Brevet FR2496290A1 — publié le 19820618

CIRCUIT D'ASSERVISSEMENT NUMERIQUE EN FONCTION DE LA FREQUENCE La présente invention concerne un circuit d'as- servissement apte à établir une information numérique variable en fonction d'une différence entre une fréquence de mesure et une fréquence de consigne. Ce circuit est destiné à être incorporé à une boucle de régulation dans laquelle le paramètre de régu- lation est une fréquence et dans laquelle on veut autant que possible que tous les éléments soient numériques et à réglage numérique. En particulier, on a cherché à réaliser une boucle de régulation numérique de la vitesse d'un moteur, la régulation se faisant en détectant la vitesse par un capteur tachymétrique délivrant une fréquence pro- portionelle à la vitesse, en comparant cette fréquence à une fréquence de consigne, et en traitant l'écart de fréquences de manière à produire un signal de valeur numérique fonction de cet écart et agissant sur le réglage de la puissance appliquée au moteur (par une modification d'angle de phase d'attaque d'un triac ou de rapport cyclique de conduction d'un transistor par exemple). La présente invention s'intéresse plus spé- cialement à la partie d'asservissement permettant de produire une valeur numérique de sortie (commandant directement un réglage de puissance) en fonction d'un écart de fréquences. Le circuit destiné à réaliser cette fonction ne peut être constitué comme la plupart des circuits de régulation par une succession d'éléments réalisant sim- plement une combinaison d'une fonction proportionelle, d'une fonction intégrale, et d'une fonction dérivée de --2 -- l'écart de fréquences. En effet c'est là la solution qui viendrait tout naturellement à l'esprit si la grandeur d'entrée était un écart de tensions par exemple. Au contraire, il s'agit là d'un écart de fréquences. On peut alors effectuer la transposition en calculant une proportionnelle, une intégrale et une dé- rivée de l'écart de fréquences, mais, comme les coef- ficients de proportionnalité doivent être variables, on aboutit vite à une grande complexité de circuits. Une autre solution venant à.l'esprit serait de convertir les fréquences en tension, et de faire la régulation en fonction d'un écart de tension. Mais, cette solution présente les inconvénients des conver- sions numériques/analogiques qu'on veut éviter dans l'ensemble de la boucle en conservant une régulation numérique d'un bout à l'autre. Pour réaliser le circuit d'asservissement, la présente invention propose une combinaison d'éléments qui, sans constituer effectivement une régulation à fonc- tion proportionnelle intégrale et dérivée, en présente pourtant les caractères essentiels avec l'avantage d'une grande simplicité de structure. Le circuit d'asservissement selon l'inven- tion, apte à produire une valeur numérique fonction d'une différence entre une fréquence de mesure et une fréquence de consigne, en vue notamment de la commande numérique de la vitesse d'un moteur, est caractérisé par le fait qu'il comporte: - - un compteur-décompteur recevant en comp- tage la fréquence de consigne et en décomptage la fré- quence de mesure, - un comparateur logique de périodes recevant les deux fréquences et fournissant à sa sortie un signal indiquant si la fréquence de consigne est supérieure, égale ou inférieure à la fréquence de mesure. - 3- - un additionneur logique recevant les signaux de sortie du compteurdécompteur et du comparateur et fournissant à sa sortie une valeur numérique qui est une fonction du type Kl x(contenu du compteur) + K2% signal de sortie du comparateur, - un limiteur placé en sortie de l'addition- neur et limitant la valeur de sortie de celui-ci à une valeur inférieure minimale et à une valeur supérieure maximale, la valeur numérique de sortie de l'addition- neur, limitée par le limiteur, constituant le signal de commande numérique de sortie du circuit d'asservissement. Ce circuit est relativement simple et permet un asservissement efficace en fréquence, avec une bon- ne précision grâce à la fonction intégrale réalisée par le compteur-décompteur, une rapidité deréponse Elevée - grâce au comparateur, et un bon comportement dans les régimes transitoires grâce au limiteur qui agit comme une butée lors des variations trop brusques de fréquence de mesure ou de consigne. De préférence, les valeurs minimale et maximale du limiteur sont modifiables par action sur une entrée appropriée du limiteur, le réglage étant fait en fonction de la fréquence de consigne. En pratique, deux groupes de valeurs limites seulement peuvent être prévus, l'un correspondant à des fréquences de consigne élevées, l'autre correspondant à des fréquences de con- signe basses. Pour assurer un bon fonctionnement du compteur- décompteur, on prévoit un organe de synchronisation rece- vant la fréquence de mesure et un multiple de la fréquence de consigne pour synchroniser la fréquence de mesure sur ce multiple en amont du compteur-décompteur. Les coefficients K1 et K2 de l'asservissement sont réglables numériquement par action sur l'addition- neur logique pour modifier la réponse de l'asservissement. - 4 - D'autres ceractéristiques et avantages de l'invention apF.araItr .nt à la lecture de la description détaillée qui suit et vui est faite en référence aux dessins annexes dans iesqcuels: - la figure 1 représente un schema général d'une boucle de rggulation dans laquelle le circuit selon l'invention est utilisé; - la figure 2 représente un schéma plus dé- taillé du circuit selon l'invention, Pour réguler la vitesse d'un moteur élec- trique 10, on utilise un asservissement en fréquence à partir d'un capteur tachymntrique 12 qui élabore une fréquence fx directement proportionnelle à la vitesse du moteur et à partir d'un circuit 14 élaborant une fréquence de consigne fc représentant la valeur théo- rique de vitesse que doit atteindre le moteur 10. Le circuit 14 est par exemple incorporé à un programmateur de machine et il délivre une fréquence de consigne fc qui est fonction du travail à accomplir par la machine. L'écart entre les fréquences de mesure et de consigne fx et fc est le paramètre de régulation de l'asservissement. Cet écart de fréquence fc fx est traité directement sous forme numérique, sans conversion fréquencetension, pour établir une valeur numérique de réglage d'un circuit de commande numérique de puissance du moteur 10. Par exemple, le moteur 10 est alimenté à travers un transistor de puissance et le réglage numé- rique agit sur le rapport cyclique de conduction du transistor. Le moteur peut aussi être alimenté à travers un triac, et le réglage numérique agit alors sur l'an- gle de phase de conduction du triac. Le circuit d'asservissement proprement dit comprend donc un compteurdécompteur 16 qui reçoit sur une entrée de comptage la fréquence de consigne fc et - 5 - sur une entrée de décomptage, la fréquence de mesure fx; le contenu du compteur représente donc, à un ins- tant donné l'intégrale temporelle de la différence des fréquences fc et fx. Le circuit comprend également un comparateur de fréquences 18 qui reçoit sur une entrée la fréquence fx et sur l'autre la fréquence fc, 3t qui établit un signal indiquant si la différence des fréquences est positive, négative, ou nulle. En réalité, le comparateur 18 compare les périodes respectives de fx et fc; il possède trois sorties correspondant respectivement à fc - fx positif, fc -fx négatif, ou fc - fx nul. Les sorties du comparateur 18, et celles du compteur 16, sont connectées à un circuit d'addition logique 20, qui réalise une combinaison des signaux numériques provenant du compteur et des signaux numé- riques provenant du comparateur, combinaison ayant la forme K4J (fe- F) ctb + K ( Pc - TAJ Dans cette combinaison, les coefficients K1 et K2 sont des valeurs numériques réglables, et le signal de sortie de l'addlionneur logique 20 est un signal numérique représentant la somme d'une fonction intégrale de l'écart des fréquences d'entrée et d'un nombre dépendant essentiellement du signe de l'écart des fréquences. Le signal numérique de sortie de l'addition- neur logique 20 est appliqué à un limiteur 22 qui écréte par valeur supérieure et par valeur inférieure le signal de manière à le conserver dans un intervalle donné. Cette fonction de limitation prend son sens lors des régimes transitoireso on ne veut pas qu'un écart de fréquence variant brusquement entraîne une saturation brutale de l'asservissement. Le signal de sortie limité par le limiteur 22 est appliqué à l'organe de commande de puissance 24 du moteur 10. - 6 - Les valeurs limites déterainées par le limi- teur 22 sont en principe fixes mais peuvent être modi- fiées par une commande appropriée. Dans l'exemple dé- crit plus précisément, on a prévu deux entrées de comn- mande H,B Qui proviennent du circuit d'élaboration de consigne 14 et qui permettent de choisir deux couples de valeurs limites différents selon que la fréquence de consigne est grande ou faible: l'entrée H permet de choisir l'un des couples de valeur lorsque la fréquence de consigne est élevée; l'entrée B permet de choisir l'autre couple de valeuw lorsque la fréquence de con- signe est basse. On peut noter que le compteur-décompteur doit avoir une capacité suffisante pour absorber toute la dynamique possible de l'écart de fréquence fc - fx intégré pendant la durée de réaction de l'asservisse- ment à une variation de cet écart. Il faut en effet, que lorsqu'il y a un écart de fréquence- d'amplitude déterminée, cet écart ait le temps de revenir à zéro 2C avant que la capacité du compteur, qui intègre les impulsions venant de cet écart de fréquences, ne soit dépassée. Si cette capacité était dépassée, on aurait en effet un phénomène de fausse consigne ap- parente. En ce qui concerne le comparateur, on verra que pour avoir plus de résolution, on effectue la comparaison de fréquences à partir de la fréquence de mesure fx et d'un multiple de la fréquence de con- signe fc. Les coefficients K1 et K2 de la fonction de combinaison réalisée par l'additionneur logique 20 sont des coefficients du type 2P, P étant un entier positif ou négatif. La sortie de l'additionneur logique 20 est une sortie à q chiffres binaires,de même que la sortie du limiteur 22; toutefois on peut utiliser seulement - 7 - les chiffres les plus significatifs de cette sortie pour régler la puissance transmise au moteur 10. La figure 2 montre selon un schéma un peu plus détaillé la manière dont sont utilisées les fré- quences fx et fc pour établir la fonction d'asservisse- ment souhaitée. Tout d'abord un oscillateur 26 sert à établir une fréquence de référence F0 à partir de laquelle est engendrée la fréquence de consigne fc. Pour cela, un convertisseur de fréquence reçoit la fréquence F0 d'une part et des ordres sous forme numérique d'autre part; ce convertisseur 28 pro- duit une fréquence proportionnelle à la fréquence de base F0, le coefficient de proportionalité étant choisi en fonction des ordres numériques reçus. La fréquence de sortie 28 du'convertisseur est une fréquence de con- signe, ou plus exactement c'est un multiple de la fréquence de consigne proprement dite, c'est-à-dire celle qui représente la vitesse à atteindre par le moteur 10. La fréquence de sortie du convertisseur 28 peut s'exprimer sous la forme A fc et elle sera divisée ultérieurement par le coefficient A pour produire la fréquence fc comparable à la fréquence de mesure fx. Les fréquences fx et Afc sont synchronisées dans un circuit de synchronisation 30 afin de faciliter ensuite le comptage et le décomptage dans le compteur 16 (pour éviter notamment des coïncidences d'impulsions de comptage et de décomptage) sur les entrées du compteur 16). Cette synchronisation est facile puisque fx est une fréquence largement inférieure à Afc. Après synchronisation, la fréquence Afc est divisée dans le diviseur 32 et est amenée à l'entrée de comptage du compteur 16, alors que la fréquence fx est amenée à l'entrée de décomptage. D'autre part, le comparateur de fréquence 18, - 8 - qui fournit à sa sortie une information sur le signede fc - fx,est en réalité un comparateur de périodes, et il reçoit non pas fx et fc mais fx et Afc pour avoir plus de résolution; la comparaison s'effectue par comptage du nombre d'impulsions Afc dans une période de fx. On a ainsi décrit un circuit d'asservisse- ment entièrement numérique qui ne nécessite aucune conversion en tension des fréquences servant de para- mètre de régulation; cette réalisation entièrement numérique permet non seulement d'obtenir une stabilité à long terme du circuit, mais aussi d'avoir une possibi- lit4 de dosage numérique des gains des différentes com- posantes de l'asservissement, ainsi qu'une possibilité de programmation des consignes de fréquence (dans une mémoire morte programmable). 9 _ REVENDICATIONS 1. Circuit d'asservissement apte à produire une valeur numérique fonction d'une différence entre une fré- quence de mesure et une fréquence de consigne, en vue notant- ment de la commande numérique de la vitesse d'un moteur, caractérisé par le fait qu'il comporte: - un compteur-décompteur recevant en comptage la fréquence de consigne et en décomptage la fréquence de mesure, - un comparateur de périodes recevant les deux fréquences et fournissant à sa sortie un signal indiquant si la fréquence de consigne est supérieure, inférieure ou égale à la fréquence de mesure. - un additionneur logique recevant les signaux de sortie du compteur-décompteur et du comparateur et four- nissant à sa sortie une valeur numérique qui est une fonction dutype Kl x(contenu du compteur) + K2 xsignal de sortie du comparateur, - un limiteur placé en sortie de l'additionneur et limitant la valeur de sortie de celui-ci à une valeur inférieure minimale et une valeur supérieure maximale, la valeur numérique en sortie de l'additionneur, limitée par le limiteur, constituant le signal de commande numérique de sortie du circuit d'asservissement. 2. Circuit d'asservissement selon la revendica- tion 1, caractérisé par le fait que les valeurs minimale et maximale du limiteur sont modifiables par action sur une entrée appropriée du limiteur, le réglage étant fait en fonction de la fréquence de consigne. 3. Circuit d'asservissementselon l'une des revendi- cations 1 et 2 caractérisé par le fait qu'il est prévu un organe de synchronisation recevant la fréquence de mesure et un multiple de la fréquence de consigne pour synchroni- ser la fréquence de mesure sur ce multiple en amont du compteur-décompteur et du comparateur. - 10 - 4. Circuit d'asservissement selon l'une des revendications 1 à 3 que les coefficients K1 et K2 de l'additionneur logique peuvent être modifies nxeriquent.