Brevet FR2552600A1 — publié le 19850329

La présente invention concerne un amplificateut de puissance à alimentation asservie. Elle s'applique en particulier en robotique pour la commande de moteurs à courant continu. En robotique, on utilise très souvent des moteurs à courant continu, dont la puissance requise dépasse parfois le kilowatt, et les amplificateurs associés doivent pouvoir fournir une tension positive ou négative quel que soit le sens du courant, à alimentation stabilisée de puissance. Le prix et le volume de ces amplificateurs sont importants, le refroidissement des transistors de puissance pose de nombreux problèmes et le rendement en pussance est médiocre. I1 est notamment très difficile de maintenir les transistors à une température acceptable lorsque la puissance dissipée dépasse 100 watts. Pour pallier cette dernière difficulté, on utilise des amplificateurs à découpage, mais ils sont en général fort compliqués, les moteurs à courant con- tinu fonctionnent mal avec une alimentation discontinue et les parasites engendrés sont importants. L'invention a pour but de circuit de remédier à ces inconvénients et notamment de proposer un amplificateur de puissance simple et fiable dont la dissipation thermique des transistors de puissance est minimisée. L'invention a pour objet un circuit d'amplification de puissance, notamment pour commande de mo- teurs à courant continu, caractérisé en ce qu'il comprend un premier amplificateur de puissance fonctionnant à partir du réseau et un deuxième amplificateur de puissance alimenté par la tension de sortie du premier amplificateur ce deuxième amplificateur fournis sant la tension de sortie du circuit, des moyens comparateurs donnant une tension d'erreur proportionnelle à l'écart entre la tension d'alimentation du deuxième amplificateur et la tension de sortie, ces moyens comparateurs étant reliés au premier amplificateur afin d'asservir la tension d'alimentation du deuxième amplificateur de façon que ladite tension soit supérieure de quelques volts à la tension de sortie du circuit. De préférence, ledit premier amplificateur de puissance est un amplificateur à triacs fonctionnant à partir d'un réseau triphasé. Selon une autre caractéristique, l1amplifi- cateur à triacs comprend un transformateur triphasé avec secondaires à point milieu afin de fournir un secondaire hexaphasé, les triacs eux-mêmes sont commandés par des opto-triacs réalisant un isolement électrique entre la commande et le secondaire du transformateur. Selon une autre caractéristique, le deuxième amplificateur de puissance comprend des coupleurs optiques pour commander les transistors de puissance. Selon une autre caractéristique, les transistors de puissance sont des transistors MOS. Selon une autre caractéristique, le circuit d'amplification est muni d'un dispositif de limitation de courant. Selon une autre caractéristique, le circuit d'amplification comprend un filtre de la tension d'alimentation de type lac. Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront lieux de la description qui va suivre, donnée à titre illustratif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 représente le schéma global du circuit d'amplification de puissance - la figure 2 représente, schématiquement, l'alimentation à triacs - la figure 3 représente schématiquement le circuit de commande des triacs comprenant des optotriacs - la figure 4a représente des circuits de commande des opto-triacs - la figure 4b représente des signaux obtenus à certains endroits du circuit selon la figure 4a - la figure 5 représente un premier type d'amplificateur utilisé de préférence comprenant des coupleurs optiques - la figure 6 représente schématiquement un deuxième type d'amplificateur utilisé de préférence - la figure 7 représente schématiquement le système d'asservissement de l'alimentation à la tension de sortie VM ; - la figure 8 représente un diagramme montrant la tension d'alimentation à la sortie de l'amplificateur à triacs en fonction du temps. Sur la figure 1, on a représenté le schéma global du circuit d'alimentation de puissance selon 1' invention. Il comprend deux amplificateurs de puissance 1 et 2. L'un à triacs 1 à faible bande passante fonctionne à partir d'un réseau triphasé (alimentation + et - référencées par rapport à la masse 0 et engendre deux tensions symétriques par rapport à la masse, V+ et V). L'autre amplificateur 2 linéaire dit "push- pull", utilisant des transistors de puissance T1 et T2 et alimenté par les tensions de sortie du premier amplificateur, V+ et V, fournit la tension de sortie VM alimentant le moteur à courant continu M.Deux comparateurs C1 et C2 donnent une tension d'erreur proportionnelle à l'écart entre la tension d'alimentation V+ et V et la tension de sortie VM. La tension d'erreur agit sur l'angle d'ouverture des triacs, contrôlant ainsi la valeur des deux tensions V+ et V. Pour des raisons de simplification, l'asservissement contrôle à la fois V+ et V. Cependant l'amplificateur "push- pull" 2 comprenant les deux transistors T1 et T2 fonctionne normalement. Sa tension de sortie est évidemment comprise entre V et V+. Si la valeur de la tension attendue est supérieure à V+ ou inférieure à V-, V+ va automatiquement augmenter et V- diminuer jusqu'à ce que Vm ait la valeur attendue. L'alimentation "continue" à triacs est esquissée sur la figure 2. Pour avoir une réponse rapide, un transformateur triphasé 3 avec secondaires à point milieu 4 est utilisé, ce qui fournit un secondaire hexaphasé. I1 existe donc à chaque instant, sur l'une des six phases une tension positive et une tension négative importantes, permettant d'augmenter rapidement les tensions de sortie V+ et V~. Les triacs de puissance TR1 à TR6 sont eux-mêmes commandés par des optotriacs, par exemple du type MOC-3020, réalisant un isolement électrique entre la commande et le secondaire du transformateur. Les références 13 et 14 désignent respectivement des selfs et des condensateurs de filtrage. Sur la figure 3, sont représentés les optotriacs MOC-1 et MOC-4 commandant les triacs TR1 et TR4 qui sont reliés aux secondaires du transformateur triphasé 3. Les circuits de commande des opto-triacs sont montrés sur la figure 4a. Il y a trois circuits identiques : un pour chaque phase. Pour chaque phase du réseau, la tension alternative A est transformée en un signal rectangulaire B par deux diodes et un amplificateur à seuil à grand gain Al. Le signal rectangulaire B est transformé à son tour en un signal en dents de scie C, par un intégrateur de Miller, réalisé par l'amplificateur A2. Un troisième amplificateur A3 sert à comparer la tension de contrôle à la tension de la dent de scie C. L'allumage des triacs a lieu lorsque la tension de contrôle atteint la tension de la dent de scie. Le retard à l'allumage d'un triac est inversement porportionnel à la tension de contrôle. La tension de sortie est donc une fonction croissante de la tension de contrôle. La forme des signaux aux endroits A, B et C dans le circuit de commande est montrée sur la figure 4b. Deux types d'amplificateurs de puissance sont essayés pour être utilisés comme deuxièmes amplificateurs dans le circuit d'amplification selon l'invention. Le premier utilise des coupleurs optiques 5, 6 pour commander les transistors de puissance TR1 et TR2. Son schéma est représenté sur la figure 5. Il a l'inconvénient de nécessiter une alimentation flottante de 12 volts, 12m A, sur chacun des transistors de puissance T1 et T2, et le retard dû aux coupleurs optiques 5, 6 donne naissance à quelques oscillations parasites pendant les transitoires. Son avantage principal réside dans le fait qu'il peut fonctionner avec une tension d'alimentation V+, V supérieure de seulement deux ou trois volts à la tension de sortie VM (dissipation minimale). Les transistors de puissance sont des transistors MOS. MTM 15 N 40 de MOTOROLA (400 volts, 15 A continu, 70 A en pointe, 250 watts).Ils ont été choisis de préférence aux transistors bipolaires pour deux raisons - parce que la commande de la porte ne nécessite qu'une puissance très faible, ce qui simplifie beau coup la conception de l'amplificateur, - en raison de l'absence de seconde tension de claqua ge, ce qui permet de tirer une puissance bien plus importante que dans le cas de transistor bipolaire, où la tenue en tension décroit avec le débit instan tané du transistor. Le second amplificateur, montré sur la figure 6, est plus classique, et également plus stable (absence totale d'oscillations parasites) mais il a l'inconvénient d'exiger une tension d'alimentation V+, V supérieure d'environ 10 volts à la tension de sortie Ymt ce qui augmente la puissance dissipée dans les transistors de sortie T1 et T2. Pour les memes raisons que dans le cas du premier schéma d'amplificateur, les transistors de sortie T1, T2 sont des transistors MOS. La figure 7 représente le système d'asservissement de l'alimentation à la tension de sortie VM. Pour des raisons de sécurité, l'alimentation V+ et V doit être asservie à la tension réelle, et non au produit de la tension d'entrée par le gain (tension attendue). En effet, les amplificateurs décrits ci-dessus sont munis d'un dispositif de limitation de courant. Si cette limitation a lieu, la tension de sortie n'est plus égale à la tension multipliée par le gain mais inférieure à cette valeur. Dans le cas de limitation du courant, la tension de sortie "s'écroule". Il est indispensable pour que la dissipation calorifique reste tolérable que l'alimentation soit asservie à cette tension Wécrouléefl. La tension de sortie VM est comparée dans les comparateurs 9 et 10 à la fois à la tension V+ - el et à la tension V + e2, respectivement, les tensions el et e2 étant obtenues par deux diodes Zener 7, 8. On obtient les deux tensions Vl = Vm - (V+ - el) V2 = - (Vm-(V~ + e2t et un simple système de deux diodes 11, 12 donne la plus grande de ces deux valeurs V1, v2 comme tension de contrôle de l'alimentation. Dans le texte qui suit, on va décrire le fonctionnement du circuit d'amplification de puissance à alimentations asservies. Nous supposons que les triacs TR1 à TR6 sont branchés directement sur l'amplificateur 2, en supprimant les selfs et les condensateurs de filtrage de la figure 2, plusieurs cas sont à envisager comme présenté sur la figure 8, soit a le retard de l'allumage du triac. - si O - si -#- - si 2n I1 est donc nécessaire d'opérer un filtrage pour avoir une tension quasi-continue. Si on désire mettre un condensateur 14 de façon que la tension varie de moins de 2 volts en 3,33 ms. I = C dV dt I=6A dV = 2V dt = 3,3 10-3s ce qui donne C = 10'2 F. (10, 000 AF). Nous supposons maintenant que la tension de sortie doit passer de 0 à 50 volts I1 faut charger le condensateur 14. Si le courant d'alimentation est limité à 50 A I = c aE I = 50 A c = 10 2 F dV = 50 V ce qui donne dt = 10 2 = 10 ms. Le temps de montée du circuit d'amplification serait donc supérieur à 10 ms, ce qui peut être insuffisant dans certains cas. C'est pour cette raison que le filtre utilisé est un filtre LC. L'utilisation d'une self 13 entre les ponts et le condensateur à trois effets : - elle évite au triac un débit instantané excessif puisque le condensateur 14 seul représenterait pratiquement un court-circuit au moment de la charge, - simultanément, elle permet d'augmenter la durée de débit, le pont continuant à débiter pendant les périodes où les diodes auraient normalement été bloquées, la self 13 continuant à tirer.le courant, - en supprimant les variations brutales du courant, la self 13 permet d'utiliser des condensateurs 14 de plus faible valeur, ce qui améliorer nettement le temps de montée. En ce qui concerne les limitations du temps de descente de l'alimentation, il faut distinguer deux causes .) le temps de bloquage d'un triac, puisque le triac n'est éteint que par le passage à zéro de la tension qu'il commute, ce temps doit être normalement de 10 ms : 4 = 2,5 ms, .) le temps de décharge du condensateur 14 qui dépend évidemment du courant absorbé par le moteur M et donc ne peut être chiffré a priori. I1 sera toujours plus important que le précédent. Ce temps de descente n'affecte pas le temps de descente du circuit d'amplification qui peut évidemment sortir une tension nulle même si la tension d'alimentation est maximum. Mais il faudra par contre que le transistor T1, T2 soit capable d'accepter ce surcroît de puissance à dissiper pendant un temps limité. C'est là que le transistor MOS se révèle intéressant. Si la tension d'alimentation V+, V est limitée à 80 volts, le transistor utilisé peut débiter indéfiniment 3 A. I1 peut débiter 15 A pendant 10 ms, ce qui correspond à la décharge totale d'un condensateur de 2 000 MF chargé à 80 volts. Il reste encore une marge de sécurité puisque la tension d'un condensateur ne reste pas constante pendant la décharge. REVENDICATIONS 1. Circuit d'amplification de puissance, notamment pour commande de moteurs à courant continu, caractérisé en ce qu'il comprend un premier amplificateur de puissance (1) fonctionnant à partir du réseau et un deuxième amplificateur (2) de puissance alimenté par la tension de sortie du premier amplificateur, ce deuxième amplificateur fournissant la tension de sortie (VM) du circuit, des moyens comparateurs donnant une tension d'erreur proportionnelle à l'écart entre la tension d'alimentation du deuxième amplificateur et la tension de sortie (VM), r ces moyens Comparateurs étant reliés au premier amplificateur afin d'asservir la tension d'alimentation du deuxième amplificateur de façon que ladite tension soit supérieure de quelques volts à la tension de sortie (VM) du circuit. 2. Circuit d'amplification selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier amplif i- cateur de puissance (1) est à découpage. 3. Circuit d'amplification selon la revendication 2, caractérisé en ce que le premier amplificateur de puissance (1) est à triacs. 4. Circuit d'amplification selon 11 une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le premier amplificateur (1) fonctionne à partir d'un réseau alternatif. 5. Circuit d'amplification selon la revendication 4, caractérisé en ce que le réseau alternatif est triphasé. 6. Circuit d'amplification selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'amplificateur de puissance (1) comprend un transformateur triphasé (3) avec secondaires à point milieu (4) afin de fournir un secondaire hexaphasé. 7. Circuit d'amplification selon la revendication 3, caractérisé en ce que les triacs eux-mêmes sont commandés par des opto-triacs (MOC-1, MOC-4) réalisant un isolement électrique entre la commande et le secondaire du transformateur. 8. Circuit d'amplification selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le deuxième amplificateur (2) de puissance comprend des coupleurs optiques (5, 6) pour commander les transistors de puissance (T1, T2). 9. Circuit d'amplification selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les transistors de puissance (T1, T2) sont des transistors MOS. 10 Circuit d'amplification selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il est muni d'un dispositif de limitation de courant. 11. Circuit d'amplification selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'il comprend un filtre de la tension d'alimentation de type (LC).