Brevet FR2600436A1 — publié le 19871224

Procédé et dispositif de commande de moteur de machine à dessiner La présente invention concerne la commande de moteurs de machines à dessiner, ou traceurs, dans lesquels une tête d'impression est déplacée relativement à un support d'impression suivant deux axes X, Y, généralement orthogonaux, pour produire un tracé prédéterminé. Le déplacement suivant chaque axe est habituellement réalisé au moyen d'un moteur particulier qui entraine la tete d'impression ou le support d'impression, et qui est commandé par un circuit d'asservissement. Ce dernier comprend généralement un correcteur d'asservissement du type à action proportionnelle, intégrale et différentielle qui reçoit un signal d'erreur représentant la différence entre les positions instantanées réelle et de consigne du mobile (tete ou support d'impression) dont le déplacement est commandé te long de l'axe considéré. Un signal de commande du moteur est élaboré en fonction du signal d'erreur reçu. En vue de sa reproduction par une machine à dessiner, un dessin est souvent d'abord décomposé en une succession de tronçons de ligne, notamment des tronçons de lignes droites, ou vecteurs. Il en est ainsi naturellement lorsque le tracé à réaliser est effectivement formé par une succession de segments de droite. Il en est également ainsi lorsque le tracé à réaliser est une courbe échantillonnée en une suite de vecteurs. A chaque changement d'orientation, ou de pente, d'un vecteur à un autre, il -est nécessaire de descendre à une vitesse pratiquement nulle sur tes axes X, Y afin de limiter l'accélération imposée -aux organes mobiles, tout en préservant la qualité dynamique du dessin à chaque jonction entre vecteurs. Aussi, pour minimiser le temps d'exécution du dessin, chaque vecteur est tracé en trois phases : une phase de montée en vitesse à accélération optimale constante, une phase à vitesse optimale ou maximale (cette deuxième phase pouvant ne pas exister dans le cas de vecteurs de faibles longueurs) et une phase de descente en vitesse à décélération optimale constante. Le tracé complet est alors réalisé en enchainant les vecteurs successifs. Le mouvement de consigne de la tête d'impression , comme celui du support d'impression, est donc constitué d'une suite de mouvements uniformément variés caractérisée par une accélération discontinue. D'une façon générale, les vitesses maximales auxquelles peuvent etre tracées différentes parties d'un dessin complexe ont des valeurs différentes. Ainsi, en raison de la limitation de l'ac célération imposée aux organes mobiles, des parties à faible rayon de courbure ne peuvent être parcourues avec des vitesses linéaires aussi elevées que celles utilisables pour tracer des parties à plus grand rayon de courbure. Pour réaliser dans un minimum de temps l'enchainement d'une partie à une autre du dessin, c'est-à-dire le passage d'une vitesse à une autre, il est nécessaire d'appliquer un échelon d'accéLération ou, en d'autres termes, d'imposer une discontinuité de La valeur de consigne de l'accélération. Or, les circuits d'asservissement traditionnels, tels que celui évoqué plus haut, ne peuvent corriger sans retard un échelon d'accélération en raison de La Limitation du gain du correcteur d'asservissement aux hautes fréquences, limitation nécessaire à la stabilité Ùe l'asservissement. L'échelon d'accélération n'est pas corrigé avant que survienne une différence sensible entre les vitesses réelle et de consigne. La première réaction du correcteur d'asservissement tend à annuler L'erreur de vitesse, et est suivie d'une deuxième réaction tendant à annuler le trainage accu- mulé pendant la phase précédente. Le trainage de l'asservissement en réponse à un échelon d'acceleration est d'autant plus important que le gain du circuit d'asservissement est faible et peut tonduire à une erreur non négligeable sur le tracé. Aussi, la présente invention a-t-elle pour but de fournir un procéde de commande de moteur de machine à dessiner permettant d'améliorer la réponse du circuit de commande du moteur aux échelons d'accélération, afin de réduire le trainage et, par là meme, d'améliorer la précision du tracé sans pénaliser le temps d'exécution. Ce but est atteint grace à un procédé selon lequel, pour chaque axe, le moteur correspondant est commandé à partir d'un signal de commande dont une première composante est constituée par le signal de sortie d'un circuit d'asservissement et varie en fonction de l'écart entre les positions instantanées réelle et de consigne du mobile correspondant le long de l'axe considéré, et dont une deuxième composante est formée par un signal qui est reçu directement, hors du circuit d'asservissement, et qui est fonction de l'accélération instantanée de consigne dudit mobile. L'application directe d'une composante fonction de l'accélération instantanée permet de vaincre immédiatement l'inertie des organes en mouvement, donc de reproduire avec un minimum de retard les echelons d'accélération du mobile de consigne. Avantageusement, Le signal de commande comprend encore une troisième composante formée par un signal qui est reçu directement, hors du circuit d'asservissement, et qui est fonction de la vitesse instantanée de consigne du mobile. Cette troisième composante permet au moteur d'équilibrer les frottements visqueux et/ou secs, donc d'assurer à vitesse constante un déplacement sans tra;nage. Ainsi, la combinaison d'une commande directe fonction de l'accélération et, éventuellement, de la vitesse instantanée du mobile de consigne et d'une commande par boucle d'asservissement de position permet d'allier - la satisfaction à tout instant et sans retard des besoins en poussée du mobile commandé calculés en fonction de l'ac célération et, éventuellement, de la vitesse du mobile de consigne, puisque la commande directe échappe aux limitations de gain aux hautes fréquences nécessaires à la stabilité de ta boucle d'asser pissement, - la précision de position du mobile commandé, grâce au gain élevé de la boucle d'asservissement aux basses fréquences. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description faite ci-après, à titre indicatif mais non limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels - la figure 1 est une vue très schématique d'une machine à dessiner ; - la figure 2 est un schéma par blocs d'un dispositif de commande de moteur d'une machine à dessiner selon l'art antérieur ; - la figure 3 illustre le traînage résultant de l'utilisation du dispositif de commande de La figure 2 ; - la figure 4 est un schéma par blocs d'un mode de réalisation d'un dispositif de commande de moteur de machine à dessiner selon l'invention ; et - la figure 5 illustre les variations des composantes directes du signal de commande élaboré avec le dispositif de la figure 4 lors du tracé d'un vecteur. Dans une machine à dessiner (ou traceur) telle que celle illustrée par la figure 1, un tracé à effectuer est réalisé par déplacement relatif suivant deux axes orthogonaux X, Y entre une tête d'impression ou d'écriture 10 portant un organe d'écriture 11 (plume, stylo ou crayon) et un support 20, tel qu'une feuille de papier, pour le tracé å reproduire. Par rapport au bàti de la machine, la tête d'impression est déplacée en translation dans la direction Y tandis que le support d'impression est déplacé dans la direction X perpendiculairement à la trajectoire de la tête. Dans l'exemple illustré, la tête d'impression est portée par un chariot 12 qui peut se déplacer dans la direction Y le long de guides 13 et qui est solidaire d'un organe de transmission tel qu'un ruban ou câble sans fin 14 entraîné par un moteur électrique My. Le support d'impression 20 est par exemple un papier continu qui passe sur un rouleau d'entrainement 21 8axe parallèle à la direction Y. Le rouleau 21 est mis en rotation au moyen d'un moteur électrique Mx et porte à ses extrémités des picots 22 qui s'engagent dans des perforations 23 formées le long des bords du papier 20. La zone d'action de L'organe d'écriture 11 est située au niveau de la génératrice supérieure du rouleau 21. Dans les machines à dessiner de l'art antérieur, les moteurs Mx et My sont en général commandés par des boucles d'asservissement. Les dispositifs de commande des moteurs étant identiques pour les deux axes X, Y, un seuil est décrit ci-après, par exemple celui commandant le moteur Mx. Le dispositif de commande connu illustré par La figure 2 comprend un organe de pilotage Px qui reçoit des données d'entree représentatives d'un dessin à reproduire. Généralement, le tracé à effectuer est mis sous forme d'une succession de vecteurs soit parce qu'il est effectivement formé par des tronçons de droite, soit parce qu'il est formé par des courbes échantillonnées en vecteurs successifs. Les données d'entrée représentent donc une succession de vecteurs. Elles sont élaborées par un calculateur hôte (non représenté). De façon connue en soi, le dispositif de pilotage Px élabore des grandeurs de consigne (vitesse et position) sur l'axe Px en fonction des données reçues et compte tenu des limites d'ac célération auxquelles peuvent etre soumis les organes de ta chai ne cinématique commandée. Le moteur Mx est commandé par un circuit d'asservissement qui reçoit du dispositif de pilotage un signal xc représentatif de la valeur de consigne de la coordonnée x du mobile commandé le long de l'axe X. La valeur réelle instantanée xi de la coordonnée x est fournie par un capteur Dx, tel qu'un codeur optique couplé à l'axe du moteur Mx. La différence xc-xi est appliquée à un circuit correcteur d'asservissement Ax qui délivre un signal sx. Un circuit de commande Cx reçoit le signal sx et élabore une grandeur de commande du moteur Mx (un courant Ix dans le cas d'un moteur commandé en courant ou une tension Vx dans le cas d'un moteur commandé en tension ou une combinaison des deux). Comme déjà indiqué, lors du tracé d'une succession de vecteurs, il est nécessaire de descendre à une vitesse pratiquement nulle sur les deux axes X, Y à chaque changement de pente entre vecteurs consécutifs. C'est pourquoi, afin d'effectuer le tracé dans le minimum de temps, chaque vecteur est tracé en trois phases: une phase à accélération constante suivant l'application d'un échelon d'accélération positif pour parvenir à la vitesse optimale depuis la vitesse nulle, une phase à vitesse constante et une phase à décélération constante suivant l'application d'un échelon négatif d'accélération pour passer de la vitesse optimale à la vitesse nulle. Le circuit correcteur d'asservissement Ax peut etre de type classique à action proportionnelle, intégrale et différen tille; c'est-à-dire que le gain du circuit Ax est de la forme G(1+ki/p + kv.p), les coefficients G, G.ki et G.kv étant les composantes respectivement proportionnelle, intégrale et différentielle du gain. Pour toute boucle d'asservissement, une limitation du gain aux hautes fréquences est nécessaire à la stabilité de l'asservissement. Par conséquent, la boucle d'asservissement ne peut corriger immédiatement un échelon, ou saut d'accélération. Ainsi, après application d'un échelon d'accélération, une première réaction de l'asservissement ne se produit que lorsqu'une différence sensible est détectée entre vitesse réelle et vitesse de consigne. A cette première réaction qui tend à annuler l'erreur de vitesse succède une deuxième réaction tendant à annuler le trainage accumulé pendant la phase précédente. L'équilibre entre vitesses réelle et de consigne ainsi que l'égalité entre positions réelle et de. consigne ne sont rétablis qu'a la fin de cette seconde phase. Ces deux phases sont visibles sur la figure 3 où sont représentés, en trait plein, le tracé théorique à reproduire depuis l'origine A d'un vecteur et, en tirets, le tracé effectivement obtenu par suite de l'application d'un échelon d'accélération au point A. Conformément à l'invention, le trainage de l'asservissement est supprimé par association à la boucle d'asservissement d'une branche de commande directe. Un mode de réalisation d'un dispositif de commande selon l'invention est illustré par la figure 4. Les éléments communs aux dispositifs des figures 2 et 4 portent les memes références. Le dispositif de la figure 4 se distingue de celui de la figure 2 par l'établissement de liaisons directes, hors de la boucle d'asservissement entre le dispositif de pilotage Px et le circuit de commande Cx. Par ces liaisons directes, des signaux sYx et svx sont superposés au signal sx pour former un signal de commande scx. Le circuit de commande Cx reçoit le signal de comman de scx et élabore en conséquence la grandeur de commande Ix ou Vx du moteur Mx. Le signal ssx est proportionnel à l'accélération instantanée Yx et le signal svx est une fonction linéaire de la vitesse instantanée vx de la tête d'impression par rapport au support d'impression le long de l'axe X. Les grandeurs Xx et vx sont l'accélération et la vitesse de consigne telles que fournies par le dispositif de pilotage Px ou ces grandeurs sont disponibles. La commande directe n'est pas sujette aux limitations de gain aux hautes fréquences comme l'est la boucle d'asservissement. Dans la mesure où les relations entre les signaux sYx, svx et les grandeurs dx, vx représentent la réalité physique de la channe cinématique selon l'axe X, l'accélération du mobile commandé reproduit un échelon, ou saut, de la valeur de consigne d'accélération avec un minimum de temps dû à la seule constante de temps électrique du moteur. Dans le cas par exemple d'un moteur commandé en courant actionnant une cinématique de masse m présentant un coefficient de frottement visqueux kfv, la commande directe en courant a une composante proportionnelle à m. x et une composante proportionnelle a kfv.vx. Si le moteur présente un frottement sec, le frottement visqueux étant négligeable, la composante fonction de la vitesse est une constante qui n'est liée qu'au sens de la vitesse. Dans le cas de frottements secs et visqueux, la composante fonction de la vitesse a un terme constant et un terme proportionnel a la vitesse. Le terme proportionnel à l'accélération' x permet de produire la composante de force requise pour vaincre l'inertie des organes en mouvement en réponse à un échelon d'accélération avant qu'il soit nécessaire qu'une différence sensible apparaisse entre les vitesses réelle et de consigne. Quant au terme fonction de la vitesse vx, et déterminé en fonction des frottements visqueux et secs que le moteur doit équilibrer, il permet un déplacement à vitesse constante sans traNnage. La figure 5 illustre les variations des signaux sYx et svx au cours du tracé d'un vecteur AS en trois phases : une phase AA' à accélération constante, une phase A'A" à vitesse constante, et une phase A"B à décélération constante. En ce qui concerne le signal svx, la courbe en trait continu représente le cas où l'on effectue une correction de frottement visqueux . La courbe en pointillés tient compte à la fois de frottements visqueux et secs. Les coefficients entrant dans les signaux sAx, svx fonction des grandeurs Xx, vx peuvent être déterminés expérimentalement pour une machine à dessiner donnée et conserver ensuite longtemps des valeurs invariables en raison de la stabilité des caractéristiques de la machine et de la faiblesse des perturbations aléatoires auxquelles elle est soumise. Les conditions d'utilisation de la machine à dessiner peuvent impliquer de possibles modifications des caractéristiques d'une channe cinématique, par exemple le changement de la masse déplacée le long de l'axe Y lors d'un changement de l'organe d'écriture. Dans ce cas, plusieurs valeurs du coefficient de proportionnalité k peuvent être prédéterminées et enregistrées, La sélection de la valeur à utiliser étant réalisée en fonction des conditions d'utilisation du traceur. Les composantes directes du signal de commande, calculées en fonction de l'accélération et de la vitesse du mobile de consigne, constituent la partie principale de la commande nécessaire pour que le mobile commandé soit a tout instant dans la même position que le mobile de consigne. Dés lors, la boucle d'asservissement réalise une simple correction de la commande en apportant la précision nécessaire sur la position du mobile commandé. Aini, la boucle d'asservissement agit-elle principalement aux basses fréquences où son gain élevé garantit la précision. Bien que l'on ait envisagé ci-dessus le cas d'un moteur commandé en courant, L'invention est bien entendu également applicable aux moteurs commandés en tension ou aux moteurs commandés de façon mixte en courant et tension. Par ailleurs, d'une façon générale, on peut tenir compte de toutes les forces connues qui s'opposent au mouvement, frottement sec par exemple, pour calculer à tout instant la commande directe nécessaire à la production d'un mouvement accéléré. REVENDICATIONS 1. Procédé de commande de moteur de machine à dessiner dans laquelle une tete d'impression est déplacée relativement a un support d'impression suivant deux axes pour reproduire un tracé prédéterminé, et le déplacement suivant chaque axe est réalisé au moyen d'un moteur particulier qui entrain l'un des deux mobiles que constituent la tete et le support d'impression, procédé selon lequel le moteur est commandé à partir d'un signal de commande dont une première composante est délivrée par un circuit d'asservissement en fonction de l'écart entre les positions instantanées réelle et de consigne du mobile correspondant le long de l'axe considéré, caractérise en ce que le signal de commande a au moins une deuxième composante formée par un signal qui est reçu directement hors du circuit d'asservissement et qui est fonction de l'accélération instantanée de consigne dudit mobile. 2. Procédé selon La revendication 1, caractérisé en ce que ladite deuxième composante et proportionnelle à ladite accélération instantanée. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le coefficient de proportionnalité entre ladite deuxième composante et ladite accélération instantanée a une valeur pouvant être sélec tionnée parmi plusieurs valeurs prédéterminées. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le signal de commande a une troisième composante formée par un signal qui est reçu directement, hors du circuit d'asservissement, et qui est fonction de la vitesse instantanée de consigne dudit mobile. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que ladite troisième composante est proportionnelle à ladite vitesse instantanée. 6. Dispositif de commande de moteur d'une machine à dessiner comprenant deux moteurs d'entrainement (Mx, My) pour déplacer l'un par rapport à l'autre suivant deux axes les deux mobiles que constituent une tête d'impression (10) et un support d'impression (20) à partir de grandeurs de consigne fournies par un dispositif de pilotage, afin de reproduire un dessin prédéterminé sur le support d'impression au moyen de la tête d'impression, le dispositif de commande comprenant, pour chaque axe : un circuit de commande (Cx) pour élaborer une grandeur de commande du moteur correspondant (Mx), en fonction d'un signal de commande, un capteur fournissant un signal représentatif de la position réelle instantanée du mobile le long dudit axe ; et un circuit d'asservissement (Ax) ayant des entrées reliées au capteur et au dispositif de pilotage et une sortie reliée au circuit de commande, le circuit d'asservissement délivrant sur sa sortie un signal (sx) formant une première composante du signal de commande fonction de L'écart entre les positions instantanées réelle et de consigne dudit mobile, dispositif caractérisé en ce qu'il comprend en outre au moins une branche de commande directe reliant le dispositif de pilotage (Px) au circuit de commande (Cx) pour fournir une deuxième composante (syx) du signal de commande sous forme d'un signal fonction de l'accélération instantanée de consigne (yx) dudit mobile. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que ladite deuxième composante (syx) est proportionnelle à ladite accélération instantanée (yx). 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 6 et 7, caractérisé en ce qu'il comprend une branche de commande directe reliant le dispositif de pilotage (Px) au circuit de commande (Cx) pour fournir une troisième composante (svx) du signal de commande sous forme d'un signal fonction de la vitesse instantanée de consigne (vx) dudit mobile. 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que ladite troisième composante (svx) est proportionnelle à ladite vitesse instantanée (vx).