Brevet FR2526243A1 — publié le 19831104

La présente invention concerne un montage destiné à limiter le couple de rotation de moteurs universels et, en particulier , de moteurs pour outils électriques, montage qui comporte un circuit de détection et de limitation du courant du moteur. Dans les moteurs universels, c'est-à-dire les moteurs à collecteur, qu'on peut faire fonctionner avec du courant continu ou avec du courant alternatif, il est souvent nécessaire de pouvoir limiter le courant maximal ou le couple de rotation proportionnel à celui-ci. Cette limitation est nécessaire, d'une part pour empêcher des surcharges, et d'autre part lorsque, par exemple, dans une perceuse électrique utilisée comme tournevis automatique, un couple de serrage déterminé des vis ne doit pas être dépassé. Indépendamment d'une détection directe du couple de rotation au moyen d'un détecteur qui mesure, par exemple, la force d'appui du stator du moteur et limite cette force par l'intermédiaire d'un circuit de réglage, il est connu de disposer un shunt dans le circuit principal du moteur, c'est-à-dire une petite résistance ohmique, aux bornes de laquelle une tension proportionnelle au courant du moteur peut être recueillie. Cette tension, après amplification et redressement, est comparée avec une tension de référence ajustable. En cas de dépassement de la tension de référence, le courant appliqué au moteur peut être réduit, par exemple au moyen d'un commutateur commandé à semi-conducteurs, de telle façon qu'un courant maximal et, par conséquent, un couple de rotation maximal, ne soient pas dépassés. Au lieu d'une limitation, on peut également prévoir une coupure totale. L'utilisation d'un détecteur de couple de rotation, suivi d'un circuit de commande, entraîne une dépense relativement grande. I1 en est de même en ce qui concerne la mesure du courant au moyen d'un shunt, car la puissance dissipée par celui-ci, est importante, pour des courants de moteurs usuels pouvant atteindre jusqu'à 10 A. Il en résulte un volume relativement grand et un prix élevé. En outre, des difficultés surgissent pour la mise en place et la dissipation de chaleur, par exemple dans une perceuse électrique à main, et des connexions sures doivent être prévues, afin que des résistances de contact instables ne puissent pas fausser les résultats. Compte tenu de ce qui précède, l'invention a notamment pour objet, dans un moteur électrique universel, de permettre une limitation ou un ajustement du courant maximal, et par conséquent du couple de rotation maximal, sans mesure directe de ce dernier ni utilisation d'une résistance shunt pour la mesure du courant. A cet effet, suivant l'invention, dans un montage du type précité, il est prévu un circuit qui produit un signal indiquant la vitesse de rotation du moteur, un autre circuit qui fournit un signal représentant la tension efficace aux bornes du moteur et, enfin, un circuit combinatoire qui, en fonction des signaux représentant, respectivement, la vitesse de rotation et la tension efficace, et en fonction du réseau de caractéristiques du moteur, engendre un signal indiquant le courant de celui-ci. L'invention est basée sur le fait que, pour un moteur donné, la relation "vitesse de rotation/tension du moteur/ couple de rotation (ou courant) du moteur" est univoque. Pour une vitesse de rotation prédéterminée, la tension efficace, nécessaire pour amener le moteur à cette vitesse de rotation avec une charge donnée, constitue par conséquent une mesure directe du couple de rotation que doit fournir le moteur et, par conséquent, du courant de celui-ci. Pour une vitesse de rotation connue et une caractéristique connue du moteur, on peut donc mesurer la tension efficace appliquée au moteur, au lieu du courant passant dans celui-ci, de sorte qu'aucun shunt n'est nécessaire ; si la vitesse de rotation n'est pas constante, alors on peut déterminer d'une manière simple, d'après la vitesse de rotation et la tension efficace,le courant de celui-ci et le limiter ou même le couper, en utilisant le réseau de caractéristiques du moteur. Les relations mentionnées ci-dessus ne sont rigoureusement valables que pour un flux magnétique constant.Toutefois, cette condition préalable est remplie dans les petits moteurs universels, car une saturation se produit dès qu'on atteint environ 20 % du courant nominal. D'autres caractéristiques de l'invention ressortiront clairement de la suite de la description. On peut toutefois déjà mentionner ici que le signal représentant la tension efficace est dérivé de l'instant d'amorçage d'un thyristor (ou d'un triac) actionné par commande de phase et incorporé au circuit du moteur. Dans les circuits de commutation connus destinés au réglage de moteurs universels par commande de phase, un tel signal est déjà disponible, de sorte qu'aucune dépense supplémentaire n'est nécessaire. Le circuit combinatoire peut être réalisé sous forme numérique ou analogique. Sous la forme numérique, on incorpore avantageusement un microprocesseur, qui peut alors également assurer toutes les autres fonctions de réglage ou de régulation, y compris un affichage de valeur de consigne et de valeur effective. On peut aussi, d'une manière connue en soi, utiliser pour la commande d'un thyristoir ou d'un triac, un circuit intégré de commutation, qui comporte un générateur d'impulsions en dents de scie fonctionnant en synchronisme avec la tension alternative du secteur, générateur dont la tension croissant linéairement est comparée avec une tension de référence ajustable et fournit, s'il y a concordance, une impulsion d'amorçage. Alors, la tension de référence peut être utilisée comme signal représentant la tension efficace.Pour un moteur réglé à une vitesse constante, le circuit combinatoire peut alors être réalisé d'un manière particulièrement simple : la tension de référence est appliquée conjointement avec une tension de réglage ajustable, à un comparateur qui, s'il y a concordance entre les deux tensions qu'il reçoit, applique à son tour une tension de coupure ou de limitation au circuit de commutation. Avantageusement, pour un moteur réglé à une vitesse de rotation constante, la tension de référence est appliquée, conjointement avec une tension de commande ajustable à un comparateur qui, s'il y a concordance entre ces deux tensions, applique à son tour une tension de coupure ou de limitation au circuit de commutation. On peut également employer un circuit analogique qui comprend un premier amplificateur opérationnel, à l'entrée inverseuse duquel est appliquée une tension représentant la vitesse de rotation, et à l'entrée non-inverseuse duquel est appliquée une tension représentant la tension efficace du moteur, et où la sortie dudit premier amplificateur opérationnel est connectée à l'entrée inverseuse d'un second amplificateur opérationnel, dont l'entrée non-inverseuse reçoit une tension de référence ajustable, de telle manière que la sortie dudit amplidicateur produise, lorsqu'un courant maximal ajustable du moteur est dépassé, un signal de réduction ou de coupure dudit courant. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui suit et à l'examen des dessins joints, qui en représentent, à titre d'exemples non limitatifs, des formes d'exécution. Sur ces dessins - la figure 1 représente la relation entre la tension du moteur et le couple de rotation à différentes vitesses de rotation, pour un moteur universel - la figure 2 est un diagramme de courbes représentant les formes de tension, qui apparaissent lors de la régulation de puissance d'un moteur universel par commande de phase - la figure 3 est un schéma de câblage de principe d'un circuit de réglage pour moteur universel, circuit qui est essentiellement constitué par un circuit intégré de commutation de type connu - la figure 4 représente un circuit comparateur, qui peut être utilisé conjointement avec le circuit de réglage de la figure 3 pour la réalisation d'un montage suivant l'invention - la figure 5 représente la relation entre la vitesse de rotation et la tension efficace pour un moteur universel avec le courant du moteur comme paramètre - la figure 6 représente un circuit de calcul analogique, dont les grandeurs d'entrée et de sortie sont dérivées du réseau de caractéristiques de la figure 5 ; et - la figure 7 est un schéma symbolique d'une réalisation numérique du montage suivant l'invention, dans laquelle-on utilise un microprocesseur. Dans le réseau de caractéristiques de la figure 1, la tension efficace appliquée à un moteur universel choisi comme exemple, est représentée, en fonction du couple de rotation produit M, pour trois vitesses de rotation n. On remarque que, pour chaque vitesse de rotation constante, il existe une relation sensiblement linéaire entre la tension efficace appliquée au moteur et le couple de rotation fourni par celui-ci. Comme le couple de rotation est, de son côté, sensiblement directement proportionnel au courant du moteur, la même relation est également valable pour ce courant. En conséquence, on peut, pour une vitesse de rotation connue, déterminer le courant du moteur, ou encore le couple de rotation, d'après la tension appliquée au moteur. On va maintenant décrire, en se référant aux figures 2, 3 et 4, un premier exemple d'exécution réalisé sous la forme analogique. La figure 3 représente un circuit de réglage connu pour un outil électrique, par exemple une perceuse à main électrique, comportant un moteur universel 20. Celui-ci est branché, en série avec un triac 21, aux bornes 22, 23 d'un secteur de courant alternatif. La régulation de puissance du moteur 20 s'effectue au moyen d'un circuit intégré de commutation 24 de type connu et l'on a représenté un câblage type en omettant tous les éléments qui sont sans importance dans le présent contexte. Le circuit de commutation 24 est, en l'occurence, un circuit intégré du type U 211 B.L'élément essentiel du circuit de commutation 24 est un circuit de réglage par commande de phase 25, dont le signal de sortie commande le triac 21, par l'intermédiaire d'un amplificateur d'impulsions 26 et d'une résistance 27. En plus de la tension de service, qui est dérivée de la tension du secteur, et qui est appliquée par l'intermédiaire d'une diode 28, d'une résistance 29, d'un condensateur 30, d'un circuit de limitation 31 et d'un circuit de surveillance 32, le circuit de réglage par commande de phase 25 reçoit, à la borne 17 du circuit de commutation 24, par l'intermédiaire d'une résistance 33, une information relative à la tension du secteur et, en outre, par l'intermédiaire d'un amplificateur de réglage 34, un signal se présentant sous la forme d'une tension de référence pour la régulation de puissance du moteur 20. Sur la figure 2 est représentée, de façon plus précise, la manière dont la régulation de puissance s'effectue. Le circuit de réglage par commande de phase ?5 engendre, d'une manière connue en soi, une tension en dents de scie (courbe médiane de la figure 2) synchronisée avec la tension du secteur (courbe supérieure) et dont chaque dent de scie part d'un passage par zéro de cette dernière. La tension en dents de scie est comparée, dans le circuit de réglage par commande de phase, avec une tension de référence (courbe du 'milieu). Si les deux tensions concordent, l'amorçage du triac 21 se produit par l'intermédiaire de l'amplifica teur 26. Le moteur 20 reçoit alors une tension, qui est représentée sur la courbe inférieure de la figure 2.La régulation de puissance est assurée grâce au fait que la tension de référence est décalée, par rapport à la valeur choisie comme exemple et représentée sur la courbe du milieu, vers des valeurs plus élevées ou plus basses, comme indiqué par la double flèche. Pour une tension de référence plus basse, le triac 21 s'amorce plus tôt, de sorte que la valeur efficace de la tension du moteur augmente, et inversement. Le circuit de commutation 24 engendre la tension de référence destinée à être comparée avec la dent de scie de la sortie de l'amplificateur de réglage 34, à l'entrée non-inverseuse (borne 11) duquel est appliquée une information de valeur de consigne, qui est ajustable au moyen d'un potentiomètre 35 complété par une résistance série additionnelle 36. La valeur effective est dérivée par l'intermédiaire d'unegénératrice tachymétrique 37, qui est couplée avec l'arbre du moteur, comme indiqué par la ligne représentée en traits interrompus 38. Un convertisseur fréquence tension 39 transmet à sa sortie une tension à l'entrée inver seusede l'amplificateur de réglage 34, tension qui représen te la vitesse de rotation du moteur 20.Au moyen du poten tiomètre 35 on peut, en conséquence, choisir une vitesse de rotation désirée quelconque, qui est maintenue constante par le circuit de réglage par commande de phase dans le cadre des limites de puissance. Si la vitesse de rotation diminue en raison d'une charge plus grande, une tension efficace plus élevée est appliquée au moteur grâce à un décalage de la tension de référence vers des valeurs plus basses. La tension de référence Uréf appliquée à la borne 12 du-circuit de commutation 24 et fournie par la sortie de l'amplificateur de réglage 34 représente, comme on l'a expliqué plus haut à propos de la figure 2, la tension efficace appliquée au moteur 20. En conséquence, pour une vitesse de rotation constante, la tension Uréf constitue en même temps une mesure du courant appliqué au moteur 20 et, par conséquent, du couple de rotation. Si l'on applique la tension Uréf à un simple comparateur tel que représenté sur la figure 4, alors on obtient un signal Ureset qui, s'il est transmis à la borne 18 du circuit de commutation 24, assure une coupure du courant. Le comparateur de la figure 4 comprend deux transistors 40, 41 munis d'une résistance d'émetteur commune 42.La tension Uréf est transmise à la base du transistor 40 par l'intermédiaire d'une résistance de limitation 43. A la base du transistor 41 est appliquée, en tant que tension de comparaison, par l'intermédiaire d'une résistance 44, une tension de réglage ajustable qui est dérivée de la tension de service Ucc par l'intermédiaire d'un potentiomètre 45. Au moyen du potentiomètre 45, on peut en conséquence ajuster le couple de rotation du moteur 20 à la valeur maximale désirée. On va maintenant décrire dans ses grandes lignes, en se référant aux figures 5 et 6, un autre exemple d'exécution réalisé en technique analogique. La figure 5 représente la relation entre la vitesse de rotation n du moteur et sa tension efficace Ueff pour un courant constant. La pente de la caractéristique #n est fonction de la dimension du # u moteur et le segment d'abscisse B est fonction du courant I.Pour le point P3 situé sur la caractéristique I = const représentée, une tension efficace U3 est appliquée au moteur pour la vitesse de rotation ng. Un dé calage de la caractéristique I = const vers la gauche produit alors, par exemple pour le point P1, une plus faible puissance pour une tension efficace U1, tandis qu'un décalage vers la droite, par exemple jusqu'au point P2, pour la même vitesse de rotation ng, produit une puissance plus grande pour une tension efficace appliquée U2. La caractéristique I = const représentée correspond à un cas idéalisé.En pratique, la caractéristique suit la ligne en traits interrompus.L'équation (1) suivante peut être dérivée du réseau de caractéristiques (1)( U - b (1)( n = ssu b Ueff ( et n 30 Pour la région hachurée A, située à gauche de la caractéristique I = const, région qui représente la gamme de puissance admissible, on obtient l'inéquation suivante (2)( A = An Ueff - n # db ( n > ,0 Si cette inéquation, qui décrit la surface A, est vérifiée, alors pour toutes le vitesses de rotation n le courant I est plus faible que la valeur maximale prédéterminée par la grandeur b. L'équation (1) est simulée par l'amplificateur-calculateur analogique correspondant au circuit représenté sur la figure 6. Un premier amplificateur opérationnel 46 reçoit, pour déterminer la différence de l'équation (1), à son entrée inverseuse, une tension Un représentant la vitesse de rotation n et, à son entrée non-inverseuse, la tension Ueff. Des résistances ajustables 47, 48, ainsi qu'une résistance de contre-réaction 49 et une résistance 50 formant avec la résistance ajustable 48 un diviseur de tension, permettent de tenir compte des valeurs constantes en vue de l'adaptation au moteur.Le signal de-sortie de l'amplificateur opérationnel 46 est transmis, par l'intermédiaire d'une résistance 51, à l'entrée inverseuse d'un autre amplificateur opérationnel 52, à l'entrée non-inverseuse duquel est appliquée, par l'intermédiaire d'une résistance 54, une tension ajustable au moyen d'un potentiomètre 53. A l'aide de ce potentiomètre, on peut ajuster le seuil de commutation et, par conséquent, le courant maximal, d'une manière correspondant à la valeur b de la figure 5. La sortie A de l'amplificateur opérationnel 52 présente, dans le cas normal, un potentiel bas. Dès que le courant du moteur dépasse la valeur maximale, la sortie A passe brusquement à un potentiel élevé. Le signal apparaissant à cette sortie peut alors être utilisé pour couper le moteur, ou bien pour réduire la consommation de courant. Si l'on désire tenir compte du fait que la caractéristique de la figure 5 dépend de la température, il est possible d'ajouter à la résistance ajustable 48, une résistance CTN (à coefficient de températeur négatif). Sur la figure 7 est représenté, sous forme de schéma symbolique, un exemple d'exécution réalisé en technique numérique avec utilisation d'un microprocesseur. Le microprocesseur 55, qui peut être, par exemple, un microprocesseur à huit bits du type MK 3870 reçoit, par l'intermédiaire d'un clavier 56, les données d'entrée désirées. Un affichage 57 fournit à l'utilisateur, sous la commande d'un excitateur 58, des indications relatives à la vitesse de rotation, au couple de rotation et à d'autres valeurs désirées. Un commutateur à touches 59 donne l'ordre de mise en action et le microprocesseur 55 règle alors, par l'intermédiaire d'un triac, le moteur, par exemple d'un outil électrique, selon un programme préétabli. Le triac et le moteur ne sont représentés que symboliquement par un carré 60. La régulation de puissance s'effectue par commande de phase.A cet effet, le microprocesseur 55 reçoit une information de synchronisation dérivée de la tension du secteur. L'information relative à la vitesse de rotation n est transmise, à partir d'une génératrice tachymétrique 61, par l'intermédiaire d'un formateur d'impulsions 62, qui produit à sa sortie des impulsions rectangulaires, dont la fréquence représente la vitesse de rotation du moteur. L'alimentation en courant du montage n'est représentée que symboliquement par un rectangle 63. Le microprocesseur 55 compare la vitesse de rotation mesurée n avec la vitesse de rotation de consigne prédéterminée par l'intermédiaire du clavier 56, et règle la tension efficace appliquée au moteur de telle manière que, pour une vitesse de rotation trop faible, l'instant d'amorçage du triac se rapproche du passage par zéro de la tension du secteur et inversement. L'instant d'amorçage est déterminé par un chronométrage s'effectuant dans le microprocesseur 55 avec comme origine, dans chaque cas, un passage par zéro de la tension du secteur. Le temps constitue alors une mesure de la tension efficace appliquée au moteur. Il suffit donc de comparer ce temps avec une valeur prédéterminée pour pouvoir déterminer et limiter le couple de rotation fourni par le moteur. La sensibilité à la température du réseau de caractéristiques du moteur peut en outre être prise en ligne de compte, comme représenté en traits interrompus sur la figure 7. A cet effet, une information relative à la température du bobinage est transmise, par l'intermédiaire d'un amplificateur 64, au microprocesseur après conversion analogique-numérique dans le circuit 65. Comme on peut le voir d'après le réseau de caractéristiques de la figure 1, chaque vitesse de rotation constante choisie influe sur la "gamme de mesure" du couple de rotation. Une vitesse de rotation plus petite a pour conséquence, pour une même tension du moteur, un couple de rotation plus fort. Cela conduit alors à ce résultat que, lors du démarrage du moteur, un couple de rotation maximal plus élevé est possible. Ce comportement est avantageux lors de l'utilisation du montage suivant l'invention sur un tournevis automatique en ce sens que, lorsqu'on serre les vis, le couple plus elevé nécessaire pour surmonter le frottement par adhérence n'entraîne pas un arrêt du moteur. Ce compor teent est particulièrement important lorsqu'une vis est déjà à moitié serrée et doit alors faire l'objet d'un serrage supplémentaire. REVENDICATIONS 1. Montage destiné à limiter le couple de rotation de moteurs universels et, en particulier, de moteurs pour outils électriquea,montage qui comporte un circuit de détection et de limitation du courant du moteur, caractérisé par - un circuit (37, 39 ; 61, 62), qui produit un signal indiquant la vitesse de rotation du moteur, - un circuit (34), qui fournit un signal représentant la tension efficace aux bornes du moteur (20), - et un circuit combinatoire (40, 41 ; 46, 52 ; 55) qui engendre, en fonction des signaux représentant, la vitesse de rotation et la tension efficace, ainsi qu'en fonction du réseau de caractéristiques du moteur, un signal indiquant le courant de ce dernier. 2. Montage suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le signal représentant la tension efficace aux bornes du moteur (20) est produit à partir de l'instant d'amorçage d'un thyristor ou d'un triac (21) incorporé au circuit du moteur et actionné par commande de phase. 3. Montage suivant l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le circuit combinatoire comprend un microprocesseur (55). 4. Montage suivant l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le circuit combinatoire comprend un circuit de calcul analogique (46,52). 5.- Montage suivant l'une des revendications 2 et 4, comportant un circuit intégré de commutation (24) pour la commande du thyristor ou du triac (21), ledit circuit de commutation (24) présentant un générateur d'impulsions en dents de scie synchronisé avec la tension alternative du secteur et dont la tension croissant linéairement est comparée avec une tension de référence ajustable, une impulsion d'amorçage étant produite s'il y a concordance, ledit montage étant caractérisé en ce que la tension de référence est utilisée comme signal représentant la tension efficace. 6. Montage suivant la revendication 5, pour un moteur (20) réglé à une vitesse de rotation constante, ledit montage étant caractérisé en ce que la tension de référence (Uréf) est appliquée, conjointement avec une tension de commande ajustable (45) à un comparateur qui, s'il y a concordance entre ces deux tensions, applique à son tour une tension de coupure ou de limitation (Ureset) au circuit de commutation (24). 7. Montage suivant l'une des revendications 4 et 5, caractérisé en ce que le circuit de calcul analogique comprend un premier amplificateur opérationnel (46), à l'entrée inverseuse duquel est appliquée une tension (Un) représentant la vitesse de rotation, et à l'entrée noninverseuse duquel est appliquée une tension représentant la tension efficace du moteur (Ueff) et en ce que la sortie dudit premier amplificateur opérationnel est connectée à l'entrée inverseuse d'un second amplificateur opérationnel (52), dont l'entrée non-inverseuse reçoit une tension de référence ajustable, de telle manière que la sortie (A) dudit amplificateur (52) produise, lorsqu'un courant maximal ajustable du moteur est dépassé, un signal de réduction ou de coupure dudit courant.