Brevet FR2488074A1 — publié le 19820205

La présente invention concerne la commande des moteurs électriques à courant continu (CC) et, plus particulièrement, un circuit régulateur de vitesse à boucle ouverte pour un mo- teur CC série. Les performances requises des systèmes d'entraînement électriques à basse tension, notamment en ce qui concerne le rapport couple/vitesse exigent généralement l'utilisation de moteurs électriques à courant continu. Bien que le moteur CC puisse être de l'un quelconque des types bien connus tels que, par exemple, à enroulement série, à enroulement compound ou à excitation séparée, le moteur à enroulement série possède cer- taines caractéristiques particulièrement adaptées à l'utilisa- tion dans les systèmes basse tension alimentés par batterie. Le moteur est excité, de manière classique, par un circuit hacheur qui constitue un interrupteur réglable en série entre le moteur et une source de tension continue. En ouvrant et fermant l'interrupteur de manière cyclique tout en faisant va- rier le rapport entre temps d'ouverture et temps de fermeture de l'interrupteur, il est possible de réguler la valeur de la tension fournie au moteur. De tels circuits hacheurs sont bien connus dans l'art. Ainsi qu'on le conçoit, le fait d'ouvrir et de fermer l'interrupteur de manière cyclique dans un circuit hacheur, sert à brancher périodiquement le moteur pratiquement directe- ment à la source CC, bien qu'une certaine inductance se mani- feste généralement sur le trajet du courant vers le moteur. La tension moyenne appliquée au moteur est proportionnelle au rapport des temps ou coefficient d'utilisation du circuit ha- cheur. Bien que la tension du moteur soit déterminée par le coefficient d'utilisation du circuit hacheur, la vitesse du rotor du moteur est déterminée non seulement par cette tension mais aussi par la charge appliquée au moteur. Ainsi, pour ré- guler la vitesse du moteur, il est nécessaire de faire varier le coefficient d'utilisation du circuit hacheur en fonction de la charge du moteur. Dans l'art antérieur, on a utilisé, en général, un tachymètre pour contrôler la vitesse du moteur et fournir un signal de commande en vue de régler le coeffi- cient d'utilisation du circuit hacheur pour réguler la vites- se du moteur. Cependant, la mise en oeuvre des circuits du tachymètre coûte relativement cher. C'est pourquoi la présente invention a pour objet de fournir un système amélioré de commande d'un moteur CC. En outre, elle a pour objet complémentaire de fournir un système de commande de moteur CC qui mesure la tension aux bornes du moteur et l'intensité qui le traverse et règle le coefficient d'utilisation du circuit hacheur afin de réguler la vitesse de ce moteur. Dans la régulation de vitesse d'un moteur CC série, on mesure la tension moyenne appliquée au moteur et le courant moyen qui le traverse. Un circuit règle le coefficient d'uti- lisation d'une commande du type à circuit hacheur de manière à appliquer une tension pré-déterminée au moteur quel que soit le niveau d'intensité, cette tension étant une fonction non linéaire de l'intensité du moteur et de la vitesse souhaitée pour celui-ci. Pour une vitesse de moteur donnée, une tension de moteur connue est appliquée à chaque mesure du courant tra- versant le moteur. Dans une réalisation recommandée, la va- leur mesurée de la tension du moteur est appliquée à un géné- rateur de fonctions qui produit un signal de commande d'inten- sité satisfaisant à la relation non linéaire pré-déterminée. Ce signal règle le coefficient d'utilisation du circuit ha- cheur afin d'atteindre l'intensité du courant dans le moteur souhaitée et réguler ainsi la vitesse de ce dernier. La suite de la description se réfère aux figures annexées qui représentent respectivement: Figure 1, une famille-type de courbes caractéristiques couple/vitesse pour un moteur électrique CC à enroulement série; Figure 2, une famille-type de courbes de vitesse constan- te pour un moteur électrique CC à enroulement série, en fonc- tion de la tension appliquée au moteur et du courant qui le traverse; Figure 3, un diagramme d'ensemble d'une réalisation re- commandée de la présente invention pour la régulation de la vitesse du moteur; et, Figure 4, un schéma plus détaillé du circuit de la figu- re 3. En se référant maintenant à la figure 1, on voit une fa- mille de courbes normales couple/vitesse pour un moteur élec- trique CC à enroulement série. Chaque courbe de la famille de courbes illustre la diminution de la vitesse du rotor du mo- teur correspondant à un accroissement de la charge ou du cou- ple moteur pour une tension constante appliquée au moteur. La courbe référencée VM = NOMINALE est la courbe correspondant au moteur considéré fonctionnant sous une tension VM appli- quée à ses bornes, qui donne la puissance nominale à la sor- tie du moteur. Les courbes suivantes, référencées VM = 0,75 NOMINALE et VM = 0,5 NOMINALE sont les courbes couple/vitesse pour fonctionnement du moteur sous une tension égale, respec- tivement, à 75 % et 50 % de la tension nominale. Les courbes illustrées dans la figure 1 sont normalement fournies par le constructeur du moteur et montrent nettement que la vitesse du moteur diminue lorsque la charge augmente, même si la ten- sion appliquée aux bornes du moteur reste constante. Comme co- rollaire à ces courbes, il est bien connu que, lorsque la vi- tesse du moteur augmente à mesure que la charge diminue pour une VM constante, la force contre-électromotrice (F.C.E.M.) augmente, de sorte que le courant traversant le moteur dimi- nue. Il est évident que la régulation à une valeur constante de la tension appliquée au moteur, ne se traduit pas par une régulation de la vitesse du moteur si sa charge varie. En se référant à la figure 2, on voit une famille de cour- bes de vitesse constante pour un moteur CC à enroulement série, en fonction de la tension appliquée au moteur, c'est-à-dire de la tension aux bornes du moteur et du courant qui le traverse. Dans la plage d'utilisation du moteur, toute vitesse souhaitée peut être maintenue constante en régulant la valeur de la ten- sion du moteur pour une intensité donnée du courant traversant ce moteur. Il ressort de l'examen des courbes telles que, par exemple, la courbe de vitesse N1, que le rapport entre tension du moteur et intensité qui le traverse n'est pas une fonction linéaire. Cependant, chacune des courbes correspondant à un moteur particulier, présente sensiblement la même relation, c'est-à-dire qu'une équation définissant une courbe dans une famille de courbes, ne s'écarte de l'équation d'une autre courbe quelconque de cette famille que de la valeur d'un mul- tiplicateur constant. Bien qu'il soit évident que les équa- tions des courbes ont la forme d'un polynôme, c'est-à-dire, I = Ko0 + K1M + K2VM2 + K3VM3... + KNVMN, l'expérience et l'agencement des courbes ont démontré que celles-ci se rappro- chent beaucoup d'une relation définie par I = KVM + K 2V4, caractérisée en ce que I est l'intensité moyenne du courant traversant le moteur et VM la valeur moyenne de la tension appliquée au moteur. Les valeurs des constantes K1 et K2 peu- vent être déterminées en résolvant cette dernière équation en deux points de la courbe de vitesse constante illustrée dans la figure 2. Les courbes caractéristiques de l'intensité et de la ten- sion du moteur pour une vitesse constante peuvent être déter- minées expérimentalement pour un moteur donné, ou bien il est possible de les tracer d'après les données du constructeur sur les relations vitesse/couple et vitesse/intensité. En se référant maintenant à la figure 3, on voit un dia- gramme d'ensemble de la forme recommandée de la présente in- vention concernant la régulation de la vitesse du rotor d'un moteur CC à enroulement série. Le moteur CC possède un induit en série avec l'enroulement inducteur 12. L'induit 10 est couplé mécaniquement à la charge à entraîner 16 comme indiqué par le trait en tirets 14. Induit et inducteur du moteur sont alimentés à partir d'une batterie 18 par l'intermédiaire d'un circuit hacheur 20. On peut trouver une description détaillée des circuits hacheurs dans le SCR Manual (Manuel sur les thy- ristors), 5ème édition, publié en 1972 par le département des produits semi-conducteurs de la General Electric Company, Syracuse, New-York. Lecircuit hacheur 20 commande la tension appliquée au moteur en faisant varier son coefficient d'utili- sation ou en agissant sur le rapport des temps d'application de la tension au moteur à travers le circuit hacheur. Pour commander l'alimentation en tension du moteur, la présente in- vention effectue à la fois la mesure de l'intensité traversant le moteur et de la tension appliquée à ses bornes. Le courant traverse un shunt 22 d'un type bien connu dans l'art. Le shunt 22 consiste généralement en un shunt résistif et un signal d'intensité est produit en fonction de la chute de tension aux bornes de la résistance. Comme indiqué schématiquement sur la figure 1, un signal provenant du shunt 22 est transmis par une ligne 24 à une jonction de sommation 26. La conversion de la tension aux bornes du shunt 22 en un signal d'intensité est bien connue dans l'art et l'appareil qui l'effectue n'a pas été représenté. En vue de mesurer la tension aux bornes de la combinai- son série de l'induit 10 et de l'enroulement inducteur 12, on a relié en parallèle sur cet induit 10 et cet enroulement in- ducteur 12, une résistance à prises ou diviseur de tension illustré dans la figure par un potentiomètre 28. Ce potentio- mètre fournit sur sa prise mobile 30 un signal de sortie re- présentatif de la tension existant aux bornes du moteur. Ce signal de tension disponible sur la prise 30 est appliqué à un générateur de fonctions 32 qui, dans la réalisation recom- mandée, met en oeuvre la relation IM = K V + K VY4. Dans cet- M 1 M 2 M te relation, VM représente la tension appliquée au moteur. Les constantes K1et K2 sont déterminées, comme expliqué précédem- ment, à partir des courbes caractéristiques du moteur et ont des valeurs constantes constituant les caractéristiques élec- triques du type du moteur. On peut voir que le générateur de fonctions 32 possède deux blocs internes séparés dont l'un calcule la valeur de K1VM et l'autre la valeur de K 2VM. Etant donné que les si- gnaux effectivement engendrés par le générateur de fonctions 32 sont proportionnels aux valeurs réelles, le bloc 34 peut être constitué simplement d'une résistance et du potentiomè- tre pour effectuer la fonction multiplication. Le bloc 36 comprend des circuits actifs pour effectuer l'élévation à la puissance quatre. Les signaux de sortie des blocs 35 et 36 sont appliqués à une jonction de sommation qui fait la somme des deux signaux afin d'obtenir un signal de sortie représen- tant un signal de commande d'intensité. Ce signal est transmis par l'intermédiaire de la ligne 40 à une seconde borne d'en- trée de la jonction de sommation 26. Une troisième borne d'entrée est prévue sur la jonction de sommation 26; elle est destinée à recevoir un faible si- gnal de polarisation à partir d'un circuit de polarisation 42 qui peut être, par exemple, un simple circuit diviseur de ten- sion. Le signal de polarisation permet au système de régula- tion de commencer son fonctionnement initial. Il est évident qu'au démarrage initial, les signaux de tension et d'intensi- té sont tous deux à zéro de sorte qu'un faible courant est nécessaire en vue de fournir, au départ, les signaux de rétro- action nécessaires au système de régulation et procéder à l'excitation initiale du moteur. Le signal de sortie résultant, disponible à la jonction 26, est appliqué à une borne d'entrée d'un circuit de compen- sation de gain 44 dont la caractéristique est 1 TS, c'est- à-dire que le circuit a la caractéristique d'un intégrateur avec un seul zéro à la fréquence T de sorte qu'il présente un gain élevé aux très basses fréquences et un gain d'asser- vissement aux hautes fréquences. Le signal de sortie disponi- ble sur le réseau de compensation de gain 44 est appliqué au circuit hacheur 20 comme signal de commande de régulation. Dans le fonctionnement du circuit de la figure 3, un contacteur (non représenté) situé entre la batterie et le cir- cuit hacheur20, est fermé pour permettre l'alimentation en tension du moteur. Avant que le branchement de la batterie aux bornes du moteur et du hacheur 20 ait lieu, le circuit de polarisation 42 est alimenté et tente d'appliquer sur le ha- cheur une tension suffisante pour exciter le moteur à la va- leur déterminée par le potentiomètre 28. Cependant, du fait que la tension de la batterie n'est pas disponible et qu'il n'y a pas de signaux de réaction, le signal de sortie du ré- seau de compensation de gain 44 a intégré à une valeur élevée et tenté de mettre le hacheur entièrement sous tension. Dès que la tension de la batterie est disponible, les signaux de réaction forcent le signal de sortie du réseau 44 à diminuer de valeur jusqu'à un niveau déterminé par le réglage du po- tentiomètre 28. De cette manière, le système de régulation effectue la régulation de la vitesse du rotor ou induit du moteur à la valeur souhaitée. Ainsi, la régulation de vitesse est obtenue en mesurant l'intensité du courant traversant le moteur et la tension appliquée à ses bornes sans qu'il soit nécessaire de disposer d'un tachymètre pour le signal de réac- tion de la vitesse. En se référant maintenant à la figure 4, on voit un sché- ma plus détaillé - partiellement circuits et partiellement ensemble - du générateur de fonctions et du réseau de compen- sation de gain-de la figure 3. Comme indiqué précédemment, le potentiomètre 28, dans une réalisation recommandée, comprend un diviseur de tension à résistances branché aux bornes de la combinaison de l'induit du moteur 10 et de l'enroulement in- ducteur 12. Selon la précision avec laquelle on désire comman- der ou réguler la vitesse'du moteur, le diviseur de tension peut comporter autant de pas incrémentiels qu'on le souhaite comme illustré sur la figure 3 et peut, de fait, constituer un diviseur de tension à variation continue. Cependant, aux fins d'explication, le diviseur de tension représenté ici comprend cinq étages sous la forme d'une combinaison de ré- sistances 46, 48, 50, 52, 54 et 56. En vue de faire varier le signal de sortie disponible sur la ligne 30, branchée entre les résistances 46 et 48, plusieurs interrupteurs 58, 60, 62 et 64 sont reliés de manière à être capables de court-circui- ter sélectivement n'importe laquelle des résistances 50, 52, 54 ou 56. Les interrupteurs 58 à 64 peuvent être d'un type quelconque connu dans l'art, capables de supporter la tension existant aux bornes du moteur CC et pouvant être commandés soit manuellement, soit par un moyen automatique pour le ré- glage de la vitesse de moteur souhaitée. Le signal de sortie aux bornes du circuit diviseur de tension est appliqué à travers la ligne 30 à une borne d'en- trée du circuit multiplicateur 34. Comme on peut le constater, le circuit multiplicateur 34 se compose d'une combinaison en série de la résistance 66 et d'un potentiomètre 68, le régla- ge du potentiomètre 68 servant à fixer la valeur de la cons- tante K1 de manière que le signal de sortie aux bornes du cir- cuit 34 soit équivalent à K1VM comme décrit précédemment. La ligne 30 applique également la valeur du signal de ten- sion VM au générateur de fonction quartique 36. De tels géné- rateurs de fonctions sont bien connus dans l'art et l'on trou- ve un exemple-type illustrant un tel générateur à la page A30-3, sur la figure 4 du "National Semiconductor Linear Applications Manual" (Manuel d'applications linéaires "Natio- nal Semiconductor") daté de février 1973. La sortie du géné- rateur de fonction quartique 36 est reliée à un potentiomètre réglable en vue de faire varier la valeur de K2 dans l'ex- pression K 2V4. La valeur du signal K2VM4 est disponible sur - le curseur du potentiomètre 70. Le signal K 2VM4 est appliqué à partir du potentiomètre 70, à travers la résistance 72 à une jonction de sommation 38 sur la borne d'entrée à inversion d'un amplificateur 74. Cet am- plificateur comprend un résistance de réaction 76 destinée au réglage de son gain et est, en conséquence, relié en mode am- plificateur opérationnel bien connu. Le signal de sortie fourni par l'amplificateur 74 repré- sente le signal de commande d'intensité et est transmis à tra- vers le conducteur 40 et une résistance 78 à la jonction de sommation 26 sur la borne d'entrée à inversion d'un amplifica- teur 80. Le signal d'intensité de réaction IM venant du shunt 22 est appliqué à travers la résistance 82 à la jonction de sommation 26. De même, la tension de polarisation précitée est appliquée à partir d'une source de tension +V à la jonc- tion de sommation 26 à travers une résistance 84. Le réseau de compensation de gain 44 de la figure 3 est constitué par l'amplificateur 80 conjointement à un réseau de réaction connecté entre sa borne de sortie et la jonction de sommation 26. La résistance 86 et le condensateur 88'sont connectés en série entre la jonction 26 et la borne de sortie de l'amplificateur 80. La combinaison résistance-condensateur réalise la fonction d'intégration et de compensation d'avance. Le condensateur 90 branché en parallèle sur la combinaison sé- rie résistance 86 et condensateur 88, effectue un certain fil- trage du bruit en haute fréquence. On ne tient pas compte de ce condensateur particulier dans la fonction de transfert as- sociée au bloc 44 de la figure 3. La diode zener 92 branchée en parallèle sur le condensateur 90 évite la saturation de l'amplificateur 80 lorsque le signal d'entrée appliqué à l'am- plificateur n'entre pas dans sa gamme normale de commande. Un circuit de réaction de régime comprenant une résistance 94 et un condensateur 96 branché en série, est branché en parallèle sur la résistance 78 afin d'améliorer la réponse transitoire du circuit. Le signal disponible à la borne de sortie de l'amplifica- teur 80 constitue le signal de commande appliqué au circuit hacheur 20 pour le réglage du rapport des durées des impulr sions de tension appliquées au moteur CC comprenant l'induit 10 et l'enroulement 12. Bien que l'invention ait été décrite dans une réalisation recommandée, d'autres modifications et agencements paraîtront évidents aux personnes de l'art. Par exemple, alors que l'agen- cement recommandé de courbes s'est traduit par un polynôme du quatrième ordre, on a également constaté qu'un polynôme du troisième ordre, c'est-àdire une expression de K1VM + K 2VM3, procure aussi une régulation de vitesse relativement précise. Ainsi, on a constaté que des polynômes de la forme KVM + K2V N o N peut prendre des valeurs entre 2 et 5, y compris des valeurs fractionnaires, telles que 3,1 par exemple, fournissent des approximations acceptables de la réponse sou- haitée. R E V E N D I C A T I O N S 1 - Circuit de régulation de vitesse en boucle ouverte pour la commande d'un moteur électrique CC à une vitesse pré- déterminée, caractérisé en ce qu'il comprend: a) un moyen (28) branché pour produire un premier signal représentant la valeur de la tension aux bornes du moteur; b) un moyen générateur de fonction (32) pour recevoir ce premier signal et produire un second signal représentatif de la valeur de l'intensité du courant à travers le moteur néces- saire au maintien de la vitesse prédéterminée lorsque la va- leur de la tension aux bornes du moteur correspond à la valeur représentée par le premier signal; et c) un moyen (20) de régulation de l'intensité du courant à travers le moteur, branché pour régler la valeur de cette intensité afin qu'elle corresponde à la valeur représentée par le second signal. 2 - Circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend, en outre, un moyen (44) pour faire varier sé- lectivement le rapport de l'amplitude du premier signal à l'amplitude du second signal, et, par suite, modifier la vi- tesse prédéterminée. 3 - Circuit selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le second signal a une valeur représentative de K V + K V N 1 M 2 M Ou K1 et K2 sont des multiplicateurs constants déterminés par les caractéristiques électriques du moteur, V M la valeur de la tension aux ornes du moteur et N une valeur comprise entre 2 et 5. 4 - Circuit de régulation de vitesse en boucle ouverte pour la commande d'un moteur électrique CC à une vitesse pré- déterminée, incluant un moyen de commutation réglable (20) pour l'interconnexion périodique du moteur et de la source d'alimentation CC (18), circuit caractérisé en ce qu'il com- prend: - un moyen de commande de déclenchement (44) pour régler le facteur d'utilisation du moyen de commutation (20) en fonc- tion d'un signal de cQmmande d'intensité, le moyen de commande de déclenchement étant branché pour fournir au moyen de commu- il tation des commandes périodiques de mise sous tension et hors tension en vue de régler le facteur d'utilisation; un moyen 22 pour engendrer un premier signal représentatif de l'inten- sité du courant à travers le moteur, un moyen (28) pour engen- drer un second signal représentatif de la tension réelle aux bornes du moteur; un moyen générateur de fonctions (32) rece- vant le second signal et engendrant un troisième signal dont la grandeurest une fonction prédéterminée de la grandeur du second signal; - un moyen (26) relié pour sommer les premier et troisiè- me signaux en vue d'engendrer le signal de commande d'intensi- té; et, - un moyen pour appliquer le signal de commande d'inten- sité au moyen de commande de déclenchement. 5 - Système de commande selon la revendication 4, compre- nant en plus un moyen (30) pour faire varier la valeur du se- cond signal et, par voie de conséquence, la vitesse du rotor. 6 - Système de commande selon la revendication 5, carac- térisé en ce que la relation entre le second signal et le troi- sième signal est définie par l'équation I = K V + K2VM N i M 2 o I représente la valeur du troisième signal; K1 et K2 des multiplicateurs constants déterminés par les caractéristiques du moteur; VM la valeur du second signal; et N, un nombre situé entre 2 et 5.