Brevet FR2521367A1 — publié le 19830812

La présente invention concerne un dispositif pour commander un moteur pas à pas conçu de manière à assurer un entrafnement très efficace du moteur, en améliorant la caractéristique du bord d'attaque des impulsions d'entrée déli- vrées au moteur. Il est bien connu qu'un moteur pas à pas, également appelé à impulsions est généralement un moteur dans lequel une pluralité de bobines de phase sont excitées ou alimentées à l'aide d'impulsions d'entrée, en passant de l'une à l'autre, ce qui entrathe la rotation du rotor du moteur selon des angles qui cor- re.spondent au nombre d'impulsions d'entrée Un tel type de moteur a été large- ment utilisé pour contrôler électriquement le fonctionnement et la rotation méca- nique de machines, étant donné que le moteur pas à pas peut facilement être commandé et contrôlé, avantage auquel s'ajoute une construction simple et un faible colit. Il existe des moteurs pas à pas à trois phases, quatre phases et cinq phases Le circuit de commande du moteur pas à pas utilise le système d'une excitation à une phase et d'une excitation à 1-2 phase ainsi qu'une commande à micro-étage pour obtenir une commande et un contrôle précis Par ailleurs, le contrôle de la caractéristique de commande du moteur pas à pas est obtenu par le contrôle de la caractéristique de bord d'attaque des impulsions dtentrée, étant donné que comme décrit ci-dessus, les impulsions, délivrées en continu une par une, avec une certaine différence de phase, sont changées une à une afin d'obtenir la puissance de sortie Lorsqu'on réalise un chargement d'impul- sions d'entrée, pour les distribuer aux bobines de phase respectives, le bord d'attaque des impulsions n'est pas abrupt étant donné qu'il existe un courant inductif, résultant d'une inductance d'une bobine de phase du moteur d'entram e- ment, provenant d'un seuil de vitesse de rotation et d'une vitesse de rotation instable. On se réfère maintenant aux figures 1 et 2 des dessins annexés qui illus- trent respectivement un dispositif de commande d'un moteur pas à pas selon la technique antérieure et les courbes caractéristiques de fonctionnement de ce dispositif de commande connu. Sur la figure 1, la référence PM désigne la section de phase de commande d'un moteur pas à pas (non représenté) Cette section de phase de commande comprend quatre bobines de phase A, B, C et D, une extrémité de sortie de chacune de ces-bobines étant connectée en commun et sur une borne d'alimen- tation en énergie P 3, par l'intermédiaire d'une résistance R 1 La borne P 3 est connectée à une source d'alimentation en énergie (non représentée sur le dessin) qui délivre une tension d'alimentation Vcc Les autres extrémités des bobines A, B, C et D sont reliées à un point à la masse, par l'intermédiaire des trajets collecteur-émetteur de transistors de commutation TR 1 TR 2, TR 3 et TR 4, respectivement Ainsi, le transistor TR 1 est relié à la bobine de phase A, le transistor TR est relié à la bobine de phase B, le transistor TR est 2 3 connecté à la bobine de phase C et le transistor TR 4 est relié à la bobine de phase D Les électrodes de base dés transistors respectifs TR 1 à TR 4 sont reliées aux bornes de sortie d'un circuit de di stribution d'impulsions de com- mande CPD, par l'intermédiaire de résistances R 2, respectivement Le circuit de distribution d'impulsions de commande CPD comporte une borne d'impulsion de commande Pl et une borne de signal haut/bas P 2 et elle engendre des signaux de commande CPG 1 CP 2, CP 3 et CP 4 qui commandent les états de mise en fonctionnement et d'arrêt des transistors TRI, TR, TR et TR 4, en ordre Z'2 3 4 ' régulier Dans un tel moteur pas à pas classique, la tension d'alimentation Vcc est de l'ordre de 10 à 20 volts et la résistance R 1 possède une valeur de 5 à 1012. Lorsque la tension d'alimentation Vcc est appliquée à la borne P 3 et que le circuit' de distribution d'impulsions de commande CPD distribue les impul- sions de commande C Pl à CP 4 aux transistors de commutation TR 1 à TR 4, respectivement, en ordre régulier, des courants de phase i A, i B, i C et i D (figure 2) circulent dans les bobines A à D, respectivement, ce qui produit un flux magnétique, respectivement OA, $B, k C et OD entrainant la mise en route duê moteur pas à pas Comme on peut le voir sur la figure 2, les courants de phase i A à i D augmentent selon une courbe à faible pente et ils atteignent un état stationnaire Le temps nécessaire pour atteindre un tel état stationnaire est de l'ordre de 0, 5 à 1 msec Dans ce cas, la tension engendrée est de l'ordre de 10 à 20 V, en tant que tension de départ, à l'instant correspondant au bord d'attaque de la caractéristique courant et elle est de l'ordre de 100 à 120 V, en tant qu'impulsion de bord postérieur à l'instant correspondant au bord pos- térieur de la caractéristique courant Afin d'améliorer une telle caractéristique du courant dans un circuit de commande classique, il est nécessaire de faire en sorte que la tension d'alimentation Vcc soit égale à au moins 100 V et que la 3 2521367 valeur de la résistance R 1 soit égale à au moins 201 a Il en résulte que la résis- tance R 1, présentant une valeur aussi importante, consomme beaucoup d'éner- gie et ne peut pas être utilisée en pratique Dans un moteur pas à pas entraftié par une batterie portée par un véhicule, notamment, il n'est pas possible d'uti- liser un dispositif de commande présentant une telle résistance Par conséquent, pour commander lenmoteur pas à pas, il est préférable d'améliorer la caracté- ristique du bord d'attaque des impulsions d'entrée. La présente invention se propose de surmonter les inconvénients des dispositifs de commande de moteur pas à pas selon la technique antérieure décrite ci-dessus. Un autre but de cette invention est d'apporter un dispositif de commande d'un moteur pas à pas dans lequel la caractéristique de bord d'attaque des im- pulsions du courant d'entrée est améliorée. L'invention vise en conséquence un dispositif de commande d'un moteur pas à pas qui comporte une pluralité de bobines de phase, des moyens de com- mutation connectés aux bobines de phase, un circuit de distribution d'impul- sions connecté aux moyens de commutation pour engendrer des signaux de com- mande afin de commander l'état de fonctionnement et de non fonctionnement des moyens de commutation, des moyens de liaison pour connecter les bobines de phase à une source d'alimentation d'énergie et des moyens de limitation de courant connectéen commun entre les moyens de liaison et les bobines de phase. Selon l'invention, les moyens de limitation de courant sont constitués par une bobine d'induction Les moyens de commutation comprennent une plu- ralité de transistors On prévoit une pluralité de résistances variables entre des transistors respectifs et un point à la masse, respectivement Les bobines de phase sont enroulées sur le noyau d'un stator constitué d'un matériau en fe r rite. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description faite ci-après en référence aux dessins annexés qui en illustrent un exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif Sur les dessins la figure 1 est un circuit représentant le dispositif de commande d'un moteur pas à pas classique, décrit ci-dessus la figure Z est un schéma de formes d'ondes destiné à expliquer le fonc- tionnement du circuit selon la sigure 1 4 2521367 la figure 3 est un schéma du circuit d'un dispositif de commande d'un moteur pas à pas selon l'invention la figure 4 est un schéma des formes d'ondes destiné à expliquer le fonc- tionnement du circuit selon la figure 3 i la figure Sa est un graphique représentant les résultats expérimentaux de la caractéristique de courant d'un dispositif de commande classique, ces résultats ayant été obtenus sur un oscilloscope et, la figure 5 b est un graphique représentant les résultats expérimentaux de la caractéristique de courant, obtenus sur un oscilloscope, d'un disposi- tif de commande selon l'invention. On se réfère en premier lieu à la figure 3 qui représente un exemple de réalisation non limitatif d'un dispositif de commande d'un moteur pas à pas selon l'invention Ce dispositif comprend des moyens de limitation de courant connecté entre la résistance R 1 et un point de jonction commun des bobines de phase A, B, C et D Ces moyens de limitation de courant sont constitués ici par une bobine d'induction LC Dans cet exemple de réalisation, une pluralité de résistances variables R 3 sont connectées entre les émetteurs des transistors de commutation TRV, TR, TR 3 et TR 4 et un point mis à la masse, respecti- vement Les autres détails de réalisation de ce dispositif de commande sont les mêmes que ceux du dispositif décrit ci-dessus en référence à la figure 1. La bobine d'induction LC présente une courbe caractéristique s'opposant à toute modification brutale du courant et assurant un écoulement de courant constant, tel que la somme des courants circulant au travers des bobines de phase A, B, C et D devienne toujours constante. La figure 4 est un diagramme des formes d'ondes montrant les impulsions d'entrée délivrées au dispositif de commande, c'est-à-dire les courants i A, i'B, VC eti 'D, circulant dans les bobines de phase A, B, C et D du dispositif selon l'invention Comme on le voit sur la figure 4, les courants d'impulsion d'entrée P'A, à i'l D, engendrés selon la distribution des impulsions de commande CPI, CP 2 CP et CP 4 présentent un bord d'attaque abrupt Avec un tel bord d'attaque de l'impulsion d'entrée, l'impulsion croissante de la tension V'A atteint une valeur de 100 à 120 V à l'instant du bord d'attaque du courant d'im- pulsion d'entrée i A et l'impulsion décroissante de la tension V'A atteint une va* leur de 130 à 150 V, à l'instant du bord postérieur du courant d'impulsion 2521367 d'entrée P'A Ceci permet de se rendre compte des améliorations apportées à la forme d'onde. On considère maintenant le point de changement des impulsions d'entrée de la bobine de phase A à la bobine de phase B. Dans le dispositif de commande classique, tel que représenté sur la fi- gure 2, l'impulsion de courant i B présente une courbe caractéristique qui est telle que le courant augmente progressivement de zéro jusqu'à une valeur stable, étant donné qu'il existe une impédance de la bobine de phase B au moment du pas- sage d'une bobine à l'autre ce qui affecte le couple du moteur pas à pas Dans le cas o le moteur est entraîné par des impulsions à haute fréquence, un tel phénomène présente un caractère remarquable et les impulsions d'entrée sont transmises à la bobine de phase suivante avant que les impulsions d'entrée atteignent ladite valeur stable ce qui se traduit par une diminution du couple, rendant impossible l'obtention d'un entraînement ou d'une commande à vitesse élevée Dans le dispositif selon cette invention, un tel inconvénient est surmonté grâce à la caractéristique de bord d'attaque instantané ainsi obtenu La pré- sente titulaire a découvert, par des résultats expérimentaux, que la vitesse de rotation maximale du moteur était de l'ordre de 1, 5 à 2 fois plus élevée que celle d'un moteur classique. En outre, grâce au dispositif de commande selon la présente invention, l'amplitude des tensions d'impulsion croissante délivrées aux bobines de phase peut être réglée ' n'importe quelle valeur. La figure 5 a illustre des résultats expérimentaux, relevés sur un oscil- loscope, montrant la caractéristique de courant d'un dispositif classique et la figure 5 b illustre des résultats expérimentaux correspondants à un dispositif selon l'invention. Dans le présent exemple de réalisation, les noyaux CA, CB, CC et CD des bobines de phase A à D sont constitués d'un matériau approprié aux modi- fications magnétiques de vitesse élevées, par exemple une ferrite, ce qui per- met d'améliorer également la caractéristique de bord d'attaque des impulsions d'entrée. On notera de la lecture qui précède que l'invention permet d'obtenir un dispositif simple pour commander un moteur pas à pas, simplement en insérant des moyens de limitation du courant entre les bobines de phases et la source 6 2521367 d'alimentation d'énergie. Il demeure bien entendu que cette invention n'est pas limitée à l'exemple de réalisation décrit et représenté, mais qu'elle en englobe toutes les variantes. 7 25 21367 REVENDICATIONS 1 Dispositif de commande d'un moteur pas à pas, caractérisé en ce qu'il comprend: une pluralité de bobines de phase (A, B, C, D), des moyens de commutation (TRI, TR 2, TR 3, TR 4) connectés aux bobines de phase, un circuit de distribution d'impulsions (CPD) relié aux moyens de commutation afin d'engendrer des signaux de commande pour commander et contrôler l'état de mise en fonctionnement et de mise hors service desdits moyens de commuta- tion; des moyens de liaison (R 1) pour relier les bobines de phase à une source d'alimentation d'énergie (Vcc) et des moyens de limitation du courant (Lc) connectés en commun entre lesdits moyens de liaison et les bobines de phase. 2 Dispositif de commande d'un moteur pas à pas selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de limitation de courant sont constitués par une bobine d'induction (Lc). 3 Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les moyens de commutation comprennent une pluralité de transistors (TRI, TR 2, TR 3 et TR 4). 4 Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'on prévoit une pluralité de résistances variables (R 3), respectivement entre les transis- tors respectifs et un point mis à la masse. 5 Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, ca- ractérisé en ce que les bobines de phase sont enroulées sur des noyaux (CA, CB CC, CD) constitués de ferrite.