Brevet FR2630274A1 — publié le 19891020

DISPOSITIF DE COMMANDE D'UN MOTEUR A COURANT CONTINU L'invention concerne les moteurs à courant continu, et plus particulièrement, les dispositifs de commande de tels moteurs pour contrôler leur couple et leur vitesse. Le schéma de principe d'un dispositif de commande du couple et de la vitesse d'un -moteur à courant continu est donné par la figure 1. Le moteur 1 comprend un induit 2 et un inducteur séparé 3. L'induit 2 est alimenté par une source d'alimentation en courant continu 4 via des transistors de commutation 5 et 6 aux bornes desquels sont connectées respectivement des diodes 7 et 8. L'inducteur 3 est alimenté par une source d'alimentation 12 par l'intermédiaire d'un transistor 23. Les bases des transistors 5, 6 et 12 sont connectées à un circuit électronique 9 qui fournit les signaux de commande desdits transistors. Dans le mode traction, le transistor 5 est conducteur et un courant circule dans ledit transistor et dans l'induit 2 suivant le sens indiqué par la flèche 10. En roue libre, le courant circule par la diode 8. Dans le mode freinage, le transistor 6 est conducteur et le courant circule dans l'induit 7 suivant le sens indiqué par la flèche 11. En roue libre, le courant circule par la diode 7. Dans un tel montage, les transistors de commutation 5 et 6 doivent être capables de soutenir des puissances élevées et d'importantes variations de courant aux instants de commutation. En outre,ils doivent être rapides et il en est de même des diodes 7 et 8. Ce montage conduit à utiliser des composants rapides de grande puissance qui sont coûteux et complexes à mettre en oeuvre car ils nécessitent une implantation et un câblage soignés. Un but de la présente invention est donc de réaliser un dispositif de commande d'un moteur à courant continu qui ne présente pas les inconvénients ci-dessus, notamment en n'utilisant qu'un seul transistor de commutation et des diodes d'aiguillage du type classique, c'est-à-dire sans rapidité particulière. L'invention se rapporte à un dispositif de commande d'un moteur à courant continu comportant un induit et un inducteur séparé, caractérisé en ce qu'il comprend - un premier dispositif de commutation pour connecter l'induit à une source d'alimentation - un deuxième dispositif de commutation pour faire circuler le courant dans l'induit dans un premier sens ou dans un deuxième sens, - un troisième dispositif de commutation pour connecter l'inducteur à la source d'alimentation, et - un circuit de commande desdits dispositifs de commutation de manière à faire circuler le courant dans l'induit dans un premier sens pour obtenir un effet de traction dans une première direction et dans un deuxième sens pour obtenir un effet de freinage. Alors que les dispositifs de commutation peuvent être tous du type à semiconducteurs, il est aussi prévu que le deuxième dispositif de commutation soit du type électromécanique. Pour obtenir une traction en marche arrière ainsi qu'un freinage correspondant, le circuit d'alimentation de l'inducteur comprend en outre un circuit inverseur pour inverser le sens du courant dans l'inducteur. La commande des premier et troisième dispositifs de commutation est obtenue par des signaux modulés en largeur qui, dans le cas du premier dispositif de commutation, peuvent être à fréquence variable. La modification de la vitesse du moteur est obtenue en modifiant d'abord la durée de conduction du premier dispositif de commutation puis celle du troisième dispositif de commutation ou inversement en cas de freinage. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description suivante d'un exemple particulier de réalisation, ladite description étant faite en relation avec les dessins joints dans lesquels - la figure 1 est un schéma de principe d'un dispositif de commande d'un moteur à courant continu selon l'art antérieur, - la figure 2 est un schéma de principe d'un dispositif de commande d'un moteur à courant continu selon la présente invention, - la figure 3 est un schéma électrique correspondant à la configuration traction du dispositif de l'invention, - la figure 4 est un schéma électrique correspondant à la configuration freinage du dispositif de l'invention, et - la figure 5 est un schéma fonctionnel d'un circuit électronique de commande des éléments de commutation du dispositif de la figure 2. La figure 1, qui correspond à l'art antérieur, a été decrite dans le préambule. La figure 2 est le schéma de principe du dispositif de commande d'un moteur à courant continu 1 selon l'invention comprenant un induit 2 et un inducteur séparé 3. Ce dispositif comprend un seul transistor de commutation 15 dont le collecteur C est connecté à la borne positive d'une source d'alimentation 4. L'émetteur E est connecté à une borne 17 de l'induit 2 par l'intermédiaire d'un inverseur 16 lorsque ce dernier est dans la position O et à une borne 18 de l'induit par une diode 19 dont l'anode est reliée au transistor 15. Cette borne 18 de l'induit 2 est connectée à la borne positive de la source d'alimentation 4 par l'intermédiaire d'une diode 20 tandis que la borne 17 de l'induit est connectée à la borne négative de la source d'alimentation 4 par l'intermédiaire de l'inverseur 16 dans la position 1. Une diode 21 est connectée entre la borne négative de la source d'alimentation 4 et l'émetteur E du transistor 15 de manière que sa cathode soit reliée audit transistor. Le transistor 15 est un transistor de commutation de puissance, la diode 21 est une diode rapide, les diodes 19 et 20 sont des diodes du type banal et l'inverseur peut être de tout type connu et, de préférence, du type électromécanique. La base B du transistor 15 est connectée à un circuit électronique 22 qui fournit les signaux de commande dudit tr-ansistor. Ce circuit 22 fournit également les signaux de commande du transistor 23 de manière à contrôler l'alimentation de l'inducteur 3. La position 1 de l'inverseur 16 détermine le mode traction tandis que la position O définit le mode freinage. La figure 3 indique le sens des courants qui circulent dans le mode traction suivant cette configuration électrique. La flèche 25 indique le trajet du courant lorsque le transistor 15 est conducteur et montre que l'induit est alimenté par la source 4 via le transistor 15 et la diode passante 19. En l'absence de conduction du transistor, le moteur est en roue libre et le courant circule selon la flèche en tirets 26, c'est-à-dire via la diode 21 et la diode 19, toutes deux passantes. La figure 4 indique le sens des courants de conduction directe et de roue libre dans la configuration électrique du mode freinage. Ainsi, lorsque le transistor 15 est conducteur, alors que l'inverseur 16 est en position 0, le courant circule selon la fleche 27 de sorte que l'induit est alimenté en sens inverse du mode traction via la diode 20. En l'absence de conduction du transistor 15 en mode freinage, le moteur est en roue libre et le courant circule selon le sens indiqué par la flèche en tirets 28, c'est-a-dire via les diodes 21 et 20. La figure 5 est un schéma fonctionnel simplifié d'un exemple particulier de réalisation du circuit électronique 22. I1 comprend des organes de commande 30 et 31, faisant partie d'un dispositif de commande 44, qui sont à la disposition de l'opérateur pour lui permettre de démarrer le moteur dans le sens de la traction et au besoin l'accélérer (référence 30) ou le freiner (référence 31). Ces organes de commande 30 et 31 sont représentes par des potentiomètres dont les tensions de sortie ou consignes sont appliquées à un circuit 32 qui réalise une adaptation d'impédance et d'échelle de valeur des signaux. Le dispositif de commande 44 comprend d'autres organes de commande qui n'ont pas été représentés, il s'agit, notamment, de la mise sous tension, de l'inversion traction AVANT - traction ARRIERE, etc.. .11 comprend aussi des voyants de contrôle non représentés. Le circuit 32 est connecte à un générateur de rampe 34 par l'intermédiaire d'un dispositif de commutation 33 dont les différentes positions sont commandées par des signaux appliqués sur des autres entres 55, 47 et 48, lesdits signaux étant élaborés respectivement par un circuit à seuils 40, un circuit logique 45 et l'organe de commande 31,. Ce générateur de rampe 34 fournit, en réponse à des tensions escalier, des signaux qui varient linéairement en fonction du temps et avec une pente faible. Le circuit 34 a pour but d'éviter des variations trop rapides du courant dans l'induit suite à une manipulation rapide des organes de commande 30 et 31. Il est connecté à un circuit de limitation 35 qui maintient l'amplitude des rampes dans certaines limites ou butées dont les valeurs peuvent être différentes selon qu'il s'agit d'un courant de traction ou d'un courant de freinage. Après leur passage dans le circuit de limitation 35, ces signaux sont appliqués à un circuit comparateur 36 qui reçoit par ailleurs un signal représentatif de l'amplitude du courant d'induit fourni par un capteur 49. La sortie du circuit comparateur 36, qui fournit un signal représentatif de l'écart entre le signal de commande et le signal de courant d'induit, est connectée à un circuit modulateur 37 qui reçoit des signaux de forme triangulaire d'un générateur 41. Le circuit modulateur 37 fournit des signaux rectangulaires dont le facteur de forme varie en fonction du signal de comparaison fourni par le circuit 36. Le circuit modulateur 37 est connecté à la base du transistor 15 par l'intermédiaire d'un circuit 50 qui réalise la commutation selon que le signal de commande est un signal de traction ou de freinage. Pour commander le courant circulant dans l'inducteur, c'est-à-dire en fait la conduction du transistor 23, il est prévu un système équivalent à celui utilise pour commander le courant circulant dans l'inducteur. Ce système a pour but d'obtenir un courant inducteur moyen de valeur donnée qui reste fixe tant que la tension d'induit est inférieure à sa valeur dite de définition. Ce courant inducteur diminue ensuite à partir de cette valeur donnée de manière à désexciter l'inducteur et ainsi augmenter la vitesse du moteur lorsque l'opérateur continue à vouloir augmenter la vitesse. Le système de commande du courant inducteur comprend un générateur de signaux triangulaires 42, analogue au générateur 41, dont la sortie est connectee à un circuit modulateur 43 analogue au circuit modulateur 37. Ce circuit modulateur 43 reçoit par ailleurs un signal de sortie d'un comparateur 51 qui compare un signal représentatif du courant inducteur, fourni par un capteur 52, à un signal représentatif du signal de commande fourni par le circuit comparateur 36. Lorsque le signal représentatif de la commande devient supérieur au signal représentatif du courant inducteur, le circuit modulateur 43 commence à agir sur la conduction du transistor 23 de manière à le bloquer pendant une partie variable de la période des signaux triangulaires fournis par le générateur 42. Selon la présente invention, pour rester dans les limites de dissipation compatibles avec le dimensionnement thermique, il est prévu de faire varier la fréquence des signaux triangulaires fournis par le circuit 41. Ainsi, dans un exemple particulier de réalisation, la fréquence peut varier de 3000 hertz à 500 hertz lorsque ce facteur de forme passe de 0.5 à 1. A cet effet, le générateur 41 est commande en tension par un circuit 53 qui reçoit un signal représentatif de la vitesse obtenue par une chaîne de mesure comprenant en série un capteur de vitesse 38, un convertisseur frequence/tension 39 et un circuit à seuils 40 dont le rôle sera explique ci-après. L'ensemble générateur 41 et son circuit de commande 53 réalise la fonction suivante entre la vitesse N du moteur et la fréquence F des signaux triangulaires pour 0 pour N0/2 pour N > No f = Fmin = 500 hertz No étant la vitesse de définition du moteur. Le circuit à seuils 40 est prévu pour fournir des signaux d'alarme sur ces sorties 46,54, et 55 selon que la vitesse est nulle, dépasse une certaine valeur dite valeur d'alarme, ou encore une autre valeur dite d'action supérieure à la valeur d'alarme. La sortie 56 correspond à un signal direct (sans seuil) qui est appliqué au circuit 53. Ces différents signaux alarme ainsi que d'autres signaux tels que ceux provenant du dispositif de commande 44 sont appliqués à un circuit logique 45 qui réalise un certain nombre de fonctions logiques. Les signaux logiques qui en résultent et qui apparaissent sur des sorties 47, 58 à 61 sont appliqués respectivement aux différents circuits du schéma de la figure 5 et, notamment, aux circuits 33, 43, 16, 29 et 50. Le circuit de commutation 33 a pour fonction de faire passer le dispositif de la position traction à la position freinage et inversement avec priorité à la position freinage. Le circuit 50 a pour fonction d'inverser les temps de conduction et de blocage du transistor 15 quand-le dispositif passe de la position traction à la position freinage et inversement. Le principe de fonctionnement du dispositif de commande d'un moteur à courant continu selon l'invention est le suivant. Le contrôle du couple et de la vitesse du moteur est assuré par la régulation du courant d'induit, par exemple par modulation de largeur dudit courant comme décrit en relation avec la figure 5. Lorsque la vitesse N du moteur est inférieure ou égale à sa vitesse de définition No, le courant d'induit est régulé par modulation de largeur ou temporelle et le courant inducteur circule en permanence. Lorsque la vitesse N du moteur est supérieure à No, le courant d'induit n'est plus modulé. L'induit est alimenté en permanence a tension constante et l'augmentation de vitesse est obtenue par modulation temporelle du courant inducteur, ce qui diminue le flux inducteur dans le moteur. Lorsque l'opérateur freine, le fonctionnement décrit ci-dessus dans le cas de la traction est répété, mais dans l'ordre inverse, c'est-à-dire que l'on augmente d'abord le courant inducteur puis que l'on diminue ensuite la tension d'induit lorsque le courant d'inducteur est revenu à sa valeur maximale. Ce mode de fonctionnement explique ci-dessus dans son principe, est légèrement modifié par l'utilisation d'une fréquence variable de commande des signaux d'induit de manière à diminuer la fréquence de modulation lorsque la tension induit augmente. Le fonctionnement détaillé du circuit électronique de la figure 5 sera maintenant décrit en supposant que l'opérateur souhaite avancer en augmentant sa vitesse. En agissant sur la commande 30, il fournit une variation de tension au circuit 32 qui est transformé en une rampe par le circuit 34. Le simple fait d'actionner la commande 30 a pour effet de commander la position du commutateur 33 dans la position traction. Lorsque l'amplitude du signal de rampe dépasse une certaine valeur, il est écrêté dans le circuit 35 pour éviter une augmentation trop grande du courant d'induit. Ce signal écrête est comparé au signal représentatif du courant d'induit dans le circuit 36 de manière à obtenir -un signal d'écart qui est appliqué au modulateur 37; il en résulte une modification de la largeur des impulsions appliquees à la base du transistor 15 de manière que ce dernier soit bloqué en absence de commande de traction et se débloque sur une partie de la période en présence d'une commande de traction.On régule ainsi le courant d'induit à la valeur fixée par l'opérateur à l'aide de la commande 30. Au fur et à mesure que l'opérateur souhaite augmenter sa vitesse, le facteur de forme augmente pour devenir égal à 1, le transistor 15 conduit alors en permanence. C'est alors qu'interviennent les circuits 42, 43 et 51 qui, recevant le signal de commande fourni par le circuit 36, bloquent le transistor 23 pendant une partie de la période des signaux triangulaires fournis par le générateur 42. Il en résulte une diminution du courant inducteur moyen et donc du flux inducteur : la vitesse N du moteur continue à augmenter. Lorsque l'opérateur freine, il agit sur la commande 31, ce qui a pour effet de changer la position du commutateur 33 qui passe sur la sortie correspondant à la consigne de freinage. Cette commande modifie également la position de l'inverseur 16 pour le mettre en l'état 0. Après modification de la pente du signal de freinage (circuit 34), et son écrêtage éventuel (circuit 35), le signal de sortie du circuit comparateur 36 a une valeur négative par rapport au signal de traction, ce qui a pour effet de diminuer la valeur des signaux appliqués aux modulateurs 37 et 43. La valeur initiale de ces signaux était telle que la conduction du transistor 23 était modulée en duree, une diminution de cette valeur a pour résultat d'augmenter cette durée de conduction, ceci d'autant plus que l'ordre de freinage est important. Dès que le courant inducteur n'est plus modulé, le freinage s'effectue par action sur la modulation de conduction du transistor 15 de manière à diminuer le temps de conduction dudit transistor. Pour passer de la traction AVANT à la marche ARRIERE, l'opérateur commande l'inverseur 29, de manière à inverser l'alimentation de l'inducteur 23, ce qui change le sens du flux et donc le sens de rotation du moteur si le courant d'induit garde le même sens. L'invention a été décrite par l'intermédiaire de schémas de principe, mais il est clair que les schémas de réalisation s'en écartent sensiblement tout en restant dans le cadre de l'invention. En outre, le type de commande qui a été décrite est celle d'une modulation temporelle des courants d'induit et d'inducteur mais l'invention s'applique également pour d'autres types de commande à condition de mettre en oeuvre le schéma de la figure 2. REVENDICATIONS 1. Dispositif de commande d'un moteur à courant continu (1) comportant un induit (2) et un inducteur séparé (3) caractérisé en ce qu'il comprend - un premier dispositif de commutation (15, 21) pour connecter l'induit (2) à une source d'alimentation (4) - un deuxième dispositif de commutation (16, 19, 20) pour faire circuler le courant dans l'induit (2) dans -un premier sens ou dans un deuxième sens, - un troisième dispositif de commutation (23) pour connecter l'inducteur à une source d'alimentation (4, 12), et - un circuit de commande (22) desdits dispositifs de commutation, de manière à faire circuler le courant dans l'induit dans un premier sens pour obtenir un effet de traction dans une première direction, et dans un deuxième sens pour obtenir un effet de freinage. 2. Dispositif de commande selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un quatrième dispositif de commutation du type inverseur (29) connecté dans le circuit d'alimentation de l'inducteur (3), de manière à inverser le sens du courant dans ledit inducteur et ainsi obtenir un effet de traction dans une deuxième direction contraire à la première. 3. Dispositif de commande selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les dispositifs de commutation (15, 16, 23, 29) sont réalisés à l'aide de semiconducteurs. 4. Dispositif de commande selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le deuxième dispositif de commutation (16) est du type électromécanique. 5. Dispositif de commande selon la revendication 1, 2 ou 4, caractérisé en ce que le quatrième dispositif de commutation (29) est du type électromécanique. v 6. Dispositif de commande selon l'une quelconque des revendications précédentes 1 à 5, caractérisé en ce que le circuit de commande (22) comprend - des moyens (30 à 37 et 41) pour obtenir un signal de commande du premier dispositif de commutation (15) de manière à alimenter périodiquement l'induit (2) pendant une durée variable en fonction de la vitesse souhaitée du moteur quel que soit le mode traction ou freinage, - des moyens (44, 45) pour obtenir un signal pour commander, d'une part, le deuxième dispositif de commutation (16) de manière à inverser le sens du courant dans l'induit (2), et d'autre part, le circuit inverseur logique (50) de manière à inverser les temps de conduction et de blocage du premier dispositif de commutation (15) quand le dispositif de commande passe de la position traction à la position freinage et inversement. 7. Dispositif de commande selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens (42, 43, 51) pour alimenter périodiquement l'inducteur (3) pendant une durée variable en fonction de la vitesse souhaitée dès que la tension d'induit moyenne est supérieure à une certaine valeur dite de définition. 8. Dispositif de commande selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que la fréquence d'alimentation de l'induit et de l'inducteur est constante au cours du temps. 9. Dispositif de commande selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que la fréquence d'alimentation de l'inducteur (3) est constante au cours du temps et en ce que la fréquence d'alimentation de l'induit (2) varie au cours du temps en fonction de la vitesse du moteur (1) de manière à diminuer lorsque la vitesse du moteur augmente.