Brevet FR2536605A1 — publié le 19840525

La présente invention concerne un circuit de commutation à connexions en croix pour produire une com- mande à courant biphasé de moteur bipolaire sans balais, ainsi qu'un moteur sans balais comportant ce circuit de commutation. L'invention procure un circuit de commutation pour-produire-une commande à courant biphasé pour un mo - teur bipolaire sans balais qui comporte quatre lignes de sortie, deux jeux ou séries de quatre transistors de com- mutation à connexion en croix connectés pour relier une source d'alimentation aux quatre lignes de sortie, deux des transistors de commutation correspondants étant con- nectés à chaque ligne de sortie et deux des transistors de commutationcorrespondants étant commandés par un tran- gistor de commande correspondant. On décrira ci-après de façon détaillée, à titre d'exemple, une forme de réalisation de l'invention à laquelle la préférence est accordée, en se référant aux dessins annexes, dans lesquels: les figures 1 A et'l B représentent respectivement les for- mes de signaux pour un moteur bipolaire à courant b 4 phasé et-pour un moteur unipolaire à courant biphasé; les figures 2 A et 2 B représentent respectivement sous for- me schématique la disposition d'enroulements de champs bi- phases pour un moteur bipolaire à courant biphasé et le champ magnétique tournant tel qu'il se présente lorsqu'il est excité par des courants biphasés; la figure 3 représente sous forme schématique une vue en coupe transversale d'un moteur bipolaire à courant bipha- sé tel que celui-ci se présente à divers moments d'un cy- cle; les figures 4 A et 4 B représentent sous forme schématique un circuit de commutation à connexions en croix pour pro- duire une commande à courant biphasé pour un moteur bipo- laire qui fait l'objet de la présente invention, et les figures 5 A, 5 B et 5 C représentent sous forme schémati- que un agencement pour la commande asynchrone du moteur en boucle fermée, et les figures 6 à 10 sont des diagrammes illustrant le fonc- tionnement du circuit suivant l'invention. L'invention concerne un moteur à courant conti- nu sans balais Les systèmes de commande classiques pour les moteurs à courant continu sans balais et pour les mo- teurs pas à pas dans lesquels on utilise un circuit de commande unipolaire produisant des formes d'ondes de cou- rant du type de celles qui sont représentées sur la figu- re l B, circuit-dans lequel-le courant ne passe que dans un seul sens, sont simples et économiques Mais les in- convénients que présente ce circuit de commande unipolai- re sont le faible rehdement de son enroulement de champ, en fluctuation importante et les oscillations qut-en ré- sultent et le temps de réponse lent De plus; un courant d'excitation multiphasé est nécessaire. Toutefois, les formes d'ondes de courant du ty- pe de celles qui sont représentées sur la figure 1 A et qui sont produites par un circuit de commande bipolaire dans lequel le passage du courant dans les enroulements est birectionnel donnent des enroulements de haut rende- ment, qui présentent des caractéristiques de bonne perfor- mance P Our l'obtention de ces caractéristiques de comman- de, des systèmes de commande compliqués sont nécessaires. Ci-dessous, on va décrire un circuit de commu- tation économique et son circuit logique de commande produisant les caractéristiques de courant qui sont in- diquées sur la figure l B représentant un haut degré de performance, circuits qui permettent d'obtenir une com- mande de moteur asynchrone dans un système de commande en boucle fermée et une commande synchrone dans un systé- mg de commande en boucle ouverte avec auto-démarrage. C'est pourquoi le réglage complexe qui était impossible dans le cas d'une commande de moteur classique peut être obtenu dans un-moteur biphasé sans balais. La figure 2 A représente schématiquement des en- roulements biphasés 11 à 18, qui sont disposés selon une séquence ( 1) ( 8) autour du rotor, comme on peut le voir en se référant à la figure 2 B Les sens respectifs des enroulements sont indiqués par les flèches sur la figure 2 A Ainsi, si par exemple l'enroulement 11 est enroulé dans le sens correspondant à celui des aiguilles d'une montre, les enroulements 12, 15 et 16 le sont également, tandis que les enroulements 13, 14, 17 et 18 sont enrou- lés dans le sens qui correspond au sens opposé à celui des aiguilles d'une montre Il convient toutefois de fai- re reiarquer ici que les enroulementsll, 13 i 15 et 17 sont connectés entre les fils W 1, W 2 et que les enroule- ments 12, 14, 16-et 18 sont connectés entre les fils W 3, W 4, -et que, de cette façon, le jeu ou série des enroule- ments 11, 13, -15 et 17 et le jeu ou série des-enroulements- 12, 14, 16 et 18 peuvent être excités séparément par des courants de phases différentes Lorsque des courant bipha- sâs sont amenés aux fils W 1, W 2, W 3 et W 4 de ce système de commande bipolaire, selon une séquence de commutation qui sera décrite plus loin, il est enduit un champ magné- tique tournant à 8 pôles,-avec 8 pas ( 1 8), comme on peut s'en rendre compte en se référant à la figure 2 B. En règle générale, le nombre de pôles dans un moteur à bobines de champ à deux phases est donné par 2 N ( 2, 4,-6, 8,) Le nombre de pôles dans le champ et dans le rotor entrainé par des courants bipolaires bipha- sés, dans le cas de l'invention, est quelque peu différent. En d'autres termes, on peut dire qu'en ce qui concerne l'enroulement de champ, le nombre de pôles devient Ps = 2 x 2 N et qu'en ce qui concerne l'enroulement du rotor, le nombre de pôles devient Pr = 2 N. La séquence de rotation d'un rotor à 4 pôles en synchronisme avec l'enroulement de champ & 8 pôles est - indiquée sur la Figure 3 Elle est toujours effective, quelle que soit la phase alternanteldu courant bipolaire biphasé Comme on peut s'en rendre compte en se référant à la Figure 3, une rotation du rotor sur 4 pôles résulte de 8-pas à 450 chacun Le diagramme supérieur (a) de la Figure 1 A indique le sens du courant dans les enroulements 11, 13, 15 et 17 dans le cas de la commande par un circuit de commande et par un circuit logique de commande dont la description sera donnée plus loin, et ce diagramme est évidemment aussi un diagramme qui indique la différence (W 1 W 2) de potentiel entre les fils W 1 et W 2 De même, le diagramme inférieur (b) de la Figure 1 A indique le sens du courant dans les enroulements 12, 14, 16 et 18 et i I indique aussi la différence (W 3 W 4) de potentiel entre les fils W 3 et W 4 o De telles formes d'ondes produi- sent un champ magnétique tournant -dont l 'angle est indi- qué-dans le diagramme. Le circuit de commande et le circuit logique de commande qui permettent d'obtenir le champ tournant sont-représentés sur les figures 4 A et 4 B, auxquelles on se référera dans la description de ces circuits que l'on donnera ci-après. Comme on peut-sten rendre compte en se référant à la figure 4 A, un circuit amplificateur de commutation comporte des transistors de commutation Q 1 à Q 4 et Q 5 à Q 8 ' qui sont reliés à une source d'alimentation 27, les transistors de commutation Q 1 à Q 4 étant couplés en croix et les transistors de commutation Q 5 à Q 8 étant couplés en croix, comme l'indique le dessin Pour la commutation des transistors Q 1 à Q 8, le collecteur et l'émetteur d'un transistor de commande Q 9 sont reliés à la base des transistors de commutation Q 1 et Q 2 ' le collecteur et l'émetteur d'un transistor de commande Qo 10 sont reliés à la base des transistors de commutation Q 3 et Q 4, le col- lecteur et l'émetteur d'un transistor de commande Qll sont reliés à la base des'transistors de commutation Q 5 et Q 6 ' et le collecteur et l'émetteur d'un transistor de commande Q 12 sont reliés à la base des transistors de commutation Q 7 et Q 8, respectivement. Si une-paire des transistors Q 1 et Q 2 et des transistors Q 3 et Q 4 est mise en circuit ou mise hors circuit, la polarité de la sortie entre les fils W 1 et W 2 est modifiée, et la polarité de la sortie entre les fils W 3 et W 4 est modifiée si l'une quelconque des pai- res de transistors Q 5 et Q 6 et de transistors Q 7 et Q 8 est mise en circuit ou est mise hors circuit De cette 25366 o 5- manière, si l'on fait fonctionner les transistors Q 1 à Q 4 et les transistors Q 5 a Q 8 comme commutateurs bipolai- res indépendants et si on les met en circuit ou hors cir- cuit au moment convenable, on peut produire un courant biphasé qui présente une différence de phase de 90 . Tout d'abord, si le transistor de commande Q 9 est mis en circuits les transistors de commutation Q et Q 2 sont mis en circuit, de telle sorte que les fils W 1 et W 2 deviennent respectivement +,; à ce moment, le transistor de commande Q 10 doit être mis hors circuit. Ensuite, si le transistor de commande Q 9 est mis hors circuit tandis que le transistor de commande Q 10 est mis en circuit, les transistors de commutation Q 3 et Q 4 sont mis en circuit, de telle sorte que les fils W 1 et W de- viennent respectivement -, +. Comme décrit plus haut, les fils W 1 et W 2 peu- vent assurer la commande bipolaire en fonction de la mise en circuit des transistors de commande Qo 10 et Q 9 ' Les -: fils W 3 et W 4 peuvent également assurer la commande bipo- laire en fonction de la mise en circuit des transistors de commande Qll et Q 12 Afin de produire le courant bipolaire biphasé, si l'on met en circuit ou hors circuit les transistors de commande Q 9 à Q 12 dans l'ordre qui est indiqué dans la Fig 6, on peut obtenir le courant biphasé qui est représenté sur la figure l B Les transistors de commande Q 9 à Q 12 sont commandés par les signaux de courant de commande i 1 à i 4 respectivement et la Fig 7 indique le signal logique binaire représentant les signaux électri- ques i 1 à i 4 qui sont appliques aux transistors de com-_ mande Q 9 à Q 12 Sur la Fig 7, le signal O signifie la mise en circuit des transistors de commande Q 9 à Q 12 et le signal 1 signifie la mise hors circuit de ces mêmes transistors de commande Q 9 à Q 12 et on a indiqué la séquence des si- gnaux i 1 à i 4 nécessaires à chaque pas. La figure 4 B représente un circuit logique de commande qui fournir les signaux i 1 à i 4 Un compteur à' division par 4 IC 1 et un décodeur 1 à 4 IC 2 effectuent un comptage annulaire binaire à 2 bits Afin de produire les mêmes sorties dans la séquence qui est indiquée sur la Fig 7, les portes NON-ET 20 et 21 sont connectées aux sorties du décodeur 1 à 4 IC 2, la sortie de la por- te NON-ET 20 est connectée au transistor de commande Q 9 par l'intermédiaire d'un inverseur 31-et par l'intermé- diaire d'une résistance R 1 (voir figure 4 A) et au tran- sistor-de commande Q 10 par l'intermédiaire d'une-résis- tance R 2, et la sortie de la porte NON-ET 21 est connec- tée au transistor de commande Qil par l'intermédiaire d'un inverseur 32 et d'une résistance R 3 et au transistor de commande Q 12 par l'intermédiaire d'une résistance R 4. Lorsque la sortie ( 1) du décodeur IC 2 devient O et lorsque les sorties ( 2), ( 3) et ( 4) du décodeur IC 2 deviennent 1, il = 0,-i 2 = 1, i 3 = 1 et-i 4 = O Lorsque la sortie ( 2) du décodeur IC 2 devient O et lorsque les sorties ( 1), ( 3) et ( 4) du décodeur IC 2 deviennent 1, l = 1, i 2 = 0, i 3 = 1 et i 4 = O Lorsque la sortie ( 3) du décodeur IC 2 devient O et lorsque les sorties ( 1), ( 2) et ( 4) du décodeur IC 2 deviennent 1, i 1 = 1, i 2 = O, i 3 = O et i 4 = 1 Lorsque la sortie ( 4) du décodeur IC 2 devient O et lorsque les sorties ( 1), ( 2) et ( 3) du dé- codeur IC 2 deviennent 1, i 1 = O, i 2 = 1 i 3 = O et 4 = 1 % Au cours de ces quatre phases, les sorties i 1 et i 4 sont appliquées aux bases des transistors de com- mande Q 9 à Q 12 ' la commutation qui est indiquée sur la Fig 6 ci-annexé est effectuée et le courant biphasé qui est indiqué sur les Fig 1 et l B peut être obtenu par la commutation des transistors de commutation Q 1 à QS' La relation entre les impulsions d'entrée du compteur à division par 4 IC 1 dans le circuit logique de commande et le courant biphasé obtenu de W 1 à W 4 dans le circuit de commande est illustré sur la Fig 8. La relation entre les impulsions d'entrée du compteur IC 1 et les signaux de sortie aux entrées D 1 et D 2 du 36605 décodeur IC 2 est représentée sur la Fig 9. Etant donné que la vitesse de comptage varie en fonction de la fréquence des impulsions d'entrée au compteur IC 1 et que la fréquence du courant biphasé dans les fils W 1 à W 4 est également modifiée de ce fait, le compteur IC 1 règle la vitesse de rotation du moteur De même, étant donné que-la séquence de comptage du compteur IC 1 peut être modifiée Tpar un signal de commande de va- leur haut/bas appliqué au compteur IC 1, le sens de rota- tion du moteur peut également être changé S'il n'y a pas d'impulsion,d'entrée, le moteur cesse de tourner avec un facteur d'amortissementcorrespondant au couple de rotation Par conséquent, lorsque les impulsions sont appliquées aux entrées du compteur IC 1, le réglage ou commande pas à pas est assuré par la commande de la fré- quence en boucle ouverte. Dès lors, la relation entre l'angle de rotation et le nombre de pôles peut être exprimée comme il est in- diqué ci-après 2 X D= ( 1) Ps D étant l'angle de rotation pour un pas, et Ps étant le nombre de p 8 les dans l'enroulement de champ. D'autre part, si le signal de comptage à 2 bits est appliqué aux 'entrées D 1 et D 2 du décodeur IC 2 comme il est indiqué sur la Fig 9, les sorties de i 1 à i 4 de la Fig 7 sont obtenues et des courant biphasés passent dans les fils W 1 W 4,' tandis que le dompteur IC 1 compte les impulsions d'entrée. Si les signaux de comptage à 2 bits en fonction de la position du rotor sont ramenés à Di et D 2, un régla- ge de la vitesse en boucle fermée est assuré Ce principe est expliqué comme il est indiqué ci-après avec référence aux Fig 5 A, 5 B et 5 C. Des données de comptage binaire à 2 bits sont marquées à la surface d'un cylindre codé binaire indica- teur de position 25, qui est solidaire du rotor 24 du mo- teur 23 Les codes binaires doivent faire avancer d'un pas la position du pale du rotor Au moyen de capteurs 51 et 52 qui sont reliés aux barres A 1 et B 1, la donnée de comptage, qui fait toujours avancer le champ tournant d'un pas, est appliqué aux entrées D 1 et D 2 du décodeur IC 2. Lorsque le signal de donnée est appliqué aux entrées D et D 2 le courant bipolaire biphasé qui fait avancer d'un pas est appliqu>' lenroulement de champ par les fils W 1 à W 4 Le couple est établi du fait de la progression du champ tournant. Afin que la donnée " 4 pas" appliquée à D 1 et D 2 selon la Figure 4 B puisse faire avancer d'un pas la position du rotor synchronisé avec l'enroulement de champ, les marques (signal codé binaire) que porte le cy- lindre codé binaire indicateur de position 25 sont prévues de telle sorte qu'elles fassent avancer d'un pas la posi- tion du rotor Etant donné que les signaux des capteurs A et B font toujours avancer la position du rotor syn- 1 Bl chronisé, une commande de moteur asynchrone en boucle fermée est assurée. Du fait que le circuit de commande et son cir_ cuit logique sont composés de semi-conducteurs et de résistance, ils ?euvent être intégrés dans une seule pastille ou puce et ils peuvent facilement être produits en série. Par conséquent, comme un moteur biphasé qui comporte un stator à 2 x 2 N pôles et un rotor présentant un nombre de pôles égal à la moitié du nombre de pôles du stator'peut être commandé par du courant bipolaire biphasé, on peut obtenir un haut rendement d'excitation - de l'enroulement, un important couple pour un faible vo- lume et le réglage de la vitesse non seulement par com- mande synchrone en boucle ouverte, mais aussi par comman- de asynchrone en bouche fermée En réglant la faible puissance ou la servocommande, on peut obtenir un moteur à courant continu sans balais qui peut donner diverses possibilités de réglage. REVENDICATIONS 1 Circuit de commutation pour produire une commande à courant biphasé de moteur bipolaire sans ba- lais caractérisé en ce qu'il comporte quatre lignes de sortie(W 1 a W 4), deux jeux ou séries(Q 1 à Q et Q 5 Q) 1 à Wê 1 Q 4 e Q 5 à 8 de quatre transistors de commutation à connexion en croix connectés pour relier une source d'alimentation ( 27) aux quatre lignes de sortie, deux-destransistors ? de commutation correspondants étant connectés à chaque ligne de sortie et deux des transistors de commutation correspondants étant commandés par un transistor de com- mande correspondant (Q 9 à Q 12). 2 Circuit de commutation suivant la revendica- tion 1, caractérisé en ce que les bases du premier et du deuxième transistor de commutation (Q 1 ' Q 2) sont reliées à un premier transistor de commande (Q 9) en ce que les bases du troisième et du quatrième transistor de commuta- tion (Q 3, Q 4) sont reliées à un deuxième transistor de commande (Qlo), en ce que les bases du cinquième et du sixième transistor de commutation (Q 5 Q 6)' sont reliées à un troisième transistor de commande (Qll), et en ce que les bases du septième et du huitième transistor de commutation (Q 7, Q 8), sont reliées à unquatrièmetransis- tor de commande (Q 12). 3 Circuit de commutation suivant la revendica- tion 2, caractérisé en ce que le premier et le quatrième transistor de commutation (Ql' Q 4) sont couplés transver- salement, en ce que le deuxième et le troisième transis- tor de commutation (Q 3, Q 4) sont couples transversalement, en ce que le cinquième et le huitième transistor de com- mutation (Q 5, Q 8) sont couplés transversalement, et en ce que le sixième et le septième transistor de commutation (Q 6 ' Q 7) sont couples transversalement. 4 Circuit de commutation suivant la revendica- tion 3, caractérisé en ce que l'amenée d'énergie à la première ligne de sortie (W 1) est commandée par le deu- xième et par le troisième transistor de commutation (Q 2 Q 3), en ce que l'amenée d'énergie à la deuxième ligne de sortie (W 2) est commandée par le premier et par le qua- trième transistor de commutation (Q 1 ' Q 4), en ce que l'a- menée d'énergie à la troisième ligne de sortie (W 3) est commandée par le sixième et par le septième transistor de commutation (Q 6, Q 7), et en ce que l'amenée d'lénergie à la quatrième ligne de sortie (W 4) est commandée par le cinquième et par le huitième-transistor-de commutation (Q 5 ' Q 8)' Circuit-de commutation:suivant la revendica- tion 4, caractérisé en ce que la première et la deuxième ligne de sortie (W 1, W 2) sont connectées à un premier jeu ou série d'enroulements ( 11, 13, 15, 17) et en ce que la troisième et la quatrième ligne de sortie (W 3, W 4) sont connectées à un second jeu ou série d'enroulements ( 18, 12, 14, 16). 6 Circuit de commutation suivant l'une quelcon- que des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les transistors de commande (Q 4 à Q 12) sont commandés par un circuit logique de commande qui comporte un compteur à division par 4 (IC 1)- relié' à un décodeur 1 à 4 (IC 2) en ce que les sorties du décodeur sont reliées à deux por- tes NON-ET ( 20, 21), en ce que les sorties de chaque por- te NON-ET sont reliées à une résistance de commande cor- respondante (R 1, R 4) et à un inverseur correspondant ( 31, 32), et en ce que la sortie de chaque inverseur est re- liée à une résistance de commande correspondante (R 1, R 3). 7 Circuit de commutation suivant la revendica- tion 6, caractérisé en ce que les signaux de commande dé- rivant de la rotation du moteur sont amenés au décodeur (IC 2) de façon à assurer la commande asynchrone en bou-_. dcle fermée. 8 Circuit de commutation suivant la revendica- tion 7, caractérisé en ce qu'il comporte des capteurs qui sont prévus pour relever 1 a rotation du moteur au moyen de détecteurs ( 51, 52), les capteurs étant reliés à la ligne d'entrée du décodeur, un cylindre ( 25) por- tant un code binaire étant monté de façon à tourner avec l'arbre du rotor du moteur, et les codes étant détectés par les capteurs pour détecter la position du rotor