Brevet FR2490368A1 — publié le 19820319

1. La présente invention concerne des systèmes de servo-mécanisme de saisie. Les systèmes de servo-mécanis- me à boucle fermée sont depuis longtemps utilisés dans le but de positionner rapidement des têtes magnétiques de lec- ture/écriture, des roues et chariots d'impression et autres dispositifs. Un de ces-systèmes est décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique nO 3.663.880, o un comptage de dif- férence établit le nombre de pistes de données qu'une tête de lecture/écriture doit parcourir pour atteindre une pis- te de données souhaitée. Le comptage est diminué d'un chif- fre lorsque la tête dépasse chaque piste de données, ce comptage de différence diminuant finalement jusqu'à zéro. Avant l'instant o le comptage de différence arrive à zéro, le moteur d'entraInement de la tête de lecture/écriture est excité par un signal indicateur de la vitesse instantanée de son arbre, lequel supporte la tête. Dans des systèmes identiques à celui faisant l'objet du brevet précédent, une phase critique de fonction- nement se produit lorsque le comptage de différence atteint zéro et qu'il reste un comptage fractionnel. La procédure normale, comme cela est décrit dans ledit brevet, consiste alors à passer au mode de fonctionnement à "position" o la commande par moteur est excitée avec un signal indica- teur de la position de l'arbre supportant la tête. Cepen- 2. dant, même lorsque le comptage de différence a été rame- né à zéro, il y a toujours une erreur de position ainsi qu'une erreur de vitesse. Ces erreurs introduisent un élé- ment transitoire dans le système et l'établissement de la tête ne se produit pas avec rapidité et netteté, c'est-à-dire qu'elle est animée d'un mouvement de va-et-vient autour de la piste désirée avant de s'arrêter. Selon la présente invention, les problèmes d'éta- blissement d'un système de servo-mécanisme à boucle fermée sont sensiblement éliminés en faisant passer le système dans le mode de fonctionnement à "position" dans le cas seule- ment o il y a une erreur de position zéro et une erreur de vitesse zéro. Un établissement rapide et net est obtenu en numérisant l'amplitude instantanée du signal de position lors- que le comptage de différence a été ramené à zéro et en uti- lisant cette valeur numérique comme l'adresse d'une table de racines carrées à consulter qui fournit pour chaque am- plitude instantanée du signal de position un signal numéri- que indicateur de la vitesse instantanée nécessaire à un éta- blissement rapide à la position de repos. Le signal de vites- se numérisé est transformé en signal analogique par un con- vertisseur numérique/analogique pour l'excitation du moteur d'entraînement. Le système de servo-mécanisme recherche l'amplitude instantanée du signal de position jusqu'à ce que l'amplitude ainsi que la vitesse du signal de position soient nulles, moment o le système est arrêté mécaniquement et stable, puis le système est, pour la première fois, com- muté dans le mode de fonctionnement classique à "position". Le fait de se trouver dans ce mode de fonctionnement lors- que le système est arrêté et stable confère au système une plus grande rigidité que celle qu'on obtiendrait s'il devait rester dans le mode de fonctionnement en "vitesse". Antérieurement, au moment o le comptage de dif- férence est ramené à zéro, le comptage de différence ou comptage de piste est utilisé comme adresse de la table de consultation pour fournir des signaux de vitesse numéri- sés. Il y a un changement de l'échelle du convertisseur numérique/analogique lorsque le comptage de différence de- 3. vient nul,de sorte que toute la courbe de la racine carrée de la vitesse utilisée pour le positionnement lorsque le comptage de différence était supérieur à zéro peut être em- ployée lorsque ce comptage devient nul. La présente invention sera bien comprise lors de la description suivante faite en liaison avec les dessins ci-joints dans lesquels: Les figures lA et 18 sont des schémas sous forme de blocs du système de servomécanisme à boucle fermée selon la pré- sente invention; La figure 2 est un schéma sous forme de blocs d'un composant du système de la figure 1; La figure 3 est une courbe d'accélération/décéléra- tion optimale en fonction du temps; et La figura 4 est une courbe de la racine carrée de la vitesse en fonction du comptage de piste. Le système de servo-mécanisme à boucle fermée de la présente invention sera décrit en liaison avec le position- nement d'une tête magnétique d'écriture/lecture d'un systè- me de stockage de données. Cependant, ce système n'est pas limité à cette seule application étant donné qu'il peut s'appliquer au positionnement de roues et de chariots d'im- pression, ainsi qu'à celui d'autres organes et dispositifs. En liaison avec la figure 1A, un moteur 4 entraîne un arbre 6 qui est accouplé à un support 7 d'une tête ma- gnétique de lecture/écriture. L'arbre 6 est également accouplé à un transducteur dit Inductosyn classique 8 com- portant un disque fixe formant stator et un disque rota- tif. En général, le disque rotatif comprend des conduc- teurs parallèles obtenus par dépôt métallique formant un enroulement de rotor 10 et le disque du stator comprend des conducteurs parallèles obtenus par dépôt métallique formant deux enroulements 12 et 14 perpendiculaires l'un à l'autre dans l'espace, chaque conducteur acheminant le courant dans une direction opposée à celle du conducteur adjacent. En liaison maintenant avec la figure 2,le circuit de commande du transducteur reçoit comme entr6e un signal d'horloge et produit à une première sortie un signal sinu- 4. soldai qui est appliqué à un enroulement du stator, à une seconde sortie un signal en fonction cosinus qui est appliqué à l'autre enroulement du stator, et à une troisiè- me sortie un signal carré appelé signal de référence de phase A. Comme cela est représenté en figure 2, le cir- cuit de commande peut être du type à fonction de Walsh com- prenant une pluralité de bascules, une pluralité d'inver- seurs intermédiaires à collecteur ouvert dont les sorties sont sommées en courant, et des premier et second circuits de filtrage servant à éliminer les composantes hautes fré- quences des ondes sinusoldales et à fonction cosinus géné- rées. Des circuits de commande ayant une autre configura- tion peuvent être utilisés dans la mesure o ils fournis- sent des ondes sinusoïdales et à fonction cosinus qui sont accrochées en phase et d'un courant de même amplitude. Par suite de son mouvement par rapport aux enroulements du sta- tor, l'enroulement du rotor produit une onde sinusoïdale ayant une fréquence déterminée par la grandeur de ce mouve- ment relatif. Le signal de l'enroulement du rotor,-après filtrage de façon à éliminer le bruit, est amplifié par un amplificateur 18, puis fournit à un circuit conformateur de type classique. Le circuit 20 est un comparateur haute vitesse qui produit un signal carré ayant une phase correspondant à celle du signal du rotor. Un signal -carré est nécessaire car les détecteurs de phase 22, 23, 24, 25 utilisés ici sont du type OU Exclusif qui fonctionnent des plus efficacement avec des entrées carrées ayant de bons fronts raides avec une stabilité minimum. Le signal de référence de phase A est appliqué à un registre de décalage classique 26, qui produit une pre- mière sortie correspondant à son entrée sans déphasage, une seconde sortie déphasée de 450 par rapport au signal d'entrée, une troisième sortie déphasée de 900 par rapport au signal d'entrée, et une quatrième sortie déphasée de 1350 par rapport au signal- d'entrée. Chacune des quatre sorties du registre 26 est fournie à l'un des détecteurs de phase 22, 23, 24 et 25, qui reçoivent également la sor- tie du circuit 20. Les sorties des détecteurs de phase sont 5. des impulsions rectangulaires hautes fréquences qui sont mo- dulées en rapport cyclique ou largeur, c'est-à-dire que les sorties ont une amplitude au niveau logique, une lar- geur ou une période indiquant la relation entre phases de leurs entrées, et un rapport cyclique déterminé par la fréquence de la porteuse. Ces sorties ont plusieurs compo- santes de fréquence, dont l'une est une composante basse- fréquence qui est le signal de position désirée, et d'au- tres composantes de porteuse hautes fréquences indésirables qui sont filtrées par des filtres 34, 35, 36 et 37. Des am- plificateurs 38, 39, 40 et 41 reçoivent les sorties des filtres 34, 35, 36 et 37 respectivement, l'amplification étant nécessaire de façon à commander une impédance de charge de faible valeur par l'intermédiaire des filtres. Ainsi, les signaux de sortie basses fréquences des amplifi- cateurs sont des signaux de position de forme triangulaire aux phases relatives de Do, 450, 900 et 1350, avec les si- gnaux de position ayant une fréquence qui est fonction de la relation entre phases des entrées aux détecteurs de pha- se. Les quatre phases du signal de position, c'est- à-dire 00, 450, 900 et 1350,peuvent être utilisées pour fournir un signal ayant à tout instant une amplitude direc- tement proportionnelle à la vitesse du rotor. Cela est obte- nu en générant un premier signal de vitesse à partir du signal de position 0 , un signal qui est une inversion du premier signal de vitesse, un second signal de vitesse à partir du signal de position 900, et un signal qui est une inversion du second signal de vitesse. En conséquence, la sortie de l'amplficateur 38 est appliquée à un circuit dif- férentiateur 50 de façon à produire un signal de vitesse "a" et ce signal de vitesse "a" est appliqué à un inver- seur 51 pour produire un signal de vitesse "'b" qui est un signal de vitesse "a" inversé, De même la sortie de l'am- plificateur 40 est appliquée à un circuit différentiateur 52 de façon à produire un signal de vitesse "c' et ce si- gnal de vitesse "c" est appliqué à un inverseur 53 de façon 6. à produire un signal de vitesse "d" qui est le signal de vitesse "c" inversé. Comme cela est bien connu, le taux de changement d'un signal de position indique la vitesse et, par conséquent, les signaux de vitesse "a" et "c" prove- nant de signaux de position de forme triangulaire ont des formes sensiblement carrées avec une fréquence égale à la fréquence des signaux de position et une amplitude cor- respondant au taux de changement de l'amplitude des si- gnaux de position. i-0 Comme cela a déjà été indiqué, les signaux de vitesse ne sont que des ondes sensiblement carrées étant donné qu'ils proviennent de signaux de position qui ont des crêtes quelque peu rondes par suite de la limitation en largeur de bande du circuit. Plus exactement, les si- gnaux de vitesse seront davantage trapézoldaux et pour ob- tenir un signal de vitesse ayant à tout instant une ampli- tude directement proportionnelle à la vitesse du rotor, la partie plate des signaux de vitesse "b", "c" et 'Id" doit être échantillonnée séquentiellement. En conséquence, les quatre signaux de vitesse sont fournis comme quatre en- trées à un redresseur synchrone 58, c'est-à-dire un multi- plexeur analogique. Au redresseur synchrone 58 sont égale- ment fournis les signaux de position 45 et 135 . Les si- gnaux de position 450 et 1350 agissent en signaux de com- mande d'échantillonnage et déterminent le moment o chaque partie plate de chacun des quatre signaux de vitesse doit être échantillonnée. ainsi, le signal de sortie composite de redresseur synchrone 58, après filtrage par un filtre 61 de façon à éliminer les signaux hautes fréquences défor- més dus à l'échantillonnage, est un signal "e" ayant à tout instant une amplitude directement proportionnelle à la vitesse du rotor. La polarité du signal de vitesse four- nit une indication du sens de rotation du rotor. D'autres détails sur la génération des signaux de position et de vitesse sont contenus dans une demande de brevet de la mê- me date, au nom de la même demanderesse et ayant pour ti- tre: Système de transducteur ayant une plus grande capa- cité de poursuite". 7. De façon à déterminer la piste que doit repérer la tête d'écriture/lecture, une unité de commande classique mémorise l'emplacement de la position présente de la tête, puis indique au systèine,au moyen d'un comptage de différence, le nombre de pistes de données que la tête doit parcourir de façon à atteindre la piste recherchée. Ce comptage ini- tial de différence est mis en mémoire dans un compteur 59. D'une manière classique, le compteur 59 diminue d'un comp- tage pour chaque piste de données traversée, par la tête de lecture/écriture. Le comptage des pistes traversées peut être obtenu en fournissant un signal de position 900 à un détecteur de passage par zéro 44, dont la sortie est appli- quée au compteur 59 de façon à en provoquer la décrémenta- tion. Le signal réel de vitesse "e" est fourni à une en- trée d'un circuit de sommation 60,dont la sortie est appli- quée à un dispositif de commande 62 du moteur. Pendant la recherche de piste, un signal de vitesse de référence est fourni à une seconde entrée du circuit de sommation 60.Le signal de vitesse de référence est fourni par la sortie d'une table de consultation 64 en fonction du nombre de pis- tes restant à traverser avantd 'arriver à la piste recher- chée. Pour obtenir cette sortie, le signal de comptage de piste en diminution est fourni à l'entrée de la table 64. S'agissant de la nature de la table 64, pour avoir un temps de déplacement minimal entre une position de piste et une autre position, il est souhaitable que le support de la tête ait une accélération constante pendant la pre- mière moitié du temps et une décélération constante pen- dant la seconde moitié. Un tel profil optimal du temps est représenté en figure 3. Pour un système rotatif = 1/2 at2 (1) et t= e (2) o o = angle en radians, a = accélération angulaire en ra- dians par seconde au carré, t = temps et a = vitesse en radians par seconde, les équations (1) et (2) donnent w = /2â6 (3) 8. pour le profil optimal de vitesse en fonction du temps. Comme la vitesse optimale est liée à la racine carrée de la position, le profil du signal de vitesse mémorisé dans la table 64 est optimalement une fonction de la raci- ne carrée du comptage de piste, comme cela est représenté en figure 4, o ce comptage est indiqué par une courbe re- présentative de la racine carrée de la vitesse. Ainsi, pour chaque valeur de comptage fournie à la table 64, un signal de vitesse correspondant est sorti par la table en confor- mité avec la courbe de la figure 4. Par exemple, si la pre- mière sortie du compteur est 100, la table donnera 100 Alors que la sortie du compteur tend vers zéro, la table des racines carrées donnera à sa sortie un signal numéri- que représentatif de la valeur de w correspondant au comp- tage de piste en diminution, par exemple le comptage 50 donnera 50 S'agissant de la table 64, celle-ci utilise 8 bits pour fournir 256 positions de mémoire, c'est-à-dire du décimal 0 au décimal 255, et comme nous souhaitons qu'elle soit bipolaire pour le mouvement d'une piste dans les deux directions, nous faisons du centre de la table ou de la courbe de vitesse le zéro ou la valeur nulle de la vitesse, avec une vitesse positive au-dessus du centre et une vites- se négative au-dessous. De plus, il y a 128 positions d'hor- loge de chaque côté de la valeur nulle de la vitesse. Cha- que signal numérique fourni à la table a une valeur corres- pondante déduite de la courbe des racines carrées. La table 64 peut être une partie d'une mémoire morte de microproces- seur qui produira aussi certains des signaux de commande dont il a été question. Le signal de sortie numérique de la table 64 est appliqué en parallèle aux bornes d'entrée d'un convertis- seur numérique/analogique classique 66, qui donne à sa sor- tie un signal analogique ayant une amplitude liée au si- gnal d'entrée numérique. Cette sortie analogique est four- nie par l'intermédiaire d'une résistance 68 à la seconde entrée du circuit de sommation 60comme signal de vitesse de référence. Le circuit 60 procède à la sommation des deux 2490!68 9. signaux qui lui sont fournis, c'est-à-dire le signal de vitesse réel et le signal de vitesse de référence, de façon à fournir le signal de commande de l'organe de commande 62 du moteur. Comme cela a déjà été indiqué, l'organe de comman- de 62 est commandé en conformité avec des signaux de vites- se provenant en partie du comptage de piste pendant la dimi- nution du compteur due au déplacement du support de la tête vers la piste désirée. Lorsque le compteur est arrivé à zé- ro, le support reste à une Fraction d'une piste par rapport à la piste désirée. Comme, avec une fraction de piste restant à parcourir, le support de tête n'a pas une vitesse nulle, c'est-à-dire qu'il présente une erreur de vitesse et une er- reur de position correspondante, si le système était pla- cé dans le mode de fonctionnement an "position", il y aurait un problème d'établissement. Le comptage de piste ne peut plus être utilisé pour le positionnement étant donné qu'il est nul. Cependant, on dispose d'un signal linéaire lie à la position, c'est-à-dire le signal de position triangulai- re et l'amplitude de ce signal sent maintenanrit utilisés pour le positionnement. En conséquence, lorsque le comptage de piste est arrivé à zéro, un signal de commande est produit qui ferme un commutateur 70, permettant au signal de posi- tion d'être fourni à un convertisseur analogique/nuerique classique 76, et un commutateur 72 qui est relié à la mas- se par l'intermédiaire d'une résistance 74. Les deux commu-. tateurs sont des transistors à effet de champ. Le convertisseur 76 peut être un convertisseur du type à approximation successive à octet pour un fonctionne- ment rapide, qui donne à sa sortie un signai numérique à oc- tet en conformité avec l'amplitude du signal de position qui lui est fourni. Les bits de sortie du convertisseur 76 sont fournis en parallèle à la table 64 qui utilise cet- te fois la courbe de vitesse de la figure 4 et l'amplitude du signal de position pour produire un signal numérique re- présentatif de la vitesse de référence désirée. Par exenm- ple, en liaison avec la figure 4, si l'amplitude du signal de position est 6], un signal représentatif de vitesse w1 o serait produit par la table de la figure 4 et, si l'amplitu- de du signal de position est 82 un signal représentatif de vitesse w2 serait produit par la table de la figure 4. Les sorties numériques de la table 64 sont de nouveau fournies au convertisseur numérique/analogique 66 et le signal ana- logique résultant est fourni par la résistance 68 au cir- cuit de sommation 600 La totalité de la courbe de la figure 4 est utilisée dans le mode de fonctionnement en "position", même si le comptage de piste est zéro car, comme déjà indi- qué, la résistance 74 et le commutateur 72 fournissent pour la première fois un trajet de courant supplémentaire lors- que le comptage arrive à zéro et cette action change effec- tivement!1échelle du convertisseur numérique/analogique 66. Par exemple, la résistance 68 peut être de 50KQ et la résis- tance 74 de 5,2o Ainsialors que le signal de position triangulaire décroît vers zéro, le signal de vitesse de référence dé- crozl également vers zéroo Lorsque le signal de position atteint zéro, la sortie du convertisseur analogique/numèri- 0 que 76 est également nulle. Le système signale ainsi qu'il niy a aucune erreur de position et la table 64 donne par consequent e sa sortie un signal indiquant qu'il n y a pas d'erreur de vitesse. En conséquence, le support de la tête s'arrête sans problème à la piste désiréeo Comme la courbe de la racine carrée de la vitesse est bipolaire, c'est-à-di- re qu'elle comporte des valeurs positives et des valeurs négatives de rwj2 dans le cas o le support se déplacerait au-delà de la position "zéro"'un signal serait produit qui le ramènerait à cette position. Lorsque le signal de posi- Od tion atteint zéro, le commutateur 90 est déplacé à sa posi- tion inférieure, à la suite de quoi, le signal de position- est fourni directement au circuit de sommation 60 de façon à conférer une certaine rigidité au système. Le circuit décrit ci-dessus qui permet d'éliminer les problèmes d'établissement est économique en matière de nombre de composants,étant donné qu'il utilise la même ta- * ble et le même convertisseur numérique/analogique avec une échelle modifiée pur fournir un signal de référence de vi- 11. tesse à partir soit des impulsions de piste soit du signal de position. La présente invention a été décrite en termes de système de servo-mécanisme à boucle fermée utilisant un moteur-couple.Si un moteur pas à pas est employé avec un moyen de réaction en position et vitesse, la même technique peut être appliquée en utilisant une modulation en largeur d'impulsion du composant de commande du moteur. De plus, le signal de position pourrait avoir la forme d'une onde sinu- soîdale, auquel cas la table serait d'une conception tel- le qu'elle permettrait de transformer l'amplitude du signal sinusoïdal en signal de vitesse. La présente invention n'est pas limitée aux exem- ples de réalisation qui viennent d'être décrits, elle est au contraire susceptible de modifications et de variantes qui apparaîtront à l'homme de l'art. 12. REVENDICATIONS 1 - Système de servomécanisme à boucle fermée pour le déplacement d'un organe au-delà d'une pluralité de posi-, tions jusqu'à une position désirée, caractérisé en ce qu'il comprend: - - un moyen de comptage pour fournir un signal de comptage indicateur du nombre de positions que l'organe doit franchir pour atteindre la position désirée; - un premier moyen pour générer un signal indica- teur de la position de l'organe; - un composant de commande de moteur; un second moyen pour fournir au composant de commande de moteur un signal de vitesse de référence dérivé d'abord du signal de comptage, puis du signal de position; et - un troisième moyen pour fournir le signal de po- sition au composant de commande de moteur seulement lors- que le signal de position se trouve à une amplitude de ré- férence. 2 - Système selon la revendication l,caractérisé en ce que le signal de vitesse de référencé est dérivé du signal de position seulement après que le signal de compta- ge est nul. 3 - Système selon la revendication 1, caractéri- sé en ce que le second moyen comprend un convertisseur ana- logique/numérique, une table de consultation couplée aux sorties du convertisseur, et un convertisseur numérique/ analogique couplé aux sorties de la table, cette table rece- vant comme entrée le signal, de comptage et le convertis- seur analogique/numérique recevant comme entrée le signal de position. 4 Système selon la revendication 3, caractérisé en ce que le second moyen comprend en outre un moyen pour changer effectivement l'échelle du convertisseur numérique/ analogique lorsque le signal de vitesse de référence est dé- rivé du signal de position. - Système de servo-mécanisme à boucle fermée pour le déplacement d'un organe au-delà d'une pluralité de 13. positions jusqu'à une position désirée, caractérisé en ce qu'il comprend: - un moyen de comptage pour fournir un signal de comptage indicateur du nombre de positions que l'organe doit franchir pour atteindre la position désirée; - un premier moyen pour générer un premier signal indicateur de la position de l'organe; - un composant de commande de moteur; - un dispositif de stockage; - un moyen pour fournir le signal de comptage au dispositif de stockage; - un moyen pour fournir une représentation numéri- que du signal de position au dispositif de stockage seule- ment lorsque le signal de comptage est nul; - le moyen de stockage donnant à sa sortie un si- gnal numérique indicateur de la vitesse de référence de l'organe en réponse à l'une ou l'autre de ses entrées; - un convertisseur numérique/analogique couplé à la sortie du moyen de stockage et donnant à sa sortie un signal analogique indicateur de la vitesse de référence de l'organe; - un moyen permettant de changer l'échelle du conver- tisseur lorsque la représetation numérique du signal de po- sition est fournie au dispositif de stockage; et - un moyen pour fournir le signal de position au composant de commande de moteur seulement après que le dispositif de stockage ait reçu la représentation numérique du signal de position et que le signal de position se trou- ve à une amplitude de référence.