Brevet FR2484732A1 — publié le 19811218

Ltinvention concerne un système de commande de vitesse pour moteur synchrone caractérisé par le fait qu'il utilise un détecteur tel quel "Inductsyn" vendu par Inductsyn Corp., e.U.A., ou un résolveur qui engendre un signal modulé en pha- se servant de signal de réaction qui représente la rotation ou la vitesse et l'angle de rotation du moteur. Dans un mo- teur synchrone muni d'un aimant permanent monté sur un rotor pour engendrer un champ tournant comme dans un moteur à cou- rant continu sans balais, et d'un bobinage de stator, le cou- ple engendré par le moteur varie plus ou moins selon la po- sition de rotation de l'aimant permanent de sorte que lors- qu'on utilise un tel moteur synchrone comme servomoteur, l'in- convénient est que le couple engendré varie, spécialement au moment du démarrage. Un but de l'invention est de fournir un système perfec- tionné de commande de vitesse pour moteur synchrone capable de faire tourner le moteur avec un couple constant en utili- sant un signal venant d'un détecteur tel qu'un résolveur ou un UInductsyntl qui engendre un signal modulé en phase servant de signal de réaction de la position du moteur. Un autre but de l'invention est de fournir un système de commande de vitesse pour moteur synchrone dans lequel le signal de réaction de vitesse soit tiré directement du signal modulé en phase, ce qui veut dire que les signaux de réaction de position et de vitesse sont tous deux tirés d'un seul dé- tecteur. Selon l'invention, on propose un système de commande de vitesse pour moteur synchrone muni de deux bobinagess'de stator décalés électriquement et mécaniquement de 90 et* d'un rotor, système caractérisé par le fait qu'il comprend des moyens entratnés par le rotor de manière à engendrer un si- gnal modulé en phase contenant une composante représentant un angle de rotation du rotor, des moyens de conversion de signal de vitesse qui forment un signal correspondant à une différence d'angle de rotation, des moyens servant à engen- drer un signal d'instruction de vitesse correspondant à une vitesse de rotation du rotor, des moyens servant à engendrer un signal d'erreur correspondant à une différence entre le signal formé par les moyens de conversion de signal de vites- se et le signal d'instruction de vitesse, un multiplicateur servant à multiplier le signal modulé en phase par le signal $ d'erreur, des moyens permettant d'engendrer deux signaux de référence ayant un déphasage de 90 , et un redresseur synchro- ne servant à redresser une sortie du multiplicateur conforM- ment aux signaux de référence pour engendrer des courants fournis aux bobinages de stator du moteur. Des modes de réalisation de l'invention4seront décrits ci-après, à titre d'exemples non limitatifs, avec référence aux dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est un schéma blocs montrant la connexion électrique du système de commande de vitesse selon tl'inven- tion; - la figure 2 est un diaqramme de minutage servant à expliquer le fonctionnement d'un système antérieur de forma- tion d'un signal de vitesse en partant d'un signal modulé en phase; - la figure 3 est un schéma blocs montrant un mode d'e- xécution modifié de l'invention, utilisant un moteur & aimant et un résolveur; - la figure 4 est un schéma blocs d'un autre mode d'e- xécution de l'invention; - la figure 5 est un schéma blocs d'une variante du système de commande de vitesse dans laquelle un détecteur de signal de vitesse est remplacéepar un circuit dériveur; - la figure 6 est un schéma blocs montrant le détail du redresseur synchrone et de l'amplificateur de puissance de la figure 1; - la figure 7 est un schéma de connexion montrant la connexion du détecteur de courant de la figure 6 et des bo- binages de sinus et de cosinus du moteur synchrone; - la figure 8 est un schéma de connexion montrant le déphaseur de la figure 4 et - la figure 9 est un schéma de connexion montrant le détail d'un redresseur synchrone. Dans un mode d'exécution préférentiel de l'invention, représenté par la figure 1, il existe une unité de commande numérique 11 comprenant un générateur de signal d'instruction de vitesse 11-1 servant à engendrer une tension d'instruction Vref correspondant à la vitesse de rotation d'un moteur syn- chrone 20 et une unité calculatrice 11-2 qui calcule une quan- tité de réaction de position. Dans cet exemple, l'unité cal- culatrice 11-2 reçoit un signal modulé en phase E sin (vJt à9) dans lequel E représente la tension et 0 un angle ou posi- tion de rotation du rotor du moteur. Un additionneur (ou soustracteur) 12 est prévu-pour en- gendrer un signal de différence ou d'erreur ERR entre le si- gnal d'instruction de vitesse Vref et une sortie K 2E de dt engendrée par un convertisseur de signal de vitesse 15 et dans laquelle K représente une constante Un amplificateur 13 multiplie le signal d'erreur ERR par un coefficient Kl et la sortie de l'amplificateur est appliquée à une borne dtentrée A d'un multiplicateur 14 dont l'autre borne d'entrée B est branchée de manière à recevoir d'un détecteur 21 le signal modulé en phase E sin ( w t + E). Ainsi, cette sortie du mul- tiplicateur 14 est représentée par: K1.ERR.E sin (t-t+e) = EKl(Vref-K2E dé) sin ( t + e) dt Un redresseur synchrone 16, agissant comme discrimina- teur de phase, est prévu pour redresser la sortie du multipli- cateur 14 en synchronisme avec un signal de référence SI1. La sortie du redresseur synchrone 16 est amplifiée par un ampli- ficateur 17 puis appliquée à l'un des enroulements de stator du moteur synchrone 20. Une partie du multiplicateur 14 est aussi appliquée à un autre redresseur synchrone (discriminateur de phase) 18 pour être redressée en synchronisme avec un signal de réfé- rence S2. Après avoir été amplifiée par un amplificateur de puissance 19, la sortie du redresseur synchrone 18 est appli- quée à un autre bobinage de stator du moteur. Des signaux de référence Sl et 52 sont donnés par un oscillateur 23 et pren- nent la forme de tensions à onde sinusoïdale ou à onde rectan- gulaire présentant un déphasage de 90 . Dans le cas de la tension à onde sinusoïdale, on a: Sl = E sin (vt + 9) S2 = E cos (Vt + o) Comme indiqué plus haut, le r8le du détecteur 21 est dtengendrer le signal modulé en phase E sin (% t + e) de sor- te que lorsqu'il est entratné par le rotor du moteur 20, il peut être remplacé par un résolveur. Lorsque le signal modulé en phase doit 8tre engendré par un corps auquel le moteur 20 imprime un mouvement linéai- re, on peut utiliser le type linéaire "Inductsyn". Le détec- teur 21 reçoit des signaux Sl et S2 jouant le r8le de ten- sions dtexcitation. Le r8le du convertisseur de signal de vitesse 15 est d'obtenir un signal de vitesse concernant l'angle de rotation 0 en partant du signal modulé en phase E sin (ul t + e), donc d'une dérivée de signal d. Il existe de nombreux moyens de dt former le signal de vitesse. Par exemple, dans un procédé connu, comme le montre la figure 2, on obtient l'angle de rotation e par un traitement numérique puis on forme la déri- vée de l'angle de rotation e. Toutefois, ce procédé néces- site une structure de circuits compliquée de sorte qu'il est avantageux d'utiliser une structure dans laquelle le signal est soumis à un traitement analogique comme le montre la fi- gure 5. La sortie K2E de (voir figure 5) du convertisseur de signal de vitesse 15 est appliquée à l' additionneur 12 pour former le signal d'erreur ERR. Un organe d'ajustement de pha- se 22 indiqué par un bloc en tireté peut être inséré entre l'additionneur 12 et le convertisseur de signal de vitesse 15 dans un cas o il est difficile de monter avec précision le détecteur 21 dans une position angulaire o l'on obtienne un couple maximal. On décrira plus loin en détail l'organe d'a- justement de phase 22-a propos de la figure 9. Pour les be- soins de la description, au lieu du cas o l'on utilise le convertisseur de signal de vitesse 15, on décrira un cas o l'on utilise l'unité calculatrice 11-2 pour former la dérivée 2484732 - de 6. Comme l'indique le diagramme de minutage de la figure 2, dans le convertisseur de signal de vitesse, pendant les angles de phase ou intervalles e et E2 ent-re la constitu- tion d'un signal de référence S1 (onde rectangulaire) et les instants t1 et t2 o le signal modulé en phase E sin (LOt +) passe par des points zéro, on compte les nombres nl et N2- d'impulsions d'horloge. Une quantité A n représentant la valeur absolue de la différence entre n2 et nl- correspond à l'angle de rotation du moteur 20 pendant un laps de temps 1 = t. En conséquence, quand la vitesse angulaire est suffisamment grande pour détecter la vitesse avec préci- sion, n correspond à l'angle de rotation c'est-à-dire à la vitesse pendant un laps de temps A t. Par conséquent, lorsque An est calculé par l'unité calculatrice 11-2 puis converti en une quantité analogique par un convertisseur nu- mérique-analogique 11-3, on peut obtenir la m9me fonction qu'avec le convertisseur de signal 15- La figure 3 montre un autre mode d'exécution de l'inven- tion dans lequel on utilise comme moteur synchrone un moteur 2 courant continu sans balais à deux p8les 20A et dans lequel les éléments correspondant à ceux de la figure 1 sont dési- gnés par les m8mes références. Le rotor 20A-3 du moteur 20A est constitué d'un aimant permanent tandis que les bobinages de stator sont constitués d'un bobinage de cosinus 20A-1 et d'un bobinage de sinus 20A-2 présentant un déphasage électri- que et mécanique de 90 . Un résolveur 21A jouant le r8le du détecteur 21 de la figure 1 est monté sur l'arbre 24A du rotor 20A-3 et des si- gnaux à onde rectangulaire Sl et S2 sont appliqués aux bobi- nages de stator 21A-1 et 21A-2 par l'oscillateur 23 indiqué sur la figure 1. Ainsi, un signal modulé en phase E sin (uWt + O) est induit dans le secondaire 21A-3 du résolveur 21A, f représentant la tension induite et E la position an- gulaire du rotor 20A-3. Dans une autre variante encore, représentée par la fi- gure 4, le signal modulé en phase E sin (ujt + O) engendré par le résolveur 21A est appliqué au multiplicateur 14 après que sa phase ait été ajustée par un organe d'ajustement de phase 24 qui forme un signal E sin (' t + 0 -) dans lequel q représente la grandeur de la phase ajustée. L'existence de l'organe d'ajustement de phase 24 permet de compenser tout écart d'alignement angulaire entre le secondaire 21A-3 du ré- solveur 21A et 1' aimant permanent 20A-3 du moteur 20A. Ainsi, l'organe d'&ajustement de phase électrique élimine un aligne- ment précis et difficile de la position mécanique des deux rotors 20A-3 et 21A-3. L'organe d'ajustement de phase 24 peut être constitué d'un circuit d'avance ou de retard de phase comprenant des résistances et des condensateurs ainsi qu'on l'expliquera plus loin à propos de la figure 9. La figure 5 est un schéma par blocs d'un exemple du convertisseur de signal de vitesse 15. Comme on l'a représen- té, le signal modulé en phase E sin (-ot + e) est appliqué à un dérivateur 15-1 de sorte qu'il engendre un signal de sor- tie E(W dte)cos QO(t+E) qui est appliqué à un amplifica- teur sélectif 15-3 et à un circuit formeur d'onde 15-2 qui donne à la sortie du dérivateur 15-1 la forme d'une onde rec- tangulaire qui s'exprime comme suit, en série de Fourier: E, cos (Wt + e) + >f (n 3t) L'amplificateur sélectif 15-3 amplifie une composante de la fréquence fondamentale u)/2 1- de la différence entre - les sorties du dérivateur 15-1 et du circuit formeur d'onde -2. Ainsi, l'amplificateur sélectif 15-3 amplifie seule- ment, en la multipliant par K2, la composante s3/2 ' de la différence [E \cos(W t + e) + Fd6cos (AJt +)> dt - E, cos (LJt + e) + f(n 0t)] = Ed _cos (uJt + e) - i: f(n Ut) dt et engendre une sortie K2RdOE cos (' t + O) . Cette sortie est dt redressée par un redresseur synchrone 15-5 par l'intermédiai- re d'un transformateur 15-4, en utilisant le signal de sortie du circuit formeur d'onde 15-2 comme signal de référence. Par conséquent, le redresseur synchrone 15-5 donne une sortie N = K2RdO dt La figure 6 montre le détail du redresseur synchrone 16 et de l'amplificateur de puissance 17 de la figure 1. Le re- dresseur synchrone reçoit la sortie K1.ERR.E sin. (tOt + 6) Kl.E(Vr K2dEO) sin ( ut + 9) du multiplicateur.14 de la ref dt figure 1 et le signal de référence Si = sinzJt ou une onde rectangulaire synchrone de celui-ci de sorte que le redresseur donne une sortie Kl.ERR.Ecos 0- L'amplificateur de puissance 17 comprend un additionneur 1701, un amplificateur de commande de courant 17-2, un modu- lateur de largeur d'impulsion.17-3 servant A soumettre la sor- tie de l'amplificateur 17-2 à une modulation de largeur d im- pulsion et un détecteur de courant 17-4 et applique un courant amplifié au bobinage de cosinus du moteur 20 Le détecteur de courant 17-4 ramène le courant détecté A Jladditionneur 17-1. - La figure 7 montre la connexion du modulateur de la=r geur d'impulsion 17-3, du détecteur de courant 17-49 des bobi- nages de cosinus-et de sinus du moteur 2O0 Comme reprSent&, des signaux de déclenchement modulés en largeur d'impulsion G1 à G4, engendré par le modulateur de largeur d'impulsion 17-3, sont appliqués respectivement aux bases des transistors de puissance Trl A Tr4 de manière a fournir du courant au bo- binage de cosinus quand les transistors G1 et G4 conduisent et & fournir du courant au bobinage de sinus quand les tran- sistors G2 et G3 conduisent. Ainsi par exemple, quand le transistor Trl conduit, le courant passe par le bobinage de cosinus, en venant de la borne positive d'une source de courant continu VS, en passant par le parcours émetteur-collecteur du transistor Trl, une résistance RC et le bobinage de cosinus pour arriver au point central CM de la source VS. De la même façon, quand le tran- sistor Tr2 conduit, le courant passe par le bobinage de sinus par l'intermédiaire de la résistance RS. Quand le transistor Tr3 ou Tr4 conduit, le courant passe en sens opposé par le bobinage de sinus ou de cosinus et les résistances RS ou à. Autrement dit, les transistors Trl et Tr fonctionnent comme rl r4 des éléments de commutation laissant passer des courants al- ternatifs par les bobinages de sinus et de cosinus. Les ré- sistances RC et RS correspondent au détecteur de courant 17-4 de la figure 6 et les tensions Vc et V aux bornes de ces ré- sistances sont utilisées comme tension ramenée A l'addition- neur 17-1. La figure 8 montre le détail de l organe d'ajustement de phase 24 de la figure 4 (22 sur la figure 1) qui comprend un amplificateur opérationnel 24-9 dont la borne d'entrée T reçoit la sortie Esin ( ut + 9) du résolveur 21A par l'inter- médiaire d'une résistance d'entrée 24-1 pontée par une résis- tance variable en série 24-2, un condensateur 24-3 et une ré- sistance 24-4. Entre les bornes d'entrée et de sortie de l'am- plificateur opérationnel 24-9 est branché un circuit de réac- tion constitué de résistances 24-6 et 24-8 et d'un condensa- teur 24-7 branchés comme on l'a représenté. Quand on ajuste la résistance variable 24-2, l'amplificateur opérationnel 24-9 engendre une sortie Esin( ut + e -) dans laquelle représente un angle de phase positif ou négatif, donc une a- vance ou un retard. L'autre borne d'entrée de l'amplificateur opérationnel 24-4 est reliée à la masse par l'intermédiaire d'une résistance 24-5. La figure 9 montre le détail d'"un exemple du redresseur synchrone 16 des figures i et 6. Il comprend un formeur d'on- de 16A qui convertit un signal de référence d'entrée Si, qui est sin it, en une onde rectangulaire, des amplificateurs 16-1 et 16-2 qui déphasent de 2 '11 leurs signaux d'entrée res- pectifs. L'amplificateur 16-1 reçoit la sortie du formeur d'onde 16A tandis que l'amplificateur 16-2 reçoit la sortie du multiplicateur 14. L'électrode de gâchette d'un transistor à effet de champ FET1-est reliée à la sortie de l'amplifica- teur 16-1 par l'intermédiaire d'une diode dl de sorte que lorsque la sortie de l'amplificateur 16-1 est "1" (niveau haut), le transistor FETl devient conducteur. Pendant un intervalle ou la sortie à onde rectangulaire SIQA de l'amplificateur 16-1 est "'1", la sortie K1.ERR. Esin (LUt + G) est positive de sorte cette sortie arriverait à une entrée d'un addition- neur 16-3 sous forme d'amplificateur opérationnel, en passant par la source et le drain S01 et DR1 et par une résistance RA. Les résistances rl et r2 sont branchées entre la source et la gâchette de transistors respectifs FET1 et FET2 et une résis- tance rf est branchée entre les bornes d'entrée et de sortie de l'additionneur 16-3 pour déterminer son coefficient d'am- plification. L'électrode de gâchette g2 d'un autre transistor A effet de champ FET2 reçoit la sortie SIQB du formeur d'onde 16A par l'intermédiaire d'une diode d2, la source S02 est re- liée de manière à recevoir la sortie de l'amplificateur 16-2 et le drain DR2 est relié à la borne d'entrée de l'addition- neur 16-3 par l'intermédiaire de la résistance RB. Quand le signal de sortie SIQA est tO-, la sortie SIQB du formeur d'onde 16A est "1" (niveau haut). A ce moment, la sortie du multiplicateur 14 est aussi négative, elle est inversée par l'amplificateur 16-2 pour devenir positive et appliquée & l'électrode de source S02 du transistor à effet de champ FET2 de manière à le rendre conducteur. Par conséquent, sa sortie de drain est appliquée à l'additionneur 16-3 qui donne donc une sortie correspondant & un courant obtenu par redressement synchrone (redressement biphasé) de la sortie dumultiplica- teur 14 conformément au signal de référence Sl qui est sin ut. Comme on l'a dit plus haut, selon l'invention, étant donné que l'on utilise comme détecteur par exemple un résol- veur ou un "Inductsyn" qui engendre un signal modulé en phase pour obtenir un signal de position et un signal de vitesse, il n'est pas nécessaire d'utiliser un générateur tachymétri- que pour obtenir le signal de vitesse comme dans le système classique de commande de vitesse. - En outre, selon l'invention, étant donné que le signal modulé en phase engendré par le détecteur est appliqué à une entrée d'un multiplicateur, sa sortie est redressée de façon synchrone puis amenée aux bobinages de sinus et de cosinus d'un moteur synchrone, le système de commande peut comporter un circuit analogique beaucoup plus simple que le système an- térieur. il R E V E N D I C A T IO N S 1 - Système de commande de vitesse pour moteur synchro- ne 20 muni de deux bobinages de stator 2A0, 20A2, décalés électriquement et mécaniquement de 90 et d'un rotor 20A, sys- tème caractérisé par le fait qu'il comprend des moyens 21 en- tratnés par le rotor 20A de manière A engendrer un signal mo- dulé en phase contenant une composante représentant un angle de rotation du rotor 20A. des moyens de conversion de signal de vitesse 15 qui forment un signal correspondant Aà une dif- férence d'angle de rotations des moyens 11 servant Aà engendrer un signal d'instruction de vitesse correspondant à mune vites- se de rotation du rotor 20A, des moyens 12 servant A Engendrer un signal-d'erreur correspondant à une différence entre le si- gnal formé par les moyens de conversion de signal de vitesse et le signal d'instruction de vitesse, un multiplicateur 14 servant Aà multiplier le signal modulé en phase par le si- gnal d'erreur, des moyens permettant dd=gender de.. sgina de référence ayant un déphasage de 90 et ue n rdresseu sn- chrone 16, 18, servant à redresser une sortie du mltIplica- teur conformément aux signaux de réfúrence pour enge drer ds courants fournis aux bobinages de stator 20A1A 2012 du moteur. 2 - Système de commande de vitesse pour moteur synchrone suivant la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il com- prend en outre un organe d'ajustement de phase 24 branché en- tre le multiplicateur 14 et les moyens générateurs de signal modulé en phase 21. 3 - Système de commande de vitesse pour moteur synchro- ne suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que les moyens de conversion de signal de vitesse 15 comprennent un dérivateur 15-1 recevant le signal modulé en phase, un circuit formeur d'onde 15-2 branché de maniere a recevoir une sortie du dérivateur 15-1.:un amplificateur sélectif 15-3 servant à amplifier la différence entre les sorties du déri- vateur 15-1 et du circuit formeur d'onde 15-2 et un redresseur synchrone 15-5 servant à redresser une sortie de itamplifica- teur sélectif 15-3 conformément à la sortie du circuit formeur d'onde 15-2. 4 - Système de commande de vitesse pour moteur synchro- ne suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il com- prend en outre une unité calculatrice 11-2 qui calcule un angle de rotation du rotor 20A pendant un laps de temps et un convertisseur numérique-analogique 11-3 servant à conver- tir une sortie de l'unité calculatrice en une quantité ana- logique qui est appliquée aux moyens générateurs de signal d'erreur 12. - Système de commande de vitesse pour moteur synchro- ne suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le mo- teur 20 comprend un rotor 20A comprenant un aimant permanent A3, que les bobinages du stator 2A0, 2QA2 comprennent un bobinage de sinus et un bobinage de cosinus, déphasés de 90 électriquement et mécaniquement et que les moyens générateurs de signal modulé en phase 21 comprennent un résolveur muni de deux bobinages de stator 21A1, 21A2 excités par les signaux de référence et un bobinage de rotor 21A3 Mis en rotation par le rotor 20A du moteur 20 pour engendrer le signal modulé en phase. 6 - Système de commande de vitesse pour moteur synchro- ne suivant la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comprend en outre un amplificateur de puissance 17 branché entre le redresseur synchrone 16, 18, et l'un des bobinages de stator 20A1, l'amplificateur de puissance 17, 19, compre- nant un amplificateur de commande de courant 17-2 relié à une borne de sortie du redresseur synchrone 16, un modulateur 17-3 de largeur d'impulsion servant & soumettre une sortie de l'amplificateur de commande 17-2 de courant à une modula- tion de largeur d'impulsion et un détecteur de courant 17-4 branché entre le modulateur de largeur d'impulsion et ledit bobinage-de stator 20A1 pour ramener le courant détecté à une borne d'entrée de l'amplificateur de commande de courant 17-2. 7 - Système de commande de vitesse pour moteur synchro- ne suivant la revendication 2, caractérisé par le fait que * l'organe d'ajustement de phase 24 comprend un amplificateur opérationnel 24-9 dont une borne d'entrée T est branchée de manière à recevoir le signal modulé en phase par l'intermé- diaire d'une résistance 24-1, un circuit en série comprenant une résistance variable 24-2 et un condensateur 24-3 et bran- ché en parallèle à la résistance 24-1, et un circuit de réac- tion branché entre les bornes de sortie et d'entrée de l'am- plificateur opérationnel. 8 - Système de commande. de vitesse pour moteur synchro- ne suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que le redresseur synchrone comprend un premier amplificateur (16-1) servant à amplifier l'un des signaux de référence, un deu- xième amplificateur (16-2) servant à amplifier une sortie du multiplicateur, un premier transistor à effet de champ (FET1) dont la gâchette est reliée à une borne de sortie du premier amplificateur et la source à la sortie du multiplicateur, un deuxième transistor à effet de champ (FET2) dont la gâchette reçoit le signal de référence et dont la source est reliée à une borne de sortie du deuxième amplificateur, et un addi- tionneur (16-3) recevant des sorties de drain des premier et deuxième transistors à effet de champ.