Brevet FR2530891A1 — publié le 19840127

La présente invention se rapporte à un circuit pour l'entraînement de la bobine du stator d'un moteur pas à pas, et plus particulièrement pour appliquer deux amplitudes d'un courant bipolaire d'attaque ou d'entraîne- ment, à la bobine selon les conditions de couple instan- tané du moteur. Typiquement, les bobines de stator de moteurs bipolaires pas à pas sont entraînées par des ponts ampli- ficateurs qui commutent efficacement la polarité d'un potentiel d'alimentation à travers la bobine Ces circuits nécessitent au moins quatre transistors d'attaque pour accomplir la commutation requise De plus, afin de changer l'amplitude dû courant de-la bobine, par exemple lorsque le moteur est en mode de maintien en opposition à un mode d'entraînement, un certain moyen doit être prévu pour modifier le potentiel d'entraînement, modifier l'impédance d'entraînement ou tronquer le signal d'entraînement pour produire des paramètres d'entraînement "moyen" pouvant être choisis et autres Un circuit pour permettre un tel ajustement du courant de la bobine complique usuellement le système, ajoute à son prix, ajoute à la masse du système et ajoute à l'énergie dissipée par le circuit d'attaque ou d'entraînement. Certaines applications du moteur pas à pas nécessitent que le moteur fonctionne en mode de couple élevé pendant des intervalles relativement courts avec la partie majeure de son fonctionnement étant celle d'une avance pas à pas à une allure lente, donc les demandes en courant de la bobine sont principalement des courants de maintien Par exemple, dans un tourne-vidéodisque, un moteur pas à pas peut être utilisé pour entraîner un chariot qui porte le transducteur de restitution du signal enregistré Au début de la restitution, il est souhaitable que le chariot se déplace rapidement pour chercher le début de la piste enregistrée sur le disque L'allure d'avance du moteur peut être à 300 échelons par seconde, c'est-àdire que le moteur doit fonctionner à un couple élevé Cependant, pendant une restitution normale, le chariot doit se déplacer lentement selon le transducteur qui suit la piste du disque Dans ce mode, le moteur peut avancer à 1-2 échelons Dar seconde, et fonctionnera en mods de faible couple. En général, le moteur et le circuit d'entraînement du rnoteur peuvent être surentraînés pendant de courts intervalles sans les endommager Ainsi, par exemple un moteur de 6 volts peut être excité à 20 volts pendant des périodes de temps trop courtes pour provoquer un échauffe- ment Le présent inventeur a utilisé avantageusement cette caractéristique pour concevoir un circuit d'entraînement d'un moteur bipolaire pas à pas qui produit un couple élevé pour des allures particulières, une faible valeur de courant de maintien et qui est moins compliqué et moins coûteux que des circuits d'entra nement conventionnels à pont ayant des caractéristiques semblables d'entraînement. La présente invention, pour l'entraînement d'une bobine de stator d'un moteur pas à pas, comprend deux commutateurs qui sont connectés à une borne de la bobine pour appliquer alternativement un potentiel d'alimentation relativement positif ou relativement négatif La seconde borne de la bobine est connectée en série à des première et seconde résistances dont les autres extrémités respec- tives sont connectées respectivement aux potentiels relati- vement positif et relativement négatif d'alimentation. La seconde extrémité de la bobine est également connectée en série à un condensateur, dont l'autre extrémité est reliée à l'un des potentiels d'alimentation. Les commutateurs sont sélectivement fermés (progressant) pour déterminer la direction de l'écoulement de courant dans la bobine A des allures élevées d'avance, le condensateur détourne le courant à travers la bobine de la borne d'alimentation à la masse et à d'autres phases des commutateurs, des sources (comme une batterie) ramènent le courant à travers la bobine vers la masse, le courant dans la bobine étant limité uniquement par l'impédance d'entraînement des commutateurs et la résistance inhérente de la bobine Comme le moteur pas à pas est surentraîné, il peut produire un couple moyen relativement élevé A des allures lentes, quand un commutateur donné est fermé, le condensateur agit initialement comme un court-circuit faisant passer une impulsion de courant relativement élevé à travers la bobine Le courant dans la bobine charge finalement le condensateur, cela réduit le potentiel dans la bobine et ainsi le courant conduit dans la bobine. Quand le condensateur est chargé, tout autre courant dans la bobine est appliqué par l'une des deux résistances et le courant dans la bobine est limité au courant de maintien souhaité. L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement au cours de la description explicative qui va suivre faite en référence aux dessins schématiques annexés donnés uniquement à titre d'exemple illustrant plusieurs modes de réalisation de l'invention et dans lesquels la figure 1 est un schéma du circuit d'entraîne- ment de la bobine d'un moteur pas à pas selon l'invention; les figures 2 et 3 sont des schémas de circuits -électroniques que l'on peut utiliser pour réaliser le commutateur SI de la figure 1; et les figures 4 et 5 sont des schémas des temps du courant dans la bobine pour le circuit de la figure 1 opérant à des allures rapide et lente d'avance respecti- vement. Le circuit illustré sur la figure 1 est un agencement d'entraînement pour une phase d'un moteur bipolaire pas à pas Typiquement, ce type de-moteur pas à pas aura deux phases et par conséquent, deux de ces circuits seront requis pour exciter le moteur Les deux phases seront généralement excitées avec une relation de phase de degrés. Sur la figure 1, une première extrémité 20 de la bobine du moteur pas à pas est connectée à un bus 30 de- potentiel d'alimentation relativement positif par une résistance Rl de 1, lk Ohm et est connectée à un bus d'alimentation relativement négatif 40 par une résistance R 2 de 1,lk Ohm Un condensateur Cl de 100 microfarads est couplé entre la première extrémité 20 de la bobine et le - bus d'alimentation 40 La seconde extrémité 10 de la bobine est connectée au pôle d'un interrupteur va-et-vient SI, dont les contacts sont connectésaux bus positif ( 30) et négatif ( 40) d'alimentation. Le fonctionnement du circuit de la figure 1 se passe comme suit On suppose que la bobine du moteur pas à pas a une résistance interne de 30 ohms et une inductance de 40 millihenrys On suppose de plus que la valeur du courant de maintien pour l'application particulière du moteur est faible, c'est-à-dire d'environ 20 milliampères et qu'au début du cycle, la borne 10 est connectée à la masse ( 40) et que le condensateur-C 1 est déchargé Au temps t O (figure 5), le commutateur SI relie la borne 10 à l'alimentation à 20 volts Le condensateur C, étant important, représente essentiellement un court-circuit vers la masse par rapport à la tension d'entrée de fonction d'avance à travers la connexion en série de la bobine et du condensateur L'allure initiale d'augmentation de courant di/dt est réglée par l'inductance L de la bobine et elle est donnée approximativement par di/dt V/L. Le courant maximum possible s'approche de V/R o V est la tension appliquée et R est la résistance de la bobine. Peu après avoir atteint la valeur de crête, le courant dans la bobine commence à diminuer avec une constante de temps T = Rc CI tandis que le condensateur Cl se charge vers le potentiel VR 2/(R 2 + R 0) qui est le potentiel à l'équilibre à la borne 20, établi par le pont diviseur résistif formé de Rc et R 2 à travers V volts (il faut noter que la résistance RI est ignorée pour déterminer le potentiel à l'équilibre parce qu'elle est bien plus importante que R-) Quand le potentiel à l'équilibre est atteint à la borne 20, le courant dans la bobine est déterminé sensiblement par la résistance R 2 Cette valeur du courant est le courant de maintien et R 2 est choisie pour produire suffisamment de courant dans les enroulements du stator pour maintenir le rotor fixe dans l'application particulière Dans le circuit représenté, le courant de maintien est d'environ 18 m A. Il faut noter, en se référant à la figure 5, que comme la puissance est proportionnelle au courant, et comme le courant de crête est conduit pendant une partie propor- tionnellement courte d'un cycle d'avance pas à pas, le circuit dissipe relativement peu de puissance moyenne par avance (c'est-à-dire 20 V x 18 m A ou 360 m V pour environ 13 W pour un courant continu de crête). Pour l'avance négative, le commutateur SI relie la borne 10 à la masse et le condensateur Cl, qui a été chargé sensiblement au potentiel V du rail positif, fonctionne initialement comme une batterie pour fournir du courant en direction opposée à travers la bobine. L'impulsion initiale de courant négatif atteint une amplitude qui est à peu près égale à l'impulsion positive ci-dessus décrite pour diminuer ensuite a une constante de temps t: = Rc Cl jusqu'à ce que le potentiel au condensa- teur atteigne la valeur d'équilibre de VR c/(RI + Rc). A ce potentiel, le courant de maintien est entretenu dans la bobine par la résistance Ri à une valeur d'environ 18 m A dans le circuit illustré A la lecture de l'analyse qui précède et en considérant la forme d'onde de la figure 5, on peut voir que le circuit applique un courant d'entraîne- zo ment bipolaire sensiblement symétrique à la bobine du stator. En mode d'avance rapide ou de couple élevé, le courant de maintien doit être considérablement plus impor- tant que celui en mode d'avance lente, pour que l'inertie de l'élément entraîné ne fasse pas tourner les pôles du rotor au-delà des bobines du stator et à un état o la position du rotor n'est pas précisément contrôlée par les impulsions d'avance pas à pas Le courant important de maintien est obtenu en concevant le circuit de façcon que la bobine soit entraînée avec des surtensions et que le courant de la bobine soit toujours croissant à la fin de la période d'avance Malgré le fait que le courant dans la bobine n'a pas atteint sa valeur maximum à la fin de La priode d'avance ou d'un pas, c'est-à-dire l'amplitude maximum qui peut être atteinte en mode d'allure lente, il aura atteint une valeur supérieure à la valeur du courant recommandée pour entralner la bobine La commuta- tion avant q-ue le courant n'atteigne son maximum a pour e-_Let que le courant de maintien est en fait plus important que le courant d'entrarnement, ce qui tend à garantir tun contrôle plus précis de la position du rotor Il faut cependant se rappeler, lorsque des surtensions sont utilisées pour produire le courant requis moyen de maintien, que le fonctionnement à l'allure rapide ne peut être entretenu pendant des périodes importantes de temps ou bien que le moteur sera surchauffé La forme d'onde du courant dans la bobine en fonction du temps que l'on peut voir sur la figure 4 montre ce mode de fonctionnement, le courant d'entrée étant indiqué à la partie en créneau et le courant dans la bobine sur l'autre courbe, et il en est de même pour la figure 5. Il faut noter que pour des situations o le moteur est surent-rainé, des paramètres du circuit peuvent également être choisis qui conditionnent le circuit de la bobine pour obtenir sa valeur de courant -aximum pendant une période d'avance ou de pas en laissant en fait suffisamment de temps pour que le courant commence à diminuer IMême une diminution relativement importante pendant la période d'avance, par exemple 30 o, peut être tolérée à condition que le courant "moyen" sur la période d'avance soit suffisant pour garantir le contrôle du rotor, c'est-à-dire la position du rotor ou le synchronisme rotor-stator à l'allure particulière Il faut noter qu'il peut y avoir des allures entre l'allure de 300 avances ou pas par seconde et l'allure lente o le courant moyen de maintien sera insuffisant pour contrôler l'inertie de l'élément mené-ou entraîné. La figure 2 montre un commutateur électronique qui peut remplacer le commutateur SI de la figure 1 Le circuit de la figure 2 est un inverseur comprenant la connexion en série de transistors à effet de champ complémentaires Dans le circuit, un transistor Pl en mode d'enrichissement du type p est connecté entre le potentiel positif d'alimentation et la borne de sortie 10 ' à laquelle est connectée la seconde borne de la bobine. Un transistor NI en mode d'enrichissement du type N est connecté entre le potentiel relativement négatif d'alimen- tation et la borne de sortie 10; Les électrodes de commande des deux transistors Pl et NI sont connectées à la borne d'entrée o sont appliquées les impulsions de commande de pas ou d'avance Quand un potentiel de commande ou de contrôle relativement positif est appliqué à la borne d'entrée, le transistor NI est conducteur en mode-de source commune reliant la borne 10 ' à la borne d'alimenta- tion relativement négative par une impédance drain-source relativement faible Alternativement, quand un potentiel de commande relativement faible est appliqué à la borne d'entrée, le transistor Pl est conducteur en mode de source commune reliant la borne 10 ' au potentiel relative- ment podtif d'alimentation par une impédance drain-source relativement faible Quand les impulsions de commande d'entrée oscillent entre les potentiels d'alimentation relativement positif et relativement négatif, les deux transistors sont conducteurs de façon alternées le transistor ouvert ou non conducteur présentant une forte impédance ( 105 ohms ou plus) à la borne de sortie Ainsi, le circuit de la figure 2 fonctionne comme un interrupteur électronique à va-et-vient. Le circuit de la figure 3 est un autre remplace- ment électronique du commutateur Si Sur la figure 3, un potentiel positif appliqué à la base-du transistor QI conditionne le transistor QI pour être conducteur d'un courant d'abaissement de la borne de sortie 10 " à travers la diode Dl Le courant conduit dans la diode Dl y développe un potentiel qui est imprimé aux électrodes base-émetteur du transistor Q 2 du type npn, polarisant en inverse la jonction bas-émetteur du transistor Q 2 pour le maintenir à un état non conducteur Le potentiel au collecteur du transistor Q 2 est maintenu au potentiel positif de l'alimentation par la résistance R 4 mettant également le transistor Q 3 du type pnp hors de conduction. Un potentiel relativement négatif appliqué à la base du transistor QI le met à un état non conducteur. Le potentiel au collecteur du transistor Qi est élevé pour fournir du potentiel par la résistance de collecteur R 3 qui est connectée à l'alimentation positive Le fort potentiel au collecteur du transistor Ql met le transis- tor Q 2 en conduction pour appliquer un courant d'émetteur à la borne 10 " Quand le transistor Q 2 est conducteur, il tire du courant de base du transistor Q 3 du type pnp, mettant le transistor Q 3 en conduction en mode d'émetteur commun, couplant la borne 10 " au potentiel d'alimentation relativement positif par le circuit collecteur-émetteur de Q 3 Ainsi, le circuit de la figure 3 peut simuler' un interrupteur à va- et-vient, commandé par les impulsions de potentiel qui sont appliquées à la base du transistor QI. Les transistors choisis pour une utilisation dans les circuits des figures 2 et 3 peuvent en général être calibrés (par rapport à la dissipation de puissance) pour les conditions d'entra Inement en mode d'avance lente. Typiquement, de tels dispositifs peuvent être surentrainés pendant de courtes périodes de temps (comme pendant de courtes périodes de fonctionnement en mode d'avance rapide) sans les endommager Comme les conditions de puissance en mode d'avance lente sont faibles, le circuit peut être réalisé avec des éléments non coûteux Quand le commutateur est réalisé avec l'agencement de la figure 2, un entra Inement en courant bipolaire est obtenu avec seulement deux transistors Cela représente une autre économie en termes du nombre réduit de pièces par rapport au circuit d'entraînement bipolaire du type en pont typique à quatre transistors. R E V E N D I C A T I O NS 1. Circuit pour appliquer un entraînement bipolaire à un enroulement d'un moteur, ledit enroulement ayant des première et seconde bornes, caractérisé par: des première ( 30) et seconde ( 40) bornes d'alimentation pour appliquer respectivement des potentiels d'alimentation relativement positif et relativement négatif; un moyen de commutation ( 51) pour coupler alternativement ladite première borne ( 10) de l'enroulement auxdites première et seconde bornes d'alimentation; des premier et second moyens d'impédance en courant continu (R 1 et R 2), respectivement connectés entre les première et seconde bornes d'alimentation et la seconde borne de l'enroulement ( 20); et un condensateur (Cl) connecté entre la seconde borne de l'enroulement et un point de potentiel fixe. 2. Circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen de commutation précité est un interrupteur à va-et-vient dont le pôle est connecté à la première borne de l'enroulement et dont les premier et second contacts sont respectivement connectés aux première et seconde bornes d'alimentation précitéeso 3. Circuit selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'interrupteur à va-et-vient est réalisé avec un circuit contenant des premier et second transistors ayant des trajets respectifs de conduction qui sont respectivement couplés entre les première et seconde bornes d'alimentation et la première borne de l'enroulement et conditionnés pour être conducteurs de façon alternée. 4. Circuit selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les premier et second moyens d'impédance en courant continu sont des première et seconde résistances.