Brevet FR2547129A1 — publié le 19841207

g$ 47129 La présente invention concerne un dispositif électronique pour la commande d'un moteur capacitif. Le terme "tmoteur capacitif" désignera par la suite tout dispositif comprenant deux électrodes mobiles 5 l'une par rapport à l'autre et séparées par un entrefer de manière à constituer un condensateur, les électrodes de ce condensateur recevant des charges développant des forces électrostatiques d'attraction ou de répulsion entre les électrodes. De tels moteurs capacitifs sont par exemple utilisés dans les dispositifs gyrométriques comme moteurs de précession pour exercer un couple de rappel sur une toupie pour ramener celle-ci vers sa position centrale La toupie constitue par exemple une électrode mobile reliée à la masse, des électrodes fixes étant prévues au voisinage de la toupie pour exercer sur celle-ci, par effet électrostatique, des forces orientées convenablement de manière à exercer un couple de rappel La charge reçue par les électrodes fixes est déterminée en fonction d'un signal de 20 consigne de force (ou de couple) obtenu à partir d'un signal de position indiquant l'écart angulaire de la toupie par rapport à sa position centrale. Un tel dispositif gyrométrique est par exemple décrit dans la demande française n 83-05464, au nom de la 25 demanderesse; les moteurs électrostatiques, outre leur rôle de moteurs de précession (application d'un couple de rappel à la toupie) jouent également un rôle de moteurs de sustentation (application d'une force axiale compensant le poids et éventuellement l'accélération de la toupie). 30 Jusqu'à présent, ces moteurs électrostatiques étaient commandés en les reliant, sous contrôle d'un asservissement, à une source de tension constante Un tel mode de commande a cependant pour inconvénient de développer une force dont la valeur dépend de l'entrefer et n'est donc pas constante dans le temps (le déplacement de l'électrode mobile produisant une modification de l'entre5 fer et donc de la valeur de la capacité du condensateur). En effet, la force est donnée par l'expression F = F ú S V, 2 e 2 V étant la tension appliquée entre les électrodes, S la surface en regard des électrodes,et 15 e l'entrefer. L'efficacité du moteur électrostatique n'est donc pas constante et dépend notamment de l'inclinaison de la toupie, dans le cas d'un moteur de précession pour gyromètre En outre, il n'est généralement pas possible de mesurer directement la force appliquée, et le dispo20 sitif ne se prête pas par lui-même à la mesure directe de l'entrefer; il est donc nécessaire de prévoir des moyens annexes de détection de position pour mesurer cette valeur. Pour remédier à ce dernier inconvénient, il a été proposé d'utiliser une source à courant constant, par exemple dans le FR- 2 421 385 qui décrit un moteur électrostatique de rappel pour un accéléromètre à masse pendulaire Dans ce cas, la valeur mesurée de la tension pré30 sente aux électrodes de rappel contient des informations relatives à la position de la masse pendulaire par rapport à sa position de repos. Cependant, l'inconvénient de la non-linéarité de la force de rappel demeure. L'invention propose de remédier à ces divers inconvénients grâce à une commande, non plus à tension ou intensité constante, mais à charge constante. En effet, dans ce cas la force développée est donnée par l'expression: Q 2 F = 2 c 05 Q étant la charge accumulée dans le condensa10 teur. On remarquera que cette expression ne fait plus intervenir la valeur e de l'entrefero Plus précisément, le dispositif de l'invention comprend: une source de tension continue appliquée entre les électrodes du condensateur, des moyens de mesure du courant résultant vers le condensateur, des moyens intégrateurs du courant ainsi mesuré, pour délivrer un signal représentatif de la quantité d'électricité accumulée dans le condensateur, des moyens comparateurs, pour délivrer un signal d'écart entre ce signal représentatif de la quantité d'électricité et un signal de référence fonction du signal de consigne 25 de force, des moyens d'asservissement, pour modifier la valeur de la tension continue délivrée par la source dans le sens de l'annulation du signal d'écart, de manière à conserver une quantité constante d'électricité accumulée dans le condensateur pendant toute la durée d'application de là tension continue, indépendamment des variations de capacité consécutives aux variations de l'entrefer. De préférence, le dispositif comprend en outre des moyens de mesure de la tension appliquée par la source entre les électrodes du condensateur, pour délivrer un signal de mesure proportionnel à la valeur de l'entrefer du condensateur. En effet, lorsqu'une charge est maintenue, la tension V présente aux bornes de l'électrode est donnée par Q V = -e Eo S La tension de commande V est directement proportionnelle à l'entrefer E et donc peut être utilisée comme 15 sicnal de détection de position (angulaire ou linéaire) dl l'électrode mobile. Dans un mode de raaiisation préférentiel, le condensateur est cycliquement chargé et déchargé, la charge étant réalisée par application de la 20 tension continue de la source pendant une durée variable, la valeur de la tension ainsi appliquée résultant d'un signal de référence constant, et la durée d'application de cette tension étant déterminée, par des moyens de commande temporelle, en fonction du signal de consigne de force. En effet, la charge de l'électrode n'est connue que par la mesure du courant de charge et son intégration. Compte tenu des fuites possibles, cette charge ne pourra être connue que pendant un court laps de temps C'est pourquoi on préfère adopter une commande à charge constante 30 en "tout ou rien", la modulation en fonction du signal de consigne de force étant réalisée en faisant varier la durée TM de maintien de la charge sur l'électrode Si l'on désigne par T la période du cycle de charge/décharge, l'expression de la force est donnée par F ( Q 2) T Eo S T Q étant la valeur de la charge (constante) o appliquée à l'électrode pendant la durée TMLa force est donc directement proportionnelle au taux de modulation du signal impulsionnel représentatif de la charge du condensateur Cette caractéristique 10 présente le double avantage de linéariser le facteur d'échelle et d'éviter une dérive à long terme, qui serait à craindre en cas d'application permanente d'une charge constante. De préférence, la décharge du condensateur est 15 réalisée par substitution au signal de référence constant d'un signal nul, l'instant de cette substitution étant déterminé par les moyens de commande temporelle. De cette manière, la charge réelle accumulée dans le condensateur est une image du signal de référence qui 20 a une forme impulsionnelle, d'abord constante puis nulle. Il peut être avantageux d'éliminer les effets des régimes transitoires de décharge et de charge du condensateur pour éviter les erreurs de mesure et de commande qui pourraient résulter des temps de montée en charge et 25 de décharge du condensateur. D'autre part, le dispositif de l'invention comprend des moyens de confirmation de décharge, déclenchés par les moyens de commande temporelle, pour court-circuiter le condensateur avec un retard par rapport à l'instant de substitution au signal constant de référence d'un signal nul, la durée de ce retard étant sensiblement égale à la durée moyenne du régime transitoire de décharge du condensateur nécessaire au retour à ses bornes d'une tension nulle. Il comprend également des moyens de mesure de la tension appliquée par la source entre les électrodes du condensateur, ces moyens de mesure restant inhibés, après le début de la période d'application de la tension 10 de la source, pendant une durée sensiblement égale à la durée moyenne du régime transitoire de montée en charge du condensateur nécessaire à l'établissement sur ses armatures d'une charge constante. On élimine ainsi l'incidence des flancs de montée et de descente de l'impulsion de charge dans le condensateur, pour procéder à la mesure de la tension (représentative de la valeur de l'entrefer) seulement lorsqu'un régime permanent est atteint, c'est-à-dire sur une impulsion parfaitement rectangulaire. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée ci-dessous, faite en référence aux figures annexées, sur lesquelles: la figure 1 est un schéma-bloc explicatif du 25 fonctionnement du dispositif de l'invention, la figure 2 représente un mode de réalisation correspondant au schéma de la figure 1, la figure 3 montre une série de chronogrammes de différents signaux du dispositif, la figure 4 indique schématiquement les différents éléments du circuit de commande temporelle indiqué figure 1. -47129 Sur la figure 1, le moteur électrostatique 10 comporte deux électrodes 11 et 12 séparées par un entrefer 13 de valeur e L'électrode 11 est par exemple fixe et reliée à la masse; l'électrode 12 est alors une élec5 trode mobile, à laquelle est appliquée une tension V 2 produite par une source 60. Le courant I passant de la source 60 à l'électrode 12 est mesuré par-un circuit 20, par exemple par mesure de la différence de potentiel V V aux bornes i 2 d'une résistance série 21 de valeur R. Le signal représentatif de l'intensité en sortie du circuit 20 est ensuite intégré par un circuit , de manière à déterminer la quantité d'électricité totale Q accumulée dans le condensateur sous l'effet de ce 15 courant. Cette valeur Q est ensuite comparée à une valeur de référence Q constante, produite par un circuit de o consigne de charge 40; cette comparaison est opérée dans un circuit 50 de manière à définir un signal d'écart pour 20 asservir la source 60 dans le sens de l'annulation de cet écart. De cette manière, la source est asservie de manière que la quantité d'électricité accumulée par le condensateur atteigne la valeur de référence Q et soit maintenue à cette valeur. Il est également prévu un circuit 70 de mesure de la tension atteinte, en régime permanent, aux bornes de la capacité, cette tension détectée permettant le calcul de l'entrefer e. Un circuit 100 de commande temporelle, piloté par une horloge 110, produit une série de signaux SA, SB, SC et SD pour piloter le dispositif de la manière qui sera décrite par la suite, et notamment commander un interrupteur 14 de confirmation de décharge permettant de courtcircuiter périodiquement le condensateur, et un interrupteur 41 permettant de substituer à la valeur Q de charge o de référence une valeur nulle pour déclencher la décharge du condensateur. La figure 2 montre plus précisément un mode de réalisation de l'ensemble de la figure 1, à l'exception du circuit de commande temporelle 100 qui sera décrit par 10 la suite figure 4 Le circuit de mesure de courant 20 comprend un amplificateur opérationnel 22 mesurant la tension aux bornes d'une résistance 21 en série avec le condensateur 10 Le signal de sortie de cet amplificateur alimente l'entrée inverseuse d'un amplificateur opéra15 tionnel 31 monté en intégrateur, formant le circuit 30 de détermination de charge Le signal en sortie de cet intégrateur est ensuite dirigé vers un étage 50 d'annulation d'erreurs comprenant un amplificateur opérationnel 51 monté en intégrateur Cet amplificateur reçoit également 20 le signal de consigne de charge Q produit par une source de tension stabilisée 40 et transmis à travers l'interrupteur 41. Le signal en sortie de l'amplificateur 51 pilote un amplificateur haute tension 60 comprenant un amplifi25 cateur opérationnel 61 agissant sur un circuit de pilotage 62 d'une paire de transistors complémentaires 63, 64 reliée à des tensions symétriques + VHT et VHT La tension au point milieu des deux transistors 63, 64 sert à alimenter en tension le condensateur 10. Outre le commutateur 41 précité d'annulation de la tension de référence de charge, commandé par un signal SA, il est également prévu un interrupteur 33 de remise à zéro de l'intégrateur 30 court-circuitant le condensateur 32 de cet étage, et commandé par un signal SB, ainsi qu'un interrupteur de confirmation de décharge court-circuitant les électrodes du moteur capacitif 10, par envoi d'une impulsion de commande SD. En outre, le signal de mesure SM représentant la tension aux bornes du moteur capacitif 10 est mesuré par un échantillonneur-bloqueur 70, déclenché par un signal SC; le signal SM' est le signal de mesure délivré sous le 10 contrôle de la porte de l'échantillonneur-bloqueur 70. On décrira maintenant le fonctionnement de ce circuit, en référence notamment à la figure 3 qui représente les chronogrammes des différents signaux mentionnés sur la figure 2. A l'instant to, le commutateur 41 (commandé par le signal SA) applique une tension constante représentative d'un signal de référence de charge Q à l'entrée de l'inté0 grateur d'annulation d'erreur 51 L'interrupteur est maintenu dans cette position pendant une durée TM, jusqu'à 20 un instant t Il va en résulter une montée en charge du moteur capacitif (le signal SM représente la tension aux bornes de celui-ci), la charge de consigne étant atteinte à un instant t, après une durée Tc correspondant à une période i transitoire de montée en charge du condensateur, et donc à une période transitoire de fonctionnement de la contreréaction de l'asservissement de la source. A l'instant t, le commutateur 41 bascule, substituant ainsi à la consigne de charge Q une consigne 30 nulle. La tension aux bornes du moteur capacitif va alors décroître jusqu'à atteindre une valeur nulle à un o instant t, la durée TD correspondant à la constante de temps de décharge du condensateur et à une période transitoire de fonctionnement de la contre-réaction d'asservissement de la source. La charge nulle étant ensuite maintenue jusqu'à un instant t, o le cycle recommence. Peu avant l'instant t, un signal SB d'ini5 tialisation de l'intégrateur 30 est émis à l'instant t Ce signal permet d'assurer la remise à zéro du circuit de cal10 cul de charge pilotant l'asservissement de la source. On remarquera par ailleurs que l'échantillonneurbloqueur est déclenché par un signal SC émis à l'instant t, donc avec un léger retard par rapport à l'instant t, I o ce qui permet d'éliminer les effets de la montée en charge 15 du condensateur (le signal résultant est représenté sur la ligne SM'; il est actualisé à l'instant tl). Enfin, on notera que le commutateur 14 de confirmation de décharge est commandé par un signal SD à l'instant t,donc avec un léger retard correspondant au temps de décharge du condensateur. La figure 4 représente schématiquement l'organisation du circuit de commande temporelle 100, sous la commande d'une horloge 110 synchronisant le fonctionnement de ces différents éléments. Ce circuit comporte tout d'abord un diviseur 120 alimenté par l'horloge et produisant un signal ST de période T alimentant un circuit 130 comportant un registre à décalage et une logique combinatoire pour produire les signaux SB et SC d'initialisation de l'intégrateur et de commande de l'échantillonneur-bloqueur, ainsi qu'un signal ST' permettant le chargement d'un circuit décompteur permettant la génération du signal SA sous la commande d'une mémoire verrouillée il contenant la valeur du taux de modulation définie en fonction du signal de consigne de force Cette mémoire peut être périodiquement rafraîchie (signal SR de déverrouillage), notamment en cas de modification de la consigne de force Le signal SD de confirmation de décharge est obtenu par décalage du signal SA dans un circuit 160. REVENDICATIONS 1 Un dispositif pour appliquer, en fonction d'un signal de consigne de force, une force à une électrode mobile d'un moteur capacitif ( 10) comprenant deux électrodes ( 11, 12) mobiles l'une par rapport à l'autre et séparées par un entrefer ( 13) de manière à constituer un condensateur, caractérisé en ce qu'il comprend une source ( 60) de tension continue appliquée entre les électrodes du condensateur des moyens ( 20) de mesure du courant résultant vers le 10 condensateur, o des moyens intégrateurs ( 30) du courant ainsi mesuré, pour délivrer un signal représentatif de la quantité d'électricité accumulée dans le condensateur, * des moyens comparateurs pour délivrer un signal d'écart entre ce signal représentatif de la quantité d'électricité et un signal de référence fonction du signal de consigne de force, des moyens d'asservissement ( 50) , pour modifier la valeur de la tension continue délivrée par la source dans le 20 sens de l'annulation du signal d'écart, de manière à conserver une quantité constante d'électricité accumulée dans le condensateur pendant toute la durée d'application de la tension continue, indépendamment des variations de capacité consécutives aux variations de l'entrefero 25 2 Un dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens de mesure de la tension ( 70) appliquée par la source entre les électrodes du condensateur, pour délivrer un signal de mesure proportionnel à la valeur de l'entrefer du conden30 sateur. 3 Un dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le condensateur est cycliquement chargé et déchargé, la charge étant réalisée par application de la tension continue de la source pendant une durée (TM) variable, la valeur de la tension ainsi appli5 quée résultant d'un signal de référence constant (Q 0), et la durée d'application de cette tension étant déterminée, par des moyens de commande temporelle ( 100), en fonction du signal de consigne de force. 4 Un dispositif selon la revendication 3, 10 caractérisé en ce que la décharge du condensateur est réalisée par substitution au signal de référenceconstant d'un signal nul, l'instant de cette substitution étant déterminé par les moyens de commande temporelle. Un dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comprend également des moyens de confirmation de décharge ( 14), déclenchés par les moyens de commande temporelle, pour court-circuiter le condensateur avec un retard par rapport à l'instant de substitution au signal constant de référence d'un signal nul, la 20 durée de ce retard (Td) étant sensiblement égale à la durée moyenne du régime transitoire de décharge du condensateur nécessaire au retour à ses bornes d'une tension nulle. 6 Un dispositif selon l'une des revendications 25 3 et 5, caractérisé en ce qu'il comprend également des moyens de mesure de la tension appliquée par la source entre les électrodes du condensateur, ces moyens de mesure restant inhibés, après le début de la période d'application de la tension de la source, pendant une durée (T c) sensible30 ment égale à la durée moyenne du régime transitoire de montée en charge du condensateur nécessaire à l'établissement sur ses armatures d'une charge constante.