Brevet FR2529674A1 — publié le 19840106

La présente invention concerne un procédé de mesure des caractéristiques dynamiques d'un système tournant, ainsi qu'une installation pour sa mise en oeuvre. Par "caractéristiques dynamiques", on entendra tout d'abord la vitesse angulaireoc' et l'accélération angulaire " ; on verra que le procédé de l'invention permet également la mesure du moment d'inertie J des masses tournantes et le couple moteur T exercé ; ces différentes paramètres sont en effet tous interdépendants, et la mesure de l'un permet facilement de déterminer la valeur de l'autre. Par ailleurs, bien que la présente description se réfère plus précisément au relevé des caractéristiques d'un moteur, et notamment d'un moteur électrique, cette application est donnée sans caractère limitatif, et d'autres types de systemes tournants peuvent être étudiés par le procédé de l'invention, notamment les moteurs thermiques, les éoliennes ou les chaines de régulation dans lesquelles deux moteurs à courant continu sont accouplés l'un à l'autre. On peut aussi étudier les réactions d'un système tournant asservi dynamique en fonctionnement. Il est également possible d'étudier des systèmes tournants passifs, par exemple de mesurer leur moment d'inertie avec une grande précision : il suffit pour cela d'accoupler le système à un moteur de caractéristiques parfaitement connues et de faire les mesures sur l'ensemble moteur-système passif. Enfin, le procédé s'applique à l'étude de systèmes aussi bien en rotation cotninue qu'en rotation alternative, c'est-à-dire animés d'un mouvement pendulaire. Lorsque l'on désire, par exemple, relever la caractéristique couple moteur/vitesse de rotation d'un moteur électrique, on opère jusqu'à present en couplant le moteur à un frein ou à une génératrice, puis en relevant point par point la partie de la caractéristique comprise entre le fonctionnement à vide et le fonctionnement à couple maximal. Cette méthode est longue ; elle présente un danger d'échauffement des moteurs pour les couples élevés et ne permet de relever que la caractéristique comprise entre la vitesse nulle et la vitesse correspondant au couple maximal.On peut aussi opérer en faisant démarrer à vide le moteur ; pendant cette brève phase transitoire (quelques dizaines de millisecondes à quelques dizaines de secondes), le couple n'est pas mesurable à chaque instant, mais il est proportionnel à l'accele- ration (relation T J. "), cette accélération étant obtenue par dérivation de la vitesse angulaire o('. - Un premier moyen de réaliser cette dérivation est d'utiliser des circuits de calcul analogique : un codeur angulaire fournit des impulsipns de fréquence proportionnele à la vitesse angulaire ; la fréquence est convertie en une tension proportionnelle, qui est appliquée à un ensemble d'amplificateurs operationnels effectuant la dérivation : on obtient donc à la fois une grandeur proportionnelle à ' ' et une -grandeur proportionnelle à o( ", qui peuvent attaquer directement un dispositif d'affichage ou de visualisation, tel que par exemple un oscilloscope à mémoire ou une table traçante. Cette méthode est cependant tres imprécise, notamment quand la vitesse du moteur se rapproche de sa valeur maximale, c'est-à-dire quand l'accélération est faible. Or c'est justement cette partie de la caractéristique (couple au voisinage de la vitesse maximale à vide) qui est la plus intéressante. Par ailleurs, la sensibilité au bruit est importante. Un autre inconvénient, lorsqu'une table traçante est utilisée, vient de l'inévitable inertie mécanique de celle-ci : le tracé est en effet réalisé en quelques dizaines ou centaines de millisecondes, au plus quelques secondes, ce qui est trop rapide pour la table traçante. On peut augmenter le temps de démarrage, par exemple par un essai sous tension réduite, mais les imprécisions précitées demeurent. En outre, les systèmes analogiques provoquent un phénomène de lissage qui masque les phénomènes d'oscillation rapide de la vites-se et de l'accélération. I1 est également possible de remplacer la dérivation analogique par une différenciation numérique qui restitue les mesures sans lissage. Les résultats sont meilleurs, mais le fait que mesures, calculs et tracé sont réalisés simultanément en un laps de temps très réduit limite la précision maximale et ne résout que partiellement les inconvénients antérieurs. Au contraire, l'invention propose de dissocier les opérations de mesure, détermination des caractéristiques et tracé de la courbe ou exploitation des paramètres calculés. A cette fin, le procédé comporte les étapes de : mesure échantillcnnée de la vitesse angulaire du système ; mémorisation des échantillons ainsi obtenus dans un étage tampon ; determination des caractéristiques dynamiques du systeme à partir des échantillons mémorisés exploitation des caractéristiques ainsi déterminées. La séparation des mesures, d'une part, et des calculs de couple ou d'accélération, d'autre part,permet par exemple de multiplier à volonté le nombre de mesures sans être limité par la vitesse de calcul ; les seules limites sont d'abord la vitesse de transfert des échan tillons dans l'étage tampon, qui peut être très élevée, ensuite la capacité de stockage de la mémoire, et enfin la résolution des- moyens de mesure de la vitesse, avantageusement constitués d'un codeur angulaire, de préférence optique : la résolution de tels codeurs peut atteindre 10000 traits par tour, ce qui permet de réduire la durée d'une mesure (inversement proportionnelle au nombre de traits) et ainsi d'augmenter le nombre total de ces mesures, donc la précision finale. Egalement selon l'invention, les caractéristiques déterminées sont, avant exploitation, mémorisées dans un étage tampon. Ceci permet de dissocier les fonctions de calcul et d'exploitation (par exemple par visualisation) , cette exploitation pouvant se faire ultérieurement et avec une vitesse réduite d'exploration de l'étage tampon : on peut ainsi commander une table traçante avec une grande précision. On peut également explorer cycliquement l'étage tampon, par exemple pour tracer une courbe sur un oscilloscope non pourvu d'un ecran à mémoire. De préférence, le procédé comporte une étape préalable au cours de laquelle on mesure la vitesse maximale du système, en vue de déterminer le nombre optimal des points de mesure ou déterminer la durée totale de la mesure et la période d'échantillonnage. L'installation pour la mise en oeuvre du procédé comporte : des moyens de mesure, de numérisation et d'échantillonnage de la vitesse angulaire du système tournant ; un étage tampon de mémorisation des échan tillons ainsi obtenus des des moyens de calcul et de commande ainsi que des moyens d'exploitation des caractéristiques calculées. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée d'un exemple de mise en oeuvre du procédé de l'invention. Dans cet exemple, non limitatif, le procédé est employé pour déterminer d'une manière continue la valeur du couple d'un moteur électrique en fonction de sa vitesse angulaire et tracer la courbe couple/vitesse correspondante. La description qui suit est faite en référence aux figures annexées sur lesquelles la figure 1 est une vue schématique de l'installation pour la mise en oeuvre de l'invention la figure 2 est un diagramme montrant l'enchaînement des étapes de la phase préalable de détermination des conditions de mesure la figure 3 est un diagramme montrant l'enchaînement des étapes de la phase de mesure et de calcul la figure 4 est un diagramme montrant l9enchalne- ment des étapes de la phase d'exploitation des résultats calculés. L'installation schématisée figure 1 comporte un moteur M sur l'arbre duquel est couplé un codeur angulaire CA qui délivre des impulsions à un circuit MF de mise en forme en sortie duquel est placé un convertisseur analogique/numérique CAN. Les données numérisées sont mémorisées dans une mémoire vive MV d'un calculateur C ce calculateur comporte également une mémoire morte MM, et il est relié à des moyens de visualisation V tels qu'une table traçante ou un oscilloscope. Il peut également être relié à un ordinateur. Le codeur angulaire est de préférence un codeur optique, par exemple constitué d'un photo-coupleur placé en regard d'un disque pourvu sur toute sa circonférence de traits équidistants ; lors du passage d'un trait devant la cellule du photo-coupleur, celui-ci délivre une impulsion. On peut utiliser de tels codeurs angulaires comportant jusqu'à 10000 traits par tour. Ce type de codeur a été choisi de préférence à une dynanotachymétrique, qui fournit une tension proportionnelle à la vitesse du moteur,mais délivre, de par sa conception, une tension comportant des ondulations lorsque l'on dérive cette tension pour obtenir l'accélération, on obtient un résultat relativement imprécis. La détermination de la vitesse est opérée par comptage des impulsions délivrées par le codeur angulaire. De préférence, on compte le nombre (variable) d'impulsions fournies au cours d'une durée déterminée (fixe). Cette méthode a été choisie de préférence à la methode qui consiste à compter un nombre fixé d'impulsions pour obtenir un temps de comptage inversement proportionnel à la vitesse cette dernière méthode donne en effet une bonne précision en début de mesure, mais cette précision décroît en fin de courbe ; or c'est cette portion de la caractéristique qui est la plus intéressante. Pour obtenir une précision suffisante à cet endroit, il serait nécessaire de compter un nombre important d'impulsions pendant un temps très court (notamment pour les moteurs rapides), ce qui amènerait à travailler avec une fréquence d'horloge très élevée. Le procédé de mesure comprend une phase préalable de détermination des conditions de mesure, une phase de mesure et de calcul, ainsi qu'une phase d'exploitation des valeurs calculées. Ces trois phases peuvent être exécutées séparément ; elles peuvent également s'enchainer automatiquement ou avec validation de l'opérateur entre chaque phase. La phase préalable est propre au moteur utilisé , il n'est pas nécessaire de la répéter si l'on exécute une série de mesures sur des moteurs d'un même type les résultats obtenus lors de cette phase préalable peuvent alors être mémorisés pour l'exécution des séries de mesures. Au cours de la phase préalable, schématisée figure 2, on va déterminer d'une part le nombre de mesures à effectuer (nombre de points de mesure), d'autre part l'intervalle entre deux mesures (période d'échantillonnage). Le moteur est tout d'abord mis en route, et l'on attend qu'il atteigne la vitesse maximale. La détection de cette vitesse maximale est obtenue en effectuant des mesures successives dont on compare les valeurs. Pour accroître la précision, on peut introduire dans le calculateur une valeur approximative de cette vitesse maximale. Cette donnée permet au calculateur de centrer la mesure de vitesse sur une zone plus étroite, et ainsi d'en améliorer la précision. Une fois la vitesse maximale déterminée et mémorisée, le moteur est arrêté automatiquement1 puis se remet automatiquement en route et on compte le temps nécessaire pour atteindre précisément la vitesse maximale qui vient d'être mesurée. Cette durée, qui constitue le temps de démarrage, correspondra à la durée totale des mesures ultérieures. A partir de cette donnée, et compte tenu de la valeur de la vitesse maximale, le calculateur détermine le nombre de points de mesure et la période d'échantillonna- ge. La phase préalable est alors terminée. La figure 3 se réfere à la phase de mesure et de calcul proprement dite. Bien que les deux étapes de mesure et de calcul soient enchaînées, il est possible de les effectuer séparément, les résultats des mesures étant de toute façon conservés dans un étage tampon. La mesure s'effectue de façon classique par échantillonnage, le nombre de mesures à effectuer et la période d'échantillonnage ayant été déterminéé lors de la phase précédente Comme le procédé de l'invention permet de réaliser un grand nombre de mesures successives, il est avantageux d'effectuer un certain lissage des carac téristiques obtenues en moyennant une pluralité de valeurs mesurées successives. Une mesure de vitesse peut être ainsi par exemple la moyenne de 16 échantillons successifs. Les accélérations sont calculées par différen ciation des valeurs successives de vitesse ; les couples sont obtenus en mesurant ces valeurs d'accélération par le moment d'inertie de la pièce tournante dont la valeur aura été préalablement mémorisée dans la mémoire du calculateur. La figure 4 représente un exemple dsexploitation des résultats calculés au cours de la phase précédente : cette exploitation peut être par exemple une visualisation sur un oscilloscope : le calculateur balaie alors périodiquement la mémoire contenant les résultats et transforme ceux-ci en tensions analogiques introduites dans l'oscillos- cope. L'affichage peut également être réalisé sur une table traçante ; dans l-'un et l'autre cas, le calculateur peut être programmé pour réaliser, de manière connue, la mise à l'échelle des résultats et le tracé d'un certain nombre de graduations, en abscisse et en ordonnée, sur la feuille de la table traçante, sur l'écran de -l'oscillos- cope, sur imprimante ou écran de visualisation d'ordinateur. Une fois les resultats exploités, on peut enchaîner, selon le cas, soit une nouvelle phase préalable (si la mesure suivante porte sur un autre type de moteur) ou une autre phase de mesure et de calcul (si le moteur est du même type), les conditions de mesure étant alors dans ce dernier cas conservées en mémoire. Bien entendu, le présent exemple n'est donné qu'à titre indicatif et l'invention s'etend à toutes les variantes conformes à son esprit. REVENDICATIONS 1. Procédé de mesure des caractéristiques dynamiques d'un système tournant, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes de mesure échantillonnée de la vitesse angulaire du systeme, mémorisation des échantillons ainsi obtenus dans un étage tampon, détermination des caractéristiques dynamiques du système à partir des échantillons mémorisés, exploitation des caractéristiques ainsi déterminées. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les caractéristiques déterminées sont, avant exploitation, également mémorisées dans un étage tampon. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il comporte une étape préalable de mesure de la vitesse maximale du système et de détermination du nombre de points de mesure. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la mesure de la vitesse est faite par comptage du nombre variable d'impulsions fournies par un codeur angulaire solidaire du système tournant, au cours d'une durée fixe déterminée au plus égale à la période d'échantillonnage. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que chaque échantillon de la vitesse est obtenu en moyennant une pluralité de valeurs relevées au cours de la période d'échantillonnage. 6. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que, au cours de l'étape préalable, on détermine également la durée totale de la mesure et la période d'échantillonnage. 7. Installation pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens de mesure, de numérisation et d'échantillonnage de la vitesse angulaire du système tournant (M), un étage tampon (MV) de mémorisation des échantillons ainsi obtenus, des moyens (C) de calcul et de commande, des moyens (V) d'exploitation des caractéristiques calculées. 8. Installation selon la revendication 7, caractérisée en ce qu'elle comporte également un étage tampon de mémorisation des caractéristiques dynamiques déterminées par les moyens de calcul. 9. Installation selon l'une des revendications 7 et 8, caractérisée en ce que les moyens de mesure comportent un codeur angulaire (CA) délivrant les impulsions, ainsi qu'un circuit (MF) de mise en forme des impulsions ainsi délivrées. 10. Installation selon l'une des revendications 7 à 9, caractérisée en ce que les moyens d'exploitation comportent une table traçante dont la mise à l'échelle et la commande sont réalisées par les moyens de calcul et de commande. 11. Installation selon l'une des revendications 7 à 9, caractérisée en ce que les moyens d'exploitation comprennent un ordinateur pour la mémorisation et le traitement des caractéristiques calculées.