Brevet FR2576469A1 — publié le 19860725

DISPOSITIF DE COMMANDE D'UN MOTEUR PAS A PAS La présente invention concerne un dispositif de commande d'un moteur pas à pas, ce moteur étant, dans une application particuliere, destiné à agir sur la position angulaire du papillon des gaz d'un moteur à combustion interne. Les moteurs pas à pas sont faciles à commander dans les asservissements numériques car ils convertissent directement un signal électrique en un mouvement angulaire déterminé dit 'pas1. Le problème technique posé par itinvention est celui de la commande de tels moteurs qui nécessite jusqu'à maintenant l'utilisation de moyens capteurs de position précis, souvent trop couteux dans des applications à l'automobile. Le but de l'invention est d'éviter l'utilisation d'un capteur de position pour commander un moteur pas à pas. Pour cela, son objet est un dispositif de commande d'un moteur electrique pas à pas comportant des moyens d'alimentation des enroulements indépendants pour chacun d'eux, un circuit de détection d'avance de pas du moteur et un circuit de commande d'encha- nement des phases du moteur selon une séquence déterminée, ce dispositif étant caractérisé par le fait que le circuit de détection d'avance de pas du moteur comporte des moyens d'aiguillage commutables à chaque phase de la tension aux bornes de l'enroulement non alimenté électriquement depuis deux phases consécutives vers des moyens de mesure de cette tension délivrant une information de validation de pas et par le fait que le circuit de commande comporte des moyens d'encbatnement des phases du moteur associés à des moyens de commutation du circuit de détection d'avance de pas du moteur en fonction des phases de la sequence. Selon une caractéristique de l'invention, les moyens de mesure de la tension aux bornes des enroulements détectent par exemple soit le maximum de sa valeur, soit le passage de sa valeur par un seuil de référence. Selon une autre caractéristique de l'invention, les moyens d'alimentation des enroulements du moteur sont constitués par des générateurs de courant indépendants, en nombre égal à celui des enroulements. Le dispositif, objet de l'invention, permet de commander un moteur pas à pas et de contrôler son avance de pas par auto-asservissement de celui-ci sans utiliser de capteur de position lié au rotor. Ce dispositif présente de plus l'avantage d'optimiser la vitesse angulaire du moteur en contrôlant avec précision le moment de franchissement des pas du moteur de façon à enchaîner les phases d'une séquence dès le franchissement des pas, ce qui est très intéressant dans son application à la commande d'un papillon de carburateur. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparat- tront lors de la description qui suit, illustrée par les figures suivantes qui représentent, à titre d'exemple non limitatif : - figure 1 : les courbes de tension et de courant dans les enroulements du moteur, - figure 2 : un mode de réalisation d'un dispositif de com mande d'un moteur pas à pas à quatre enroulements selon l'invention, - figure 3 : un exemple particulier d'un dispositif de com mande selon le premier mode de réalisation, - figures 4a et 4b : les tableaux de commutation de l'alimen tation des enroulements d'un moteur pas à pas, - figures 5 et 6 : deux modes de déroulement des différentes étapes de la commande d'un moteur pas à pas. Comme cela a eté dit précédemment, le dispositif de commande d'un moteur pas à pas selon l'invention comporte un circuit de détection d'avance de pas du moteur qui est basé sur le principe de la détection de la tension induite dè mouvement mesurée aux bornes de l'enroulement qui est non alimenté électriquement depuis deux phases consécutives au moins d'une séquence, une séquence etant composée, pour un moteur à 2 N enroulements, de 2 N phases d'alimentation de ces enroulements. A chaque phase d'une séquence, il y a au moins deux enroulements qui sont complètement déconnectés de la source d'alimentation et on mesure la tension aux bornes de l'un de ces deux enroulements qui est au repos depuis deux phases consécutives.Dès que le rotor du moteur a franchi le pas suivant, on mesure une tension positive que l'on détecte aisément même en milieu perturbé. Cette tension est proportionnelle à l'accélération angulaire et à la position du rotor et le temps mesuré entre le début du mouvement du rotor et le moment où on mesure cette tension positive aux bornes de l'enroulement considéré est fonction du couple résistant appliqué au moteur. Sur la figure 1 sont représentées quatre courbes correspondant à une phase unique d'alimentation en courant des enroulements d'un moteur dont le rotor est libre. La courbe C1 correspond à la variation d'intensité de courant s'établissant dans deux enroulements donnés ; cette courbe C1 présente un pic dû au temps de blocage des composants. La courbe C correspond à du courant chutant dans les autres enroulements. La courbe C3 correspond à la variation de tension induite dans l'enrou- lement du moteur qui est non alimenté électriquement depuis deux phases consécutives, elle présente un pic descendant résultant du couplage inévitable entre les enroulements du moteur ; après avoir chuté, cette tension U croît et passe par un premier maximum avant d'osciller autour d'une position d'équilibre. Grâce à la courbe C4 correspondant à la position du moteur, on constate que le moteur a tourné d'un pas au moment où la tension U passe par un maximum. Les oscillations de la tension U correspondent aux oscillations qu'effectue le moteur autour de sa position d'équilibre, une fois le pas franchi, son rotor étant libre dans l'exemple choisi et ne devant franchir qu'un pas unique. Dans le fonctionnement normal du moteur, dès que le maximum de tension induite est atteint, on considère que le pas est franchi et dès cet instant une autre phase d'alimentation provoque le franchissement du pas suivant de sorte que ces oscillations disparaissent. A partir de la valeur de cette tension est délivrée une information de validation de pas que l'on peut utiliser pour autoriser ou non l'enchaînement des phases suivantes de la séquence. En connaissant précisément le moment de franchissement de chaque pas, il est possible d'enchaîner plus rapidement les phases et donc d'optimiser vitesse de rotation du moteur. Dans le cas où il y a perte de pas due au glis-. sement du moteur, blocage mécanique du rotor par exemple, le dispositif constate que le rotor n'a pas tourné et aucune La figure 2 représente un premier mode de réalisation d'un dispositif de -commande d'un moteur pas à pas, unipolaire à quatre enroulements. Ce dispositif de commande comporte tout d'abord des moyens 1 d'alimentation independants pour les quatre enroulements L1, L2, L3 et L4. Ces moyens 1 alimentent séparément en courant chacun des enroulements, de façon à réaliserles quatre phases successives d'une séquence déterminée.Le dispositif de commande comporte ensuite un circuit 7 de détection d'avance de pas du moteur comprenant des moyens d'aiguillage 3, commutables à chaque phase, pour appliquer la tension induite aux bornes de l'enroulement au repos depuis deux phases consécutives à des moyens 4 de mesure de cette tension délivrant une information de validation de pas. Ces moyens de mesure de la tension aux bornes de l'enroulement, non alimenté depuis deux phases consécutives d'une séquence, détectent par exemple soit le maximum par lequel passe la valeur de cette tension soit le passage de sa valeur par un seuil de référence au-delà duquel on estime que le pas est franchi. Ainsi, lorsque la tension mesurée aux bornes de l'enroulement considéré répond aux critères choisis, une information de validation d'avance de pas est délivrée et un compteur de pas 2 peut être incrémenté ou décrémenté suivant le sens de rotation du moteur. Enfin, le dispositif selon l'invention comporte un circuit de commande 5 assurant, d'une part, l'enchaînement des différentes phases d'une séquence par l'alimentation appropriée des enroulements et, d'autre part, la commutation des moyens d'aiguillage 3 de la tension aux bornes des enroulements selon chaque phase. La figure 3 représente un exemple préférentiel mais non limitatif du dispositif objet de l'invention selon le même mode de réalisation que celui de la figure 1. Les moyens d'alimentation en courant sont constitues, pour chaque enroulement, par un générateur de courant 6 associé à un moyen de commutation Ci, i étant un nombre entier, variant de 1 à 4, permettant l'alimentation indépendante des enroulements les uns vis-à-vis des autres. Ces moyens de commutation C. sont commandés par le circuit de commande 5 qui assure le déroulement des séquences de quatre phases chacune.Grâce à cette alimentation en courant indépendante pour chaque enroulement, il est possible de contrôler la montée et la coupure rapide du courant dans les enroulements ; chaque enroulement est parcouru par un courant plus important aux moments de franchissement des pas et par un courant de maintien suffisant quand le rotor ne tourne pas. Un avantage intéressant de ce mode d'alimentation en courant tient au fait que les enroulements du moteur ont leur point commun relié à la masse de la source d'alimentation, par conséquent les points de mesure de la tension dans les enroulements sont référencés par rapport au même point, ce qui accroît la fiabilité du dispositif dans son intégration à un véhicule automobile, la masse etant alors celle du véhicule.Ainsi, un très bon contrôle du courant dans les enroulements assure un accroissement de la vitesse de rotation du moteur et permet des accélérations angulaires plus importantes entre deux pas. Chaque enroulement est parcouru par un courant pendant deux phases consécutives à chaque séquence, puis laissé au repos lors des deux phases suivantes comme le montrent les figures 4a et 4b. La détection d'avance de pas du moteur se fait à chaque phase à partir de la tension recueillie aux bornes de l'enroulement au repos depuis deux phases et aiguil lée grâce à un interrupteur 3 par exemple vers les moyens de validation de pas. Ces interrupteurs 3 sont également commandés à partir du circuit 5 de commande de façon à aiguiller pour chaque phase la tension prélevée aux bornes de l'enroulement qui se trouve non alimenté en courant depuis deux phases. Dans l'exemple de la figure 3, les moyens de mesure 4 de la tension dans les enroulements détectent le passage de cette tension par un seuil de référence au-delà duquel on estime que la tension correspond au franchissement d'un pas. Pour cela, les moyens de mesure 4 de la tension sont constitués par un circuit d'amplification 10 de la tension prélevée, suivi d'un comparateur 11. Ce dernier reçoit sur une première entrée 110 une tension de référence VREF et sur une seconde entrée 111 la valeur de la tension aux bornes de l'enroulement L. considéré. Ce comparateur 11 délivre un signal à un circuit logique 12 de mise en forme. Ce circuit 12 délivre au circuit de commande 5 un signal logique quand une tension positive est détectée sur un des quatre enroulements du moteur, c'est-à-dire que le rotor a tourné d'un pas. Ce circuit 12 est également relie à un compteur de pas 2 à qui il donne un ordre d'incrémentation ou de décrémentation. Etant donné que la tension induite dans l'enroulement au repos est proportionnelle à l'accélération angulaire du rotor et que le temps entre le debut d'une phase et l'arrivée de l'information de validation de pas est fonction du couple résistant appliqué au moteur, il suffit d'attèndre ce signal de validation pour enchaîner la phase moteur suivante tout en s'assurant qu'il n'y a pas glissement du rotor ou perte de pas. I1 n'y a pas besoin d'un capteur de déplacement angulaire. Le circuit de commande 5 doit assurer, comme une commande classique, l'enchaînement des différentes phases qui est propre à la constitution électromagnétique du moteur (type unipolaire, nombre de pôles, etc), mais en tenant compte des pertes de pas dues aux conditions d'entraînement du moteur de façon à optimiser la vitesse de rotation du moteur en fonction du couple demande sur son arbre. Pour cela, le circuit de commande 5s en plus des moyens d'enchaînement des phases moteur, comprend des moyens de commutation du circuit 7 de détection d'avance de pas. Ainsi, le circuit 5 commande les interrupteurs 3 qui assurent ainsi à tour de rôle la commutation entre chaque enroulement et le circuit de détection avance de pas. Mais, à ces premiers moyens, on peut associer des moyens de recherche automatique de la phase qui, en cas de détection d'absence de rotation du moteur, enchaînent automatiquement la phase suivante sans activer le compteur de pas, et cela jusqu a ce que le rotor se mette à tourner, auquel cas le compteur est réactivé. La figure 5 montre un premier mode de déroulement des étapes successives de la commande d'un moteur pas à pas grâce à un dispositif selon l'invention. Après une première étape a d'initialisation du processus viennent les étapes dans l'ordre suivant - une étape b d'enchaînement d'une phase, dans l'ordre défini dans la séquence du moteur, - une étape c de commutation des interrupteurs 3 de façon à aiguiller la tension induite aux bornes de l'enroulement Li au repos depuis deux phases consécutives, - une étape d de déclenchement d'un temporisateur, de durée Tg définie selon les caractéristiques de construction du moteur et qui est la durée maximale au-delà de laquelle on estime que le moteur ne tournera plus et qutil est effectivement bloqué, - une étape e de validation de pas au cours de laquelle est constatee ou non la rotation du moteur.Dans le cas où le dispositif de validation délivre effectivement une infor mation de validation de pas, le déroulement du processus se poursuit par une étape f de détermination du sens de rotation, suivie soit d'une etape g d'incrémentation d'un compteur de pas, soit . d'une étape h de décrémentation de ce compteur, puis d'une étape i d'attente de la durée Tg avant d'enchaîner sur l'étape b. Dans le cas où le moteur est bloqué et où aucune validation de pas n'est délivrée, l'étape e est suivie d'une étape i pendant laquelle on attend que la durée Tg soit atteinte pour être sûr que le moteur n'a pas tourné et le circuit de commande du moteur donne l'ordre d'enchaîner la phase suivante, et cela jusqu a ce que le moteur tourne effectivement quand les enroulements seront alimentés lors de la phase adéquat. La figure 6 montre un second mode de déroulement de la commande selon un dispositif de l'invention. La différence avec le premier mode vient de la prise en compte de l'information de validation de pas pour enchaîner, dès sa réception, la phase suivante de la séquence considérée, sans attendre la durée Tg de temporisation. Les étapes a à h sont identiques à celles décrites pour la figure précédente. Lorsque le ispositif de détection a constaté une rotation du moteurs quelqu'en soit le sens, les étapes f et h d'incrémentation ou de décrémentation du compteur de pas est immédiatement suivie de l'étape b d'enchaî- nement de la phase suivante. Par contre, lorsqu'il nty a pas eu de détection d'avance de pas, l'étape e est suivie d'une étape j d'attente de la durée Tg. Si T n'est pas atteinte, on considère que l'information de 0 validation de pas n'est pas définitive et on attend jusqu'à Tg. Par contre, si à Tg, on constate qu'il n'y a pas d'information de validation de pas, on considère le moteur bloqué à l'étape k. Deux possibilités se présentent alors soit on s'arrête à cette information de blocage du moteur soit on continue le processus par une recherche automatique de la phase d'alimentation des enroulements qui fera avancer le moteur, cette recherche consistant à enchaîner la phase suivante sans comptage de pas. Dans le cadre d'une application à l'automobile, le dispositif selon l'invention est intéressant pour commander un moteur agissant sur la position du papillon de carburateur à cause de sa fiabilité et de son coût réduit par rapport à une commande de moteur avec capteur de déplacement. L'asservissement d'un papillon de carburateur nécessite, d'une part, une bonne précision de la position du papillon dans la plage de ralenti et, d'autre part, une vitesse de rotation élevée dans la majorité de la course du papillon. Aussi, grâce à une commande auto-asservie par un dispositif selon l'invention, le moteur du papillon peut être piloté en pas entier quand on veut des vitesses de rotation élevées et en pas fractionnes quand on souhaite une bonne précision de position ; on contrôle au mieux la position du papillon et on peut vérifier les glissements du rotor, les pertes de pas ou même le blocage sans utilisation d'un capteur de déplacement généralement trop coûteux dans une application aux véhicules automobiles. L'invention n'est pas, bien entendu, limitée aux modes de realisation décrits et représentés. Elle comprend également tous les équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons, si celles-ci sont effectuées suivant l'esprit de l'invention et mises en oeuvre dans le cadre des revendications qui suivent. REVENDICATIONS 1. Dispositif de commande d'un moteur électrique pas à pas comportant des moyens d'alimentation des enroulements indépendants pour chacun d'eux, un circuit de détection d'avance de pas du moteur et un circuit de commande d'enchalnement des phases d'alimentation des enroulements du moteur selon une sequence déterminée, caractérisé en ce que le circuit (7) de détection d'avance de pas du moteur comporte des moyens d'aiguillage (3) commutables à chaque phase, pour appliquer la tension induite aux bornes de l'enroulement (Li) non alimenté électri- quement depuis deux phases consécutives à des moyens de mesure (4) de cette tension délivrant une information de validation de pas et en ce que le circuit de commande (5) comporte des moyens d'enchaînement des phases du moteur associés à des moyens de commutation du circuit de détection d'avance de pas du moteur en fonction des phases de la séquence. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de mesure (4) de la tension aux bornes des enroulements détectent le maximum de sa valeur. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de mesure (4) de la tension aux bornes des enroulements détecte le passage de sa valeur par un seuil de référence. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens de mesure (4) sont constitués par un comparateur de tension (11) dont une première entrée (IfO) reçoit une tension de référence (VREF) et dont une seconde entrée (111) reçoit la valeur de la tension aux bornes des enroulements (Li). 5. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens d'aiguillage (3) de la tension aux bornes de chaque enroulement sont constitués par un interrupteur commutable. 6. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit de commande comporte de plus des moyens de recherche automatique de la phase d'alimentation des enroulements, faisant avancer le moteur en enchaînant la phase suivante sans comptage du nombre de pas. 7. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens d'alimentation (1) des enroulements du moteur sont constitués des generateurs de courant indépendants, en nombre égal à celui des enroulements.