Brevet FR2645648A1 — publié le 19901012

La présente invention concerne un dispositif de mesure de la vitesse de rotation notamment d'un moteur de cage de laminoir. Les différents systèmes connus dans l'état de la technique, pour la mesure de vitesse de rotation ou de déplacement, sont basés pour la plupart sur deux principes. à savoir - sur la mesure d'une tension engendrée par une dynamo tachymétrique. ou - sur un comptage d'impulsions délivrées par un générateur d'impulsions. tire dynamo tachymétrique engendre une tension proportionnelle à sa vitesse d'entrainement. Le temps de réponse de cette dynamo est suffisamment court pour que l'on puisse utiliser son signal de sortie comme image de la vitesse de rotation pour une régulation de vitesse d'un moteur. Cependant, cette dynamo présente un certain nombre d'inconvénients. et notamment une précision moyenne qui est de 1 ordre de 1Z pour du matériel standard. Elle nécessite par ailleurs un entretien régulier lié aux problèmes d'usure des balais et pose -des problèmes classiques de mécanique d'entrainement. à savoir de vibrations. de rupture de courroie, etc.. De plus. le signal de sortie des dynamos est en général perturbé par des phénomènes de commutation des balais et il est nécessaire d'effectuer des étalonnages fréquents lorsque l'on recherche une certaine précision. Les générateurs d'impulsions délivrent quant à eux un nombre d'impulsions proportionnel à leur vitesse de rotation. La vitesse est alors calculée en comptant le nombre d impulsions délivrées pendant un temps déterminé. Ce nombre d'impulsions peut ensuite étre converti en valeur analogique image de la vitesse par l'intermédiaire d'un convertisseur numériqueanalogique. Les générateurs d'impulsions n ont pas besoin d'étalonnage et plus le nombre d'impulsions comptées est important. plus la précision de la mesure est bonne. Deux solutions peuvent étre envisagées en vue d'améliorer la précision de ces générateurs d'impulsions. La première de ces solutions consiste en une augmentation du nombre d'impulsions engendrées à chaque tour du générateur d'impulsions. On se heurte alors à des problèmes de technologie de construction des générateurs et de plus. 1 augmentation du nombre d'impulsions par tour ne va pas dans le sens de la fiabilité des générateurs. Une seconde solution consiste en une augmentation de l'intervalle de temps de lecture du compteur d'impulsions. Cette dernière solution apporte une grande précision avec un générateur classique. Cependant, la valeur contenue dans le compteur n'est pas utilisée en régulation comme image de la vitesse. si la fréquence de lecture est trop faible. En effet. l'image de la vitesse possède alors un retard incompatible avec une regulation performante. Un autre inconvénient des générateurs d'impulsions est qu'ils sont liés comme la dynamo tachymétrique aux problèmes mécaniques d entrainement. Le but de l'invention est donc de résoudre les problèmes évoqués précédemment en proposant un dispositif qui assure une mesure de vitesse par comptage d'un grand nombre d'impulsions, dont la périodicité de lecture boit .très faible. qui ne soit pas entrane' méCaniquement, qui ne nécessite aucun entretien, et qui par ailleurs soit simple. fiable et d'un prix de revient peu élevé. A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif de mesure de la vitesse de rotation de tout système rotatif et notamment d'un moteur de cage de laminoir, du type comportant des moyens de génération d'impulsions représentatives de la vitesse de rotation. caractérisé en ce que les impulsions sont ap pliquées à travers une première porte OU-EXCLUSIF å une entrée d'au moins une boucle i verrouillage de phase comprenant un comparateur de phase, des moyens de filtrage du signal issu de ce comparateur. un oscillateur commandé par tension dont la sortie délivre un signal représentatif de la vitesse de rotation. un compteur dont l'entrée est reliée i la sortie de l'oscillateur et dont la sortie. est reliée i une entrée du comparateur à travers une seconde porte OU-EXCLUSIF. des moyens de mise en forme de la tension de sortie du comparateur, étant interposés entre la sortie du comparateur et les moyens de filtrage, L'invention sera mieux comprise i l'aide de la description qui vr suivre, donnée uniquement o titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés. sur lesquels - la Fig.l représente un schéma synoptique d'un dispositif de régulation de vitesse d'un moteur comportant un dispositif de mesure selon l'invention: et - la Fig.2 représente un schéma d'un dispo actif de mesure de vitesse selon l'invention. Un dispositif de régulation de vitesse par exemple d'au moteur t. représenté sur la Fig.1, uti lise comme entrée des impulsions de fréquence faible, ces impulsions étant représentatives de la vitesse de rotation que l'on veut mesurer. Ces impulsions peuvent etre issues soit d'un générateur d'impulsions s'il en existe déjà un sur le moteur ou l'installation dont il y a lieu de controler la vitesse de rotation, soit de simples capteurs comme représenté en 2. le mode de fonctionnement de ces derniers pouvant étre de tout type connu. tomme par exemple optique, magnetique ou autre. Ces impulsions issues des capteurs 2 sont ensuite mis en forme dans des moyens de mise en forme 3 reliés à un dispositif de mesure de vitesse selon l'invention 4, qui sera décrit plus en détail par la suite. La sortie de ce dispositif de mesure de vitesse est reliée à un microprocesseur 5 dont la sortie est reliée à un convertisseur numerique-analogique 6 lui mme relié à des moyens de régulation 7, ces moyens assurant une comparaison du signal issu du convertisseur 6 à une valeur de référence R avant Ci attaquer des moyens de contrôle 8, par exemple de la tension d'alimentation du moteur, connectés entre celui-ci et le réseau d'alimentation pour adapter la vitesse de rotation du moteur. Le dispositif de mesure de vitesse 4, selon l'invention, repose sur une multiplication synchrone des impulsions issues des capteurs 2 sur une grande plage de fonctionnement, sans introduction d'erreurs de mesure lors de variations de vitesse. Cette multiplication est assurée par une ou plusieurs boucles à verrouillage de phase dont les paramètres d'entrée sont asservis à sa propre fre- quence de fonctionnement ou adaptés comme cela sera décrit par la suite, pour que l'ensemble ainsi cons titué bénéficie de caractéristiques nécessaires à une mesure de vitesse de précision. Auprès multiplication, le signal issu du dispositif selon l'invention incrémente alternative-ment deux compteurs intégrés dans le microprocesseur 5. Le contenu de chaque compteur est ensuite lu å une fréquence par exemple d'environ 50 Hz. Bien que cette fréquence soit faible. l'effet de la multiplication permet d'obtenir un grand nombre d'impulsions dans chaque compteur donc une grande precision. Le contenu des compteurs est ensuite adressé par ce microprocesseur à l'entrée du convertisseur numérique-analogique 6 pour fournir aux moyens de régulation 7 un signal image de la vitesse du moteur. Dans le cas où le nombre d'impulsions engendrées à chaque tour de l'arbre du moteur dont on veut déterminer la vitesse, est trop faible, il est possible d'augmenter le nombre de capteurs 2 et donc le nombre de signaux introduits dans les moyens de mise en forme 3, ces moyens traitant ces signaux pour engendrer un signal de fréquence multiple du nombre de capteurs vers l'entrée du dispositif de mesure selon l'invention. Le dispositif de mesure selon l'invention est représenté plus en détail sur la Fig.Z. Les signaux issus de l'étage de mise en forme décrit précédemment sont transformés par une première porte OU-EXCLUSIF 10, dont une entrée reçoit un signal d'entrée E et dont l'autre entrée reçoit également le signal ~E mais å travers une résistance 11 et est reliée au OV de l'alimentation à travers un condensateur 12. La sortie de cette porte OU-EXCLUSIF est reliée à la broche 14 d'un circuit 13 de boucle à verrouillage de phase, constitué par exemple par un composant du type HC 4046, fabriqué par la Société National Semi-Conductor. La porte OU-EXCLUSIF 10 engendre une impulsion de très courte durée à chaque changement d'étant du signal d'entrée E, ceci afin d'obtenir une correction d'erreur par la boucle à verrouillage de phase deux fois plus fréquente que dans le cas où le signal d'entrée E est directement appliqué sur la broche 14 du circuit 13. Le signal de sortie de la porte OU-EXCLUSIF 10 est appelé 1 par la suite. Une seconde porte OU-EXCLUSIF 14 dont la sortie est reliée à la broche 3 du circuit 13 reçoit en entrée directement et à travers une résistance 15. la sortie d'un compteur qui sera décrit plus en détail par la suite. Un condensateur 16 relie également l'entrée de cette porte OU-EXCLUSIF 14 recevant le signal du compteur à travers la résistance 15, au OV de la source d'alimentation. Le signal de sortie de cette porte OU-EXCLU SIF 14 est appelé par la suite 2, ce signal présentant les memes caractéristiques que le signal 81 décrit précédemment. L'écart de phase des impulsions des signaux 81 et 2 est traite par la boucle à verrouillage de phase et notamment par le circuit 13, qui engendre en réponse à cet écart, un signal emanant d'un comparateur interne sur la broche 13, ce signal pouvant présenter trois états, à savoir: - un état "haute impédance" si aucun écart de phase n'est détecté entr-e B1 et 2, - une tension de OV si g est en retard de phase sur 02, - une tension de 5v Si 91 est en avance de phase sur 92. Les broches de sortie 1 et 13 du circuit à boucle de verrouillage de phase 13 sont reliées à des moyens 17 de mise en forme de la tension de sortie du comparateur. A cet effet, la broche 1 est reliée aux entrées d'une porte ET inversée 18 dont la sortie est reliée à des bornes d'entrée d'une première porte ET 19 et d une seconde porte ET 20, ces portes 19 et 20 étant également inversées. La broche 13 de sortie du circuit 13 est quant à elle reliée aux entrées d'une porte ET inversée 21. de meme qu'à une borne d'entrée de la porte ET 19 mentionnée précédemment. La sortie de la porte ET inversée 21 est reliée à l'autre entrée de la porte ET inversee 20. Les portes 19 et 20, sous la commande des signaux de sortie des broches 1 et 13 du circuit 13, engendrent des signaux respectivement A1 et A2. Ces signaux A1 et A2 sont actifs lorsqu'ils sont à OV, le signal A1 étant actif lorsque #2 est en avance sur 81, c est à dire que la broche 1 de sortie du circuit 13 est à "0" tandis que la broche 13 de sortie de celuici est à "1". et le signal A2 étant actif lorsque 91 est en avance sur 92, c'est à dire lorsque la broche 1 dé sortie du circuit 13 est à O et la broche 11 de sortie de celui-ci est également à "0", Ces signaux At et A2 sont appliqués aux grilles respectivement de deux transistors à effet de champ 22 et 23, le drain du transistor 22 étant relié au + 15V à travers une résistance 24, tandis que sa grille est reliée à une tension d'alimentation de + 5V. La source du transistor à effet de champ 23 est également reliée à cette tension de + 5V, tandis que son drain est relié à une tension de - 15V à travers une résistance 25. Le drain du transistor à effet de champ 22 est également relié à la grille d'un autre transistor à effet de rhamp 26 dont la source est reliée au + 15V et dont le drain est relié au drain d'un autre transistor a effet de champ 27 dont la source est reliée au - 15V. Le grille de ce transistor à effet de champ 27 est reliée au drain du transistor à effet de champ 23. Ainsi, lorsque le signal Al passe à OV. le transistor 22 se sature, ce qui a pour effet de saturer le transistor 26. amenant ainsi le point B commun aux drains des transistors 26 et 27, à + 15V. De meme,lorsque le signal A2 passe à OV, le transistor 23 se sature, ainsi que le transistor 27. ce qui a pour effet d'amener le point B à une tension de - 15V. Lorsque les signaux Al et A2 sont tous les deux à l'état "t", le point B commun aux drains des deux transistors 26 et 27. est dans un état de haute impédance. Ce point B est relié à la broche 9 du circuit 13. c'est à dire à l'entré de l'oscillateur commandé par tension du circuit à boucle de verrouillage de phase. à travers une résistance 28. Ld sortie de cet oscillateur, à la broche 4 du circuit 13. est reliée à une broche d'entrée 10 d'un compteur 29 dont les sorties sont reliées aux entrées de la porte 14 mentionnée précédemment. La broche 4 de ce circuit 13 constitue également la sortie S du circuit délivrant une image de la vitesse de rotation. La broche 9 de ce circuit 13 est également reliée à une borne d une résistance 30 dont l'autre borne est relié d'une part au DV de l'alimentation. à travers un condensateur 31 et d'autre part à une entrée non-lnverseuse d'un amplificateur opérationnel 32, de meme qu'à une borne d'un condensateur 33 dont l'autre borne est reliée au drain d'un transistor à effet de champ 34 dont la source est reliée au OV. L'entrée inverseuse de l'amplificateur opérationnel 32 est rebouclée sur sa sortie. Cette sortie est également reliée à travers deux diodes 35 et 36 en série, au point milieu entre deux resistances 37 et 38, 1 autre borne de la résistance 37 étant reliée au OV, tandis que l'autre borne de la résistance 38 est reliée à l'entrée inverseuse d'un second amplificateur opérationnel 39. L'entrée non-inverseuse de cet amplificateur opérationnel 39 est reliée au OV, tandis que son entrée inverseuse est également reliée à sa sortie à travers une résistance 40 et un condensateur 41 en parallèle. La sortie de cet amplificateur opérationnel 39 est également reliée à la broche 11 du circuit 13, à travers une résistance 42 et à la grille du transistor à effet de champ 34 décrit précédemment. Du fait de la mise en forme des signaux de sortie du comparateur du circuit à boucle de verrouillage de phase, à la broche 13 de ce circuit, par les moyens décrits précédemment, et comportant les composants référencés de 8 à 27, la charge des condensateurs 31 et 33 est assurée à partir de la tension au point B à travers les résistances 28 et 30 et non pas directement par la tension aux broches 13 et 9 du circuit 13, comme c'était le cas dans la technique antérieure lorsque ces deux bornes étaient reliees par une simple résistance. Un condensateur 43 dont la fonction sera décrite plus en détail par la suite, est également connecté entre les broches 6 et 7 du circuit 13. Le système qui vient d'être décrit, notamment les moyens de mise en forme de la tension de sortie du circuit 13 et plus particulièrement du comparateur de celui-ci, augmente considérablement la rapidité de réaction de la boucle i verrouillage de phase aux fréquences extremes. Il évite la perte ou le surnombre d'impulsions en sortie de l'oscillateur lors de variations brutales de la fréquence d'entrée. On sait en effet que dans les montages antérieurs classiques, on utilise la sortie du comparateur de la boucle à verrouillage pour piloter la tension d'entrée de l'oscillateur à travers un filtre passe-bas. Lorsque la fréquence de fonctionnement est faible, la tension d'entre de l'oscillateur est basse.Lors d'une diminution de la fréquence en sortie de la porte d'entrée, la sortie du comparateur passe à O pendant un temps égal à l'intervalle sépa- rant les deux signaux 91 et 82. A cet instant. la tension en entrée de l'oscillateur est basse, le entre celle-ci et le OV est donc faible, La tension aux bornes des condensateurs 31 et 43 diminue très lentement, selon une loi exponentielle et le niveau de sortie du comparateur est alors insuffisant pour compenser les variations de la fréquence d'entrée. Ainsi l'augmentation brutale du couple ré sistif d'une machine sera perçue apyres un certain délai, ce qui entraine un défaut de régulation sur les impacts de charge à faible vitesse. Ces problèmes ne se rencontrent plus avec le dispositif selon l'invention. Trois paramètres déterminent la frequence de fonctionnement de l'oscillateur, à savoir - le condensateur 43, - la tension d'entrée de l'oscillateur, et - la résistance 42. Dans le meilleur des cas de l'état de la technique, le rapport entre la fréquence maximale et la fréquence minimale de fonctionnement est de l'ordre de 10/1. Cependant, ce rapport n est pas acceptable dans la majorité des applications. Pour résoudre ces problèmes. le dispositif selon l'invention comporte des moyens permettant de faire varier le courant dans la résistance 42 en fonction de la tension aux bornes du condensateur 31 et donc en fonction de la frequence de fonctionnement. Ces moyens permettant de faire varier ce courant, et donc d'asservir celui-ci à la fréquence, comprennent les amplificateurs opérationnels 32 et 39 et leurs circuits associes. L'amplificateur 32 est monte en gain de I pour découpler la tension d'entrée de l'oscillateur. Cette tension se retrouve, au seuil des diodes 35 et 36 près, aux bornes de la résistance 37. L'amplifica- teur 39 amplifie et filtre la tension aux bornes de la résistance 37. La tension de sortie de cet amplificateur 39 draine dans la résistance 42 un courant fonction de la tension à l'entrée de l'oscillateur. Ce dispositif permet de réguler le courant de commande de l'oscillateur, pour lui-permettre de travailler dans une plage de fréquence beaucoup plus importante que celle utilisée dans l'état de la technique. Les diodes 35 et 36 créent un seuil d'action du dispositif pour des fréquences très basses, la tension aux bornes du condensateur 31 pouvant être alté- rée le temps de la correction d'erreur par la boucle à verrouillage de phase. Grace aux seuils des diodes 35 et 36, ces variations de tension ne sont pas prises en compte par l'amplificateur operationnel 39, ce qui évite l'entrée en oscillation du système. Grace aux différents moyens qui viennent d'être décrits, le rapport entre la fréquence maximale et la fréquence minimale de fonctionnement peut être de l'ordre de 1000/1. Par ailleurs, pour optimiser les performances de la boucle sur toute l'étendue de la plage de fréquence, il s'avère intéressant d'asservir la fré- quence de coupure du filtre constituée par les résistances 28,30 et les condensateurs 31 et 33. Ainsi, on asservit la fréquence de coupure de ce filtre à la fréquence de fonctionnement de la boucle pour constituer un filtre wauto-adaptatif ". Cet asservissement est réalisé par l'intermédiaire du transistor à effet de champ 34 commande par la sortie de l'amplificateur opérationnel 39, le signal à cette sortie étant lui-meme fonction de la fréquence de fonctionnement de la boucle à verrouillage de phase. Lorsque cette fréquence s'élève, la tension en sortie de l'amplificateur opérationnel 39 devient plus négative, ce qui tend à bloquer le transistor 34 et à inhiber le condensateur 33 dans la fonction de trans fert du filtre décrit. Inversement. lorsque la fréquence de fonctionnement de la boucle diminue, le condensateur 33 est progressivement mis en service å travers le condensateur 34. On conçoit donc que le dispositif de mesure selon l'invention permet d'optimiser une mesure de vitesse en utilisant au moins une boucle à verrouillage de phase dont les paramètres d'entrée sont asservis à sa propre fréquence de fonctionnement. REVENDICATIONS 1. Dispositif de mesure de la vitesse de rotation de tout système rotatif et notamment d'un moteur (1) de cage de laminoir, du type comportant des moyens (2) de génération d'impulsions représentatives de la vitesse de rotation, caractérisé en ce que les impulsions sont appliquées à travers une première porte OU-EXCLUSIF (10) à une entrée d'au moins une boucle (13) à verrouillage de phase comprenant un comparateur de phase. des moyens de filtrage (28,30.31.33) du signal issu de ce comparateur, un-oscillateur commandé par tension dont la sortie délivre un signal (S) représentatif de la vitesse de rotation, un compteur (29) dont l'entrée est reliée å la sortie de l'oscillateur et dont la sortie est reliée à une entrée du comparateur à travers une seconde porte OU-EXCLLjSIF (14). des moyens (18 à 27) de mise en forme de la tension de sortie du comparateur étant interposés entre la sortie du comparateur et les moyens de filtrage. 2. Dispositif selon la revendication 1, caracterisé en ce qu'il comporte des moyens 13Z,34,39) d'asservissement de la fréquence de coupure des moyens de filtrage à la fréquence de fonctionnement de l'oscillateur. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2. caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (32, 39) d'asservissement du courant d'alimentation de l oscil- lateur à la fréquence de fonctionnement de celui-ci. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes. caractérisé en ce que les moyens de mise en forme comprennent des portes logiques (18,19,20.21) associées à des transistors (22. 23,26.27) pour découpler et amplifier le signal de sortie du comparateur vers le reste des circuits de la boucle à verrouillage de phase. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en te que les moyens d'asservissement de la fréquence de coupure des moyens de filtrage comprennent un premier amplificateur opérationnel (32) de decouplage, recevant en entrée un signal issu des moyens de filtrage et dont la sortie est reliée à l'entrée d'un second amplificateur ope- rationnel (39) dont la sortie commande un transistor (34 > d'asservissement de l'inhibition d'un condensa- teur (33 > dans la fonction de transfert des moyens de filtrage à la fréquence de fonctionnement de l'oscillateur. 6. Dispositif selon les revendications 3 et 5. caractérisé en ce que la sortie du second amplificateur opérationnel (39) est reliée à l'entrée d'ali- mentation de l'osçillateur à travers une résistance (42) de manière à asservir le courant d'alimentation de celui-ci à sa fréquence de fonctionnement.