependant souvent un pouvoir de coupure trop faible et, par rapport à celui-ci, une puissance dis- sipée importante. Il est bien sûr connu d'utiliser des thyristors au lieu de transistors en tant qu'éléments de commutation, afin d'augmenter le pouvoir de coupure mais il se présente alors des difficultés en ce qui concerne la commutation et l'extinction des thyristors. Lorsque la mise en circuit du hacheur coïncide avec la commutation ou l'extinction, le courant du hacheur ou le courant du moteur, notamment si celui-ci présente de toute façon une intensité élevée, risque d'excéder une valeur li- mite maximale de sorte que le hacheur se trouve mis hors circuit, c'est-àdire bloqué. Il en résulte une diminution de la puissance du moteur car le temps de bloca- ge détermine la valeur moyenne du courant du moteur et le blocage peut durer pendant une période entière de la fré- quence du hacheur t se répéter à l'intéri- eur d'une période de commutation. En cas de réalisation du hacheur en r tant que thyristor on a coutume d'amorcer celui-ci avec une courte impulsion (dont la durée est d'environ une microse- conde) et une impulsion subséquente, constante et plus fai- ble. Si ce signal d'amorçage coïncide avec un signal de sur- intensité qui est déclenché par une commutation simultanée des thyristors formant phases et déclenche l'extinction du thyristor formant hacheur è thyristor pour- rait aussit8t être amorcé à nouveau de sorte qu'il serait néanmoins détruit par la surintensité. Or la présente invention a pour but d'indiquer un dispositif de commande du genre mentionné mais permettant d'obtenir un pouvoir de coupure plus important pour une puissance dissipée réduite et un fonctionnement sûr. La solution apportée à ce problème suivant la présen- te invention consiste en ce que chaque élément de commuta- tion à semiconducteurs comporte un équipement redresseur bidirectionnel connandé et est monté en série avec une diode, en ce que les conducteurs reliant la diode à l'équipement redres- seur bidirectionnel des phases se succédant dans l'ordre de commutation sont reliés entre eux par un circuit d'extinc- tion, comportant une bobine d'extinction et un condensateur d'extinction montés en série, et en ce que l'équipement de commande de commutation amène, à l'instant de commutation, au parcours de transmission un signal destiné à bloquer le hacheur. Cette forme de réalisation du dispositif de commande du moteur à courant continu permet d'éviter que lors de la commutation une partie du courant d'extinction ne passe par le hacheur et ne surcharge celui-ci, ce qui aurait pour effet de le mettre hors circuit et bloquer par suite d'une limitation du courant maximal. le blocage auto- matique du - hacheur empêche une telle mise hors circuit due à une surintensité et assure en même temps une extinction correcte des thyristors lors-de la commuta- tion. La durée du signal de blocage doit être choisie de façon que le courant d'extinction du circuit d'extinction devienne, pendant la durée de ce signal, inférieur à une valeur admissible. Une forme de réalisation particulièrement simple du dispositif de commande est conçue de façon qu'un signal de mise en circuit puisse être rendu inopérant par un signal de blocage durant le temps o ces deux signaux coïncident. Ceci peut être obtenu par le fait que le parcours de transmission présente du côté de son entrée un circuit lo- gique à deux entrées, les signaux de blocage pouvant être amenés à l'une de ces entrées et les signaux de mise en cir- cuit à l'autre entrée, et que le circuit logique laisse passer les signaux de mise en circuit et de blocage, mais en cas de coïncidence seul le signal de blocage. Si l'on utilise en tant que hacheur un transistor commutateur, celui-ci est habituellement muni d'un circuit protecteur résistance-capacité- diode (RCD) ou d'un autre circuit protecteur correspondant. Si le si- gnal de mise en circuit du hacheur rendu inopérant par le signal de blocage pendant le temps o ces deux signaux coïncident, se trouve alors raccourci à tel point que le transistor commutateur, après avoir été mis en circuit, soit aussitôt à nouveau bloqué, ceci peut conduire à des courants d'inversion de charge très importants pas- sant par le transistor commutateur et qui peuventau demeu- rantdétruire celui-ci. C'est pourquoi il convient de pren- dre soin que le parcours de transmission présente du côté de sa sortie un équipement de mise en forme d'impulsions qui, dans le cas d'une impulsion d'entrée excédant une du- rée minimale, produit une impulsion de sortie présentant une durée correspondant à celle de l'impulsion d'entrée et, dans le cas d'une impulsion d'entrée d'une durée inférieure à la durée minimale, produit une impulsion de sortie pré- sentant la durée minimale.. On a ainsi la certitude que le transistor commutateur se trouve néanmoins mis en circuit pendant cette durée minimale qui est fixée de façon à évi- ter des courants d'inversion de charge d'une trop forte in- tensité. L'équipement de mise en forme d'impulsions peut com- porter un circuit logique OU présentant deux entrées dont l'une est reliée par l'intermédiaire d'un. circuit de - temporisation,, dont le temps de transit correspond à la durée minimale, à l'autre entrée et constitue l'entrée de l'équipement de mise en forme d'impulsions. A cet égard l'impulsion d'entrée de l'équipement de mise en forme d'im- pulsions ou l'impulsion de sortie du circuit de. tem- porisation détermine de façon simple, suivant que l'une ou l'autre de ces deux impulsions est la plus longue, la durée de l'impulsion de sortie de l'équipement de mise en forme d'impulsions. De préférence, les signaux de mise en circuit sont des impulsions modulées en durée en fonction d'un signal de commande déterminant la vitesse de rotation du moteur. Un exemple de réalisation préféré de l'invention est décrit ci-après à l'aide du dessin annexé dans lequel-: la figure 1 représente, sous forme de schéma de mon- tage, un dispositif de commande suivant l'invention; et la figure 2 est un graphique représentant des impul- sions pour élucider le mode de fonctionnement du disposi- tif de commande de la figure 1. La figure 1 représente un dispositif de commande pour un moteur à courant continu sans balais comprenant un ro- tor à aimant permanent bipolaire 1 et deux enroulements statoriques 2 et 3. Les enroulements statoriques 2, 3 sont montés en série respectivement avec un élément de commuta- tion à semiconducteurs présenté sous la forme d'un équipe- ment redresseur bidirectionnel commandé 4, 5 formé d'un thyristor 6, 7 (également appelé "thyristor triode à bloca- ge dans le sens inverse") et d'une diode 8, 9 montée anti- parallèlement entre les pôles (+) et (-) d'une source de tension continue de fonctionnement 10. Entre les équipements redresseurs bidirectionnels commandés 4, 5 et les enroulements statoriques 2, 3 se trou- ve respectivement une diode 11, 12 polarisée dans le même sens que les thyristors 6, 7. Les conducteurs reliant les diodes 11, 12 aux thyristors 6, 7 sont reliés entre eux par un circuit d'extinction qui comporte une bobine d'extinc- tion 13 et un condensateur d'extinction 14 montés en série. Le montage en série formé de l'enroulement statorique 2, de la diode 11 et de l'équipement redresseur bidirection- nel 4 ainsi que le montage en série formé de l'enroulement statorique 3, de la diode 12 et de l'équipement redresseur bidirectionnel 5 sont montés ensemble en série avec un mon- tage en série qui est constitué par une bobine d'arrêt 15, un organe de mesure de courant 16 sous la forme d'une ré- sistance ohmique et un hacheur 17 formé d'un transistor commutateur équipé d'un circuit protecteur 17a. Le circuit protecteur 17a évite qu'en cas de blocage du transistor ne s'applique entre le collecteur et l'émetteur une tension directe élevée provoquant une surcharge juscp'au blocage définitif du transistor. A cette fin le circuit protecteur 17a peut être réalisé, comme représenté, en tant que circuit protecteur RCD. Deux autres diodes 18 et 19 relient respectivement le p8le négatif de la source de tension de fonctionnement 10 aux conducteurs reliant respectivement l'enroulement stato- rique 2 à la diode 11 et l'enroulement statorique 3 à la diode 12. Puis le conducteur reliant la bobine d'arrêt 15 à l'organe de mesure de courant 16 est encore relié par l'intermédiaire d'une diode de renvoi 20 au pôle positif de la source de tension continue de fonctionnement 10. Un capteur 21 mesure la position angulaire du rotor 1 et produit un signal rectangulaire F dont l'amplitude varie après chaque demi-tour du rotor 1. Le signal F du capteur est amené à un équipement de commande de commutation 22 qui forme à partir de ce signal des signaux de commutation S60 S7, décalés l'un par rapport à l'autre de 1800, pour les thyristors 6 et 7 de sorte que ceux-ci sont alternativement mis en circuit (amenés à l'état conducteur) après chaque demi-tour du rotor. En outre, l'équipement de commande de commutation 22 est relié par l'intermédiaire d'un parcours de transmission 23, formé d'un ensemble de circuits logiques, et par l'in- termédiaire d'un étage de commande 24 du hacheur 17 à l'entrée de commande de ce dernier. De plus, l'équipement de commande de commutation 22 amène à un modu- lateur de durée d'impulsions 25 une tension continue de com- mande G qui est proportionnelle à la vitesse de rotation du rotor 1 et est transformée Dar le modulateur de durée (ou largeur) d'un pulsions 25 en un signal de commande (en circuit-hors cir- cuit) Mmodulé en durée d'impulsions, qui est amené à une seconde entrée du parcours de transmission 23. A cette fin le modulateur de durée d'impulsions 25 comporte un compara- teur 26, formé d'un amplificateur différentiel à haut pou- voir d'amplification,et un générateur d'impulsions en dents de scie 27. Le comparateur 26 reçoit à son entrée inver- seuse (-) la tension continue de commande G et à son entrée non inverseuse (+) les impulsions en dents de scie du géné- rateur d'impulsions en dents de scie 27.-Chaque fois qu'une impulsion en dent de scie excède la tension continue de com- mande G, le comparateur 25 produit un signal de mise hors circuit ou de blocage M1 et dans le cas contraire un signal de mise en circuit, c'est-àdire de transmission de courant, MO pour le hacheur 17. Le parcours de transmission 23 comporte, du c'té en- trée, un circuit logique OU 28 présentant deux entrées et à la suite duquel est monté un circuit NON 29, lesquels cir- cuits forment ensemble -un circuit logique NON-ET. Du côté sortie le parcours de transmission 23 comporte également un circuit logique OU 30 présentant deux entrées et à la suite duquel est monté un circuit NON 31, lesquels circuits for- ment ensemble un circuit logique NON-ET. La sortie du cir- cuit NON 29 est reliée directement à l'une des entrées et par l'intermédiaire d'un circuit temporisateur 32 à l'autre entrée du circuit logique OU 30. Les circuits 30, 31 et 32 constituent un équipement de mise en forme d'impulsions qui assure une durée minimale de l'impulsion de sortie CO. L' Ptage de commande 24 du hacheur re- çoit, outre le signal de sortie C du parcours de transmis- sion 23, le signal de mesure de l'organe de mesure de cou- rant 16 et provoque le blocage du hacheur 17 lorsque le signal C est un signal "un" C1 et/ou que le si- gnal de mesure de courant excède une valeur limite supéri- eure. Il est supposé qu'en cours de fonctionnement (voir également la figure 2) le signal de commutation S6 est po- sitif. Le thyristor 6 est alors pendant ce laps de temps conducteur et le thyristor 7 est bloqué. Durant chaque si- gnal "zéro" CO le hacneur 17 est mis en circuit de sorte qu'un courant de fonctionnement du moteur passe par les éléments constitutifs 2, 11, 6, 15, 16 et 17 et un autre courant passe par les éléments constitutifs 3, 12, 14, 13, 6, 15, 16 et 17. Cet autre courant charge le condensa- teur d'extinction 14. Dès que le signal de commutation S6 devient 0, le signal de commutation S7 devient positif de sorte que le thyristor 7 se trouve également mis en circuit et le condensateur d'extinction 14 fait l'objet d'une in- version de charge par l'intermédiaire du thyristor 7, de la diode 8 et de la bobine d'extinction 13. La chute de ten- sion se produisant à travers la diode 8 par suite du cou- rant d'inversion de charge IL éteint le thyristor 6 de sor- te que maintenant, en présence d'un signal "zéro" CO, un 2475309'- courant de fonctionnement passe par l'intermédiaire de l'enroulement statorique 3. La diode 12 empêche, lors de l'extinction du thyristor 6, le condensateur d'extinction 14 de se décharger dans la source de tension continue de fonctionnement 10. Il en va de même pour la diode 11 au cours du demi-tour suivant du rotor. La diode 19 permet à l'énergie accumulée dans l'enroulement statorique 2 après le blocage du thyristor 6 d'gtre renvoyée dant la source de tension continue de fonctionnement 10 par l'intermédi- aire de l'enroulement statorique 3 grâce au couplage magné- tique des deux enroulements statoriques 2 et 3. Il en va de même pour la diode 18, le thyristor 7 et l'enroulement sta- torique 3. Si lors de la commutation de l'état conducteur des thyristors 6 et 7 le hacheur 17 est ou dev.ent conducteur, le condensateur d'extinction 1-4 pourrait inver- ser sa charge non plus par l'intermédiaire du thyristor en voie de devenir conducteur, mais au moins en partie égale- ment par l'intermédiaire du hacheur 17 et de la diode correspondante 18, Il ou 19, 12. En outre, les deux thyristors peuvent pendant un court laps de temps être conducteurs simultanément puisque le retard d'extinction du thyristor à éteindre est légèrement plus long que le retard d'amorçage du thyristor à amorcer. Dans ces deux cas une surintensité peut se produire dans le hacheur 17, notamment si le courant passant nar le hauheur 17 nrésente déjà une forte intensité, de sorte que le hacheur 17 se trouve aussitôt à nouveau blo- qué 'par l'intermédiaire de l'organe de mesure de courant 16 et, de l'étage de commande 24 de façon à interrompre le cou- rant de fonctionnement. Par suite de cette-interruption la valeur moyenne du courant de fonctionnement tombe au-dessous de la valeur nominale, ce qui peut conduire à un abaisse- ment notable de la puissance du moteur si l'interruption se répète à l'intérieur d'une période de commutation et/ou s'étend sur une période entière de la fréquence de vibra- tions du hacheur qui est cependant sensiblement supé- rieure à la fréquence la plus élevée des signaux de commuta- tion S6 et S7, c'est-à-dire à la vitesse de rotation par unité de temps. En outre, le circuit d'extinction ris- que de ne plus être en état de fonctionner du fait que le condensateur d'extinction 14 se recharge insuffisamment lorsque le hacheur 17 est bloqué. Pour remédier à ces inconvénientsl'équipement de com- mande de commutation 22 produit un signal S qui à chaque commutation des thyristors 6 et 7 forme un signal de bloca- ge S1 (un signal "un" sous la forme d'une impulsion positi- ve). La durée de ce signal de blocage Si est choisie juste suffisante pour qu'au cours de cette durée le courant d'in- version de charge ou d'extinction IL du circuit d'extinction puisse décroître. Le signal S est alors amené à l'une des entrées et le signal M modulé en durée d'impulsions à l'autre entrée du circuit logique OU 28. Le signal A à la sortie du circuit NON 29 n'est donc un signal "un" A1 que si les deux signaux S et M sont des signaux "zéro" S0 et Mo. Le signal "un" A1 est amené à l'étage de commande du hacheur 24 par l'intermédiaire du circuit logique OU 30 et du circuit NON 31 en tant que signal "zéro" CO, le circuit temporisa- teur 32 étant à cet égard d'abord supposé inexistant, et agit par l'intermédiaire de cet étage de commande 24 de fa- çon que le hacheur 17 soit mis en circuit (ren- du conducteur). Si le signal de mise en circuit Mo pour le hacheur 17 se présente (fortuitement) durant la commutation des thyristors 6 et 7, comme représenté au milieu du tracé du signal M sur la figure 2, de façon à mettre le hacheur 17 en circuit (sans le signal "un" S1) durant la commutation, alors le signal de blocage S, produit en même temps réalise un blocage (ou suppression) du signal de mise en circuit Mo (c'est-à-dire du signal "un" A1) à travers le circuit logique NON-ET 28, 29 pen- dant le temps o le signal de blocage Si et le signal de mise en circuit 1;O se chevauchent. Il n'agit donc plus qu'un signal "un" A1 raccourci de la durée du chevauche- ment (voir l'allure du signal A au milieu de la figure 2). Par conséquent, le hacheur 17 ne se trouve pas mis en circuit pendant la durée du signal de blocage S1 (en l'absence du circuit temporisateur 32). Il s'ensuit que pen- dant la durée du signal de blocage S1 le courant d'extinc- tion IL ne peut pas passer Dar le hacheur 17. Toutefois, le signal A, peut à présent (sans le cir- cuit temporisateur 32) devenir très court, comme représenté au milieu du tracé du signal A sur la figure 2. si le hacheur 17 est réalisé, comme c'est le cas en l'occurrence, en tant que transistor, celui-ci se trouve, après avoir été mis en circuit, aussit8t à nouveau bloqué. Ceci peut, par suite de l'utilisation d'un circuit protec- teur 17a pour le transistor 17, conduire à des courants d'inversion de charge d'une forte intensité qui causent des dégâts au transistor 17.. Pour éviter cela sont prévus le circuit temporisateur 32 et le circuit logique OU 30. L'entrée en action du cir- cuit temporisateur 32, lequel est en l'occurrence un multi- vibrateur monostable qui ne retarde que le flanc arrière de son impulsion d'entrée, est déclenchée par le flanc avant (transition 0-1) du signal A1 de sorte que son signal de sortie B est alternativement B. et B1. Le signal "un" B1 présente une durée qui correspond à la durée de mise en cir- cuit minimale du transistor commutateur 17 nécessaire pour éviter des surintensités d'origine capacitive dans le tran- sistor 17. Le fait que les signaux A et B soient combinés dans le circuit logique OU 30 a pour effet que la durée du signal CO qui détermine en définitive la durée de conduc- tien, c'est-à-dire de mise en circuit, du transistor 17 cor- respond toujours à la durée la plus longue des deux signaux A1 et B1. Par conséquent, si le signal A1 raccourci par le signal de blocage S3 présente une durée d'impulsion infé- rieure à la durée de mise en circuit minimale, comme repré- senté sur la figure 2, alors le signal B1 permet au signal CO d'être prolongé de façon à présenter une durée d'impul- sion minimale correspondant à cette durée de mise en cir- cuit minimale. Outre les avantages mentionnés, le dispositif de com- mande suivant l'invention offre encore l'avantage d'éviter aussi bien des bruits acoustiques du moteur que des parasi- tes électriques qui peuvent être provoqués par des surin- tensités. REVENDICATIONS 1 - Dispositif de commande pour un moteur à courant continu sans balais qui comporte au moins deux enroulements statoriques, lequel dispositif comprend des éléments de com- mutation à semiconducteurs, un.hacheur, une - bobine d'arrêt entre les éléments de commutation à semi- conducteurs et le hacheur un capteur pour dé- terminer la position angulaire du rotor, un équipement de commande de commutation destiné aux éléments de commutation à semiconducteurs et susceptible d'être commandé par le cap- teur, un étage de commande du hacheur pourvu d'un parcours de transmission, pour des signaux de mise en circuit, monté devant l'entrée de commande de l'étage de commande du hacheur et un organe de mesure de couraht au moyen duquel le hacheur peut être commandé en fonction du courant du moteur par l'intermé- diaire de l'étage de commande du hacheur chaque montage en série comportant un élément de commuta- tion à semiconducteurs, la bobine d'arrêt et le hacheurpouvant, en série avec un enroulement statorique respectif, être relié à la source de tension continue de fonctionnement, caractérisé en ce que chaque élément de commutation à semiconducteurs comporte un équipement re- dresseur bidirectionne/(4;e 5) et est monté en série avec -une diode (11; 12), en ce que les conducteurs reliant la diode (11; 12) à l'équipement redresseur bidirectionnel (4; 5) des phases se succédant dans l'ordre de commutation sont reliés entre eux par un circuit d'extinction qui com- porte une bobine d'extinction (13) et un condensateur d'ex- tinction (14) montés en série, et en ce que l'équipement de commande de commutation (22) amène, à l'instant de commuta- tion, au parcours de transmission (23) un signal (S1) des- tiné à bloquer le hacheur (17). 2 - Dispositif de commande suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la durée du signal de blocage (S1) est choisie de façon que le courant d'extinction (I1) de-. vienne, pendant la durée de ce signal, inférieur à une va- leur admissible. 3 - Dispositif de commande suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'un signal de mise en circuit (Mo) puisse être rendu inopérant par un signal de blocage (S1) durant le temps o ces deux signaux (Mil; S) coinci- dent. 4 - Dispositif de commande suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le parcours de transmission comporte, du côté entrée, un circuit logi- que (28) présentant deux entrées, en ce qu'à l'une de cès entrées peuvent être amenés les signaux de blocage (S1) et à l'autre les signaux de mise en circuit (M) et en ce que le circuit logique (28) laisse passer les signaux de mise en circuit et de blocage (Mio; S1) mais en cas de coinciden- ce seul le signal de blocage.(S1). 5 - Dispositif de commande suivant la revendication 3 ou 4, dans lequel le hacheur présente un tran- sistor commutateur, caractérisé en ce que le parcours de transmission (23) présente, du côté de sa sortie, un équi- pement de mise en forme d'impulsions (30, 31, 32) qui, dans le cas d'une impulsion d'entrée (A1) excédant une durée mi- nimale, produit une impulsion de sortie (C) présentant une durée correspondant à celle de l'impulsion d'entrée (A1) et, dans le cas d'une impulsion d'entrée (À1) d'une durée inférieure à la durée minimale, produit une impulsion de sortie (C.) présentant la durée minimale. 6 - Dispositif de commande suivant la revendication 5, caractérisé en ce que l'équipement de mise en forme d'im- pulsions comporte un circuit logique OU (30) présentant deux entrées, l'une desquelles est reliée par l'intermédi- aire d'un circuit temporisateur (32), dont le temps de transit correspond à la durée minimale, à l'autre entrée et constitue l'entrée de l'équipement de mise en forme d'impulsions. 7 - Dispositif de commande suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les signaux de mise en circuit (IMO) sont des impulsions modulées en du- rée en fonction d'un signal de commande (G) dépendant de (notamment Proportionnel à) la vitesse de rotation du moteur.