Brevet FR2651339A1 — publié le 19910301

-- I -- Dispositif d'asservissement d'un système à contre-réaction et application aux amplificateurs et servomécanismes La présente invention concerne un dispositif d'asservissement d'un système à contre-réaction tel qu'un amplificateur ou un servoméca- nisme. De tels dispositifs qui comprennent au moins une boucle de contreréaction, présentent des imperfections notamment sur le plan de la stabilité, du fait des déphasages introduits par la chaîne directe et la boucle de contre-réaction. C'est le cas, par exemple, pour les amplificateurs à transformateur de sortie o il peut se produire des oscillations sur charge capacitive, ou pour les amplificateurs de classe D dont le fonctionnement en commu- tation impose un filtrage avec des inductances et des condensateurs. Si ce déphasage atteint, pour une fréquence donnée, la valeur de 360 , un tel système oscille. Il en résulte une limitation de la plage d'utilisation relative au taux de contre-réaction (qui influe directement sur la précision) et à la bande passante. Ce système doit satisfaire à certaines exigences connues, notamment au critère de Nyquist. Un but de l'invention est de réaliser un dispositif d'asservis- sement d'un système à contre-réaction qui confère à l'ensemble une grande précision sans altérer la stabilité. Le dispositif d'asservissement d'un système à contre-réaction comprend selon l'invention un sommateur élaborant un signal de commande à partir d'un signal d'analyse et d'un signal de correction, un élément de traitement du signal de commande suivi du système à asservir générant un signal de sortie et se caractérise en ce que le signal d'analyse est issu d'un quadripôle recevant un signal d'entrée et en ce que ce signal de correction est élaboré par un module de correction qui réalise une fonction du signal d'entrée et du signal de sortie. Dans un premier mode de réalisation, ce quadripôle délivre un signal d'analyse identique au signal d'entrée. Dans un second mode de réalisation, ce quadripôle est un filtre passe-haut. De plus, dans le dispositif d'asservissement d'un système - 2- à contreréaction le module de correction comprend un amplificateur d'erreur traitant la différence du signal d'entrée et du signal de sortie et produisant un signal d'erreur, suivi de deux ensembles de traitement recevant chacun le signal d'erreur et élaborant des signaux de modification déphasés l'un par rapport à l'autre et un circuit d'addition effectuant la somme des deux signaux de modifi- cation pour délivrer le signal de correction. Par ailleurs, dans le dispositif d'asservissement d'un système à contreréaction le module de correction comprend un amplificateur d'erreur traitant la différence du signal d'entrée et du signal de sortie suivi d'un amplificateur sélectif produisant un signal d'erreur suivi, de deux ensembles de traitement recevant chacun ce signal d'erreur et élaborant des signaux de modification déphasés l'un par rapport à l'autre et un circuit d'addition effectuant la somme des deux signaux de modification pour délivrer le signal de correction. En outre, dans le dispositif d'asservissement d'un système à contreréaction l'un au moins des ensembles de traitement comprend un circuit de déphasage qui reçoit le signal d'analyse et produit un signal déphasé, un module d'extraction d'erreur qui reçoit ce signal déphasé et le signal d'erreur et produit un signal d'extraction et un circuit d'amplification recevant ce signal d'extraction suivi d'un multiplicateur effectuant le produit de ce signal déphasé et du signal de sortie du circuit d'amplification et fournissant le signal de modification. Par ailleurs, dans le dispositif d'asservissement d'un système à contreréaction l'un au moins des ensembles de traitement comprend un circuit de déphasage qui reçoit le signal d'entrée et produit un signal déphasé, un module d'extraction d'erreur qui reçoit ce signal déphasé et le signal d'erreur et produit un signal d'extrac- tion et un circuit d'amplification recevant ce signal d'extraction suivi d'un multiplicateur effectuant le produit de ce signal déphasé et du signal de sortie du circuit d'amplification et fournissant le signal de modification. Dans un premier mode de réalisation, le dispositif d'asservis- sement d'un système à contre-réaction est caractérisé en ce que - 3 - le module d'extraction d'erreur est un circuit de multiplication analogique, le signal d'extraction étant le produit du signal déphasé et du signal d'erreur. Dans un second mode de réalisation, le dispositif d'asservis- sement d'un système à contre-réaction est caractérisé en ce que le module d'extraction d'erreur est composé d'un circuit de mise en forme qui reçoit le signal déphasé pour produire un signal carré, et d'un appareil de détection synchrone dont l'entrée logique est le signal carré et l'entrée analogique le signal d'erreur qui produit le signal d'extraction. Avantageusement, dans le dispositif d'asservissement d'un système à contre-réaction le circuit d'amplification de l'un au moins desdits ensembles de traitement est un intégrateur. Dans une variante du dispositif d'asservissement d'un système à contreréaction le circuit d'amplification, de l'un au moins des ensembles de traitement est constitué d'un filtre passe-bas suivi d'un amplificateur. En outre, dans le dispositif d'asservissement d'un système à contreréaction le multiplicateur est constitué d'un circuit découpeur et d'un filtre passe-bande. Selon une première option, dans le dispositif d'asservissement d'un système à contre-réaction les deux ensembles de traitement comprennent un circuit déphaseur, les déphasages générés par ces deux circuits déphaseurs étant différents. Selon une deuxième option, dans le dispositif d'asservissement d'un système à contre-réaction un ensemble de traitement ne possède pas de circuit déphaseur et l'autre effectue un déphasage de 90 . Enfin, le dispositif d'asservissement d'un système à contre- réaction est caractérisé en ce que le sommateur qui élabore le signal signal d'erreur et le circuit d'addition qui élabore le signal de correction sont réunis en un seul élément qui est un sommateur à trois entrées. L'invention s'applique par exemple à l'asservissement d'un amplificateur ou d'un servomécanisme. Les différents objets et caractéristiques de l'invention - 4- apparaîtront maintenant de manière plus détaillée dans la description d'exemples de réalisation donnés à titre non limitatif à laquelle sont annexées les figures suivantes qui représentent: - la figure 1, un schéma par blocs d'un dispositif d'asservissement d'un système à contre-réaction selon l'invention, - la figure 2, un module de correction, - la figure 3, une variante d'un module de correction, - la figure 4, un ensemble de traitement, - la figure 5, un mode de réalisation d'un module d'extraction d'erreur, - la figure 6, la fonction d'un circuit de mise en forme, - la figure 7, la fonction d'un appareil de détection synchrone, - la figure 8 une variante d'un ensemble de traitement, - la figure 9, un mode de réalisation d'une variante d'un dispositif d'asservissement d'un système à contre-réaction, - la figure 10, un deuxième mode de réalisation d'une variante d'un dispositif d'asservissement d'un système à contre-réaction. Les objets présents dans différentes figures porteront les mêmes références. Le dispositif d'asservissement selon l'invention représenté dans la figure 1 comprend un sommateur 1 qui élabore un signal de commande 2 à partir d'une grandeur d'entrée 3 et d'un signal de correction 4. Le signal de commande est ensuite injecté dans un amplificateur 5, la sortie de cet amplificateur attaquant le système à asservir 6. Ce système délivre une information destinée à piloter l'asservissement sous la forme d'un signal de sortie 7. Le signal de correction 4 est élaboré dans un module de correction 8 qui réalise une combinaison du signal d'entrée et du signal de sortie. Le module de correction 8 représenté dans la figure 2 comprend en étage d'entrée, un amplificateur d'erreur 9. L'amplificateur d'erreur 9 produit un signal d'erreur 10 qui est la différence du signal d'entrée 3 et du signal de sortie 7. Ce signal d'erreur attaque ensuite deux ensembles de traitement 11, 12 qui produisent des signaux de modification 13, 14. Ces deux signaux de modification sont ensuite ajoutés dans un circuit d'addition 15 tel qu'un sommateur dont la sortie est le signal de correction 4. Dans une variante de réalisation du module de correction 8 représentée dans la figure 3, celui-ci comprend également un amplificateur sélectif 30 qui reçoit le signal de sortie de l'amplifi- cateur d'erreur 9 et produit le signal d'erreur 10. Cet amplificateur sélectif 8, accordé sur la fréquence fondamentale du signal d'entrée 3, effectue la réjection des harmoniques présents à la sortie de l'amplificateur d'erreur 9. Un ensemble de traitement représenté dans la figure 4 comprend un circuit de déphasage 16 qui reçoit le signal d'entrée 3 et délivre un signal déphasé à un module d'extraction d'erreur 20. Le module d'extraction d'erreur qui reçoit également le signal d'erreur 10, consiste, dans un premier mode de réalisation, en un circuit de multiplication analogique qui effectue le produit des deux signaux appliqués sur ses entrées; il délivre un signal d'extraction 29. Dans un second mode de réalisation représenté dans la figure 5, le module d'extraction d'erreur 20 comprend un circuit de mise en forme 31 qui produit à partir d'un signal périodique 18 un signal logique carré 19 de même période représenté dans la figure 6. Ce signal carré est injecté sur l'entrée logique d'un appareil de détection synchrone 33. Cet appareil dont le fonctionnement est symbolisé dans la figure 7, est équipé d'une entrée logique et d'une entrée analogique et délivre sur sa sortie le signal 22 appliqué sur l'entrée analogique si l'entrée logique 23 est activée, et l'opposé du signal 22 si cette entrée est inactivée. La valeur moyenne 24 du signal de sortie 21, si le signal d'entrée 22 est sinusoidal et si le signal appliqué sur l'entrée logique est à la même fréquence, est donc proportionnelle au cosinus du déphasage entre ces deux signaux. Le signal d'erreur 10 est appliqué sur l'entrée analogique de l'appareil de détection synchrone 33, la sortie de cet appareil étant injectée sur un circuit d'amplification 25. Dans un mode de réalisation, ce circuit d'amplification est un intégrateur. Dans un autre mode de réalisation, ce circuit est - 6 - constitué d'un filtre passe-bas et d'un amplificateur de gain élevé. Dans les deux cas, les constantes de temps sont choisies très grandes devant la période du signal d'entrée 3. Cet ensemble de traitement comprend, pour terminer, un multiplica- teur 26 qui effectue le produit du signal déphasé 18 issu du circuit de déphasage 16 et de la sortie du circuit d'amplification 25; le résultat en est un signal de modification 13, 14. Ce multiplicateur, dans une forme de réalisation de l'ensemble de traitement représentée dans la figure 8 est remplacé par un circuit découpeur. Dans cette figure, la liaison en pointillé reliant le circuit de déphasage 16 au module d'extraction d'erreur 20 corres- pond au cas o ce dernier est un circuit de multiplication analogique, la liaison en trait plein reliant le circuit de mise en forme 31 au module d'extraction d'erreur correspondant au cas o celui-ci est un appareil de détection synchrone. Le circuit découpeur comprend un interrupteur analogique 27 pourvu d'une entrée logique et d'une entrée analogique qui transmet sur sa sortie le signal appliqué sur son entrée analogique si son entrée logique est activée et ne transmet rien dans le cas contraire. Le signal de sortie du circuit d'amplification 25 est appliqué sur l'entrée analogique, tandis que le signal de sortie du circuit de mise en forme 17 est injecté sur son entrée logique. Un filtre passe-bande 28 est disposé à la sortie de cet interrupteur analogique 27 car il faut éliminer la composante continue et les harmoniques pour conserver uniquement la fréquence fondamentale du signal de sortie du circuit de mise en forme 31. Dans un mode particulier de réalisation, le premier ensemble de traitement est conforme à celui décrit ci-dessus et son circuit de déphasage introduit un déphasage de 90 par exemple, le second ensemble étant identique si ce n'est qu'il ne comporte pas de circuit de déphasage. On peut, plus généralement, utiliser deux ensembles de traitement comprenant chacun un circuit déphaseur, produisant des déphasages distincts. Il apparaît donc clairement que le dispositif d'asservissement permet de faire une correction vectorielle en ajoutant au signal --7 -- d'entrée 3 deux signaux de modification 13, 14 qui agissent sur la phase et sur l'amplitude du signal de commande 2. Les sommateurs 1 (fig.1) et 15 (fig.2) qui sont représentés par deux éléments distincts pour la clarté de l'exposé sont évidemment susceptibles d'être réunis en un seul élément à trois entrées. Suite à la description des divers éléments constitutifs du dispositif, le fonctionnement sera analysé de manière plus précise. A la mise sous tension, le signal de correction 4 étant nul, l'amplificateur 5 voit donc sur son entrée le signal d'entrée 3. Le système à asservir 6 génère un signal de sortie 7. L'amplificateur d'erreur 9 engendre un signal d'erreur 10 qui est appliqué éventuel- lement à la suite d'un filtrage sur chaque ensemble de traitement 11, 12. Pour un ensemble de traitement, la sortie du circuit d'amplifica- tion 25 voit sa tension varier sous l'influence du signal d'erreur. Cette tension appliquée au multiplicateur 26 apporte un correctif au signal d'entrée, réduisant le signal d'erreur. Si le circuit d'amplification 25 est un intégrateur, la sortie de celui-ci va dériver de plus en plus lentement jusqu'à une valeur d'équilibre correspondant à une erreur nulle. Si le circuit d'amplification est constitué d'un filtre passe-bas et d'un amplificateur l'erreur n'est pas annulée mais proportionnelle à l'inverse du gain de cet amplificateur, gain que l'on peut choisir suffisamment grand pour que l'erreur soit admise dans les spécifications du dispositif. Lorsqu'un changement intervient dans le système à asservir 6, variation de la charge s'il s'agit d'un amplificateur par exemple, l'ensemble de traitement réagit de la même manière que décrite ci-dessus. Les considérations relatives à un ensemble de traitement s'appliquent à l'autre. La réunion de ces deux ensembles permet donc d'annuler ou de réduire de manière satisfaisante les deux composantes du signal d'erreur. L'objectif est donc atteint. Il est important de noter que l'élément sensible du dispositif d'asservissement est l'amplificateur 9. C'est la précision de cet élément qui détermine la précision du dispositif d'asservissement car les erreurs des autres éléments, celles des multiplicateurs -- 8 -- et des circuits de déphasage notamment, sont compensées par cette boucle. En particulier, les rotations de phase engendrées par l'amplifi- cateur sélectif 30 sont sans effet. Ce dispositif trouvera application dans les amplificateurs asservis, notamment dans ceux que l'on utilise pour la protection et le contrôle des réseaux de distribution d'électricité. De tels amplificateurs ont un gain en puissance très important, puisqu'ils traitent un signal de quelques mW issu de diviseurs capacitifs pour l'amener jusqu'à 50 ou 100 VA. Ils assurent une fonction de protection et doivent donc assurer une précision de 3% avec une grande rapidité. Ils ont également une fonction de mesure qui nécessite une précision de 0,2% sur une longue période d'intégration. Le dispositif s'appliquera également dans des asservissements tels que des servomécanismes. Dans une variante de réalisation du dispositif d'asservissement d'un système à contre-réaction, l'ensemble des considérations précé- dentes s'appliquent. De plus ce dispositif comprend un quadripôle 37 tel qu'un circuit de filtrage, qui reçoit le signal d'entrée 3. Ce circuit de filtrage, dans un premier mode de réalisation représenté dans la figure 9, produit un signal de sortie qui est appliqué à la place du signal d'entrée 3 sur le sommateur 1. Dans un deuxième mode de réalisation représenté dans la figure 10, le signal de sortie du circuit de filtrage 37 comme précédemment est appliqué sur le sommateur 1, mais, de plus, il est appliqué sur l'entrée des circuits de déphasage 16 des deux ensembles de traitement 11, 12 à la place du signal d'entrée 3. Ce circuit de filtrage 37, un filtre passe-haut par exemple, élimine les composantes continues ou apériodiques indésirables que peut présenter le signal d'entrée 3 en régime transitoire. Dans le cas de la mesure de la haute tension d'une ligne de distribution d'électricité au moyen d'un diviseur capacitif, le signal de sortie de ce diviseur qui sera le signal d'entrée 3 du dispositif d'asservissement, peut présenter de telles composantes indésirables. En effet la ligne présente une très forte constante de temps lorsqu'elle est ouverte, notamment après l'ouverture d'un 9- disjoncteur. Si le réenclenchement du dispositif intervient dans un délai court devant cette constante de temps, le condensateur du diviseur capacitif qui reçoit une tension égale à la haute tension diminuée de la tension de mesure ne sera pas déchargé et le signal de sortie de ce diviseur sera la somme du signal de mesure proprement dit et d'un signal parasite à décroissance exponentielle typique de la décharge d'un condensateur. Le circuit de filtrage 37 permet d'éliminer ce signal parasite et tous les inconvénients qu'il peut engendrer. - 10 - REVENDICATIONS 1/ Dispositif d'asservissement d'un système à contre-réaction compre- nant un sommateur (1) élaborant un signal de commande (2) à partir d'un signal d'analyse (38) et d'un signal de correction (4), un élément de traitement (5) dudit signal de commande suivi dudit système à asservir (6) générant un signal de sortie (7), caractérisé en ce que ledit signal d'analyse (38) est issu d'un quadripôle (37) recevant un signal d'entrée (3) et en ce que ledit signal de correction (4) est élaboré par un module de correction (8) qui réalise une fonction dudit signal d'entrée (3) et dudit signal de sortie (7). 2/ Dispositif d'asservissement d'un système à contre-réaction selon la revendication précédente, caractérisé en ce que ledit quadripSle (37) délivre un signal d'analyse (38) identique au signal d'entrée (3). 3/ Dispositif d'asservissement d'un système à contre-réaction selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit quadripôle (37) est un filtre passe-haut. 4/ Dispositif d'asservissement d'un système à contre-réaction selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit module de correction (8) comprend un amplificateur d'erreur (9) traitant la différence dudit signal d'entrée (3) et dudit signal de sortie (7) et produisant un signal d'erreur (10), suivi de deux ensembles de traitement (11, 12) recevant chacun ledit signal d'erreur et élaborant des signaux de modification (13, 14) déphasés l'un par rapport à l'autre et un circuit d'addition (15) effectuant la somme desdits deux signaux de modification pour délivrer ledit signal de correction (4). / Dispositif d'asservissement d'un système à contre-réaction selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ledit module de correction (8) comprend un amplificateur d'erreur (9) traitant la différence dudit signal d'entrée (3) et dudit signal de sortie (7) suivi d'un amplificateur sélectif (30) produisant un signal d'erreur (10), suivi de deux ensembles de traitement (11, 12) recevant chacun ledit signal d'erreur et élaborant des signaux de modification (13, 14) déphasés l'un par rapport à l'autre - 11 - et un circuit d'addition (15) effectuant la somme desdits deux signaux de modification pour délivrer ledit signal de correction (4). 6/ Dispositif d'asservissement d'un système à contre-réaction selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que l'un au moins desdits ensembles de traitement (11, 12) comprend un circuit de déphasage (16) qui reçoit le signal d'analyse (38) et produit un signal déphasé (18), un module d'extraction d'erreur (20) qui reçoit ledit signal déphasé et ledit signal d'erreur (10) et produit un signal d'extraction (29) et un circuit d'amplification (25) recevant ce signal d'extraction suivi d'un multiplicateur (26) effectuant le produit dudit signal déphasé et du signal de sortie dudit circuit d'amplification et fournissant ledit signal de modification (13, 14). 7/ Dispositif d'asservissement d'un système à contre-réaction selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que l'un au moins desdits ensembles de traitement (11, 12) comprend un circuit de déphasage (16) qui reçoit le signal d'entrée (3) et produit un signal déphasé (18), un module d'extraction d'erreur (20) qui reçoit ledit signal déphasé et ledit signal d'erreur (10) et produit un signal d'extraction (29) et un circuit d'amplification (25) recevant ce signal d'extraction suivi d'un multiplicateur (26) effectuant le produit dudit signal déphasé et du signal de sortie dudit circuit d'amplification et fournissant ledit signal de modification (13, 14). 8/ Dispositif d'asservissement d'un système à contre-réaction selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que le module d'extraction d'erreur (20) est un circuit de multiplication analogique, ledit signal d'extraction (29) étant le produit dudit signal déphasé (18) et dudit signal d'erreur (10). 9/ Dispositif d'asservissement d'un système à contre-réaction selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que ledit module d'extrac- tion d'erreur (20) est composé d'un circuit de mise en forme (31) qui reçoit ledit signal déphasé (18) pour produire un signal carré (19), et d'un appareil de détection synchrone (33) dont l'entrée logique est ledit signal carré et l'entrée analogique ledit signal d'erreur qui produit ledit signal d'extraction (29). 10/ Dispositif d'asservissement d'un système à contre-réaction - 12 - selon l'une queleonque des revendications 6 à 9, caractérisé en ce que ledit circuit d'amplification (25) de l'un au moins desdits ensembles de traitement est un intégrateur. 11/ Dispositif d'asservissement d'un système à contre-réaction selon l'une quelconque des revendications 6 à 9, caractérisé en ce que ledit circuit d'amplification (25), de l'un au moins desdits ensembles de traitement est constitué d'un filtre passe-bas suivi d'un amplificateur. 12/ Dispositif d'asservissement d'un système à contre-réaction selon l'une quelconque des revendications 6 à 11, caractérisé en ce que ledit multiplicateur (26) est constitué d'un circuit décou- peur (27) et d'un filtre passe-bande (28). 13/ Dispositif d'asservissement d'un système à contre-réaction selon l'une quelconque des revendications 4 à 12, caractérisé en ce que lesdits deux ensembles de traitement (11, 12) comprennent un circuit déphaseur (16), les déphasages générés par ces deux circuits déphaseurs étant différents. 14/ Dispositif d'asservissement d'un système à contre-réaction selon l'une quelconque des revendications 4 à 12, caractérisé en ce que l'un desdits deux ensembles de traitement ne possède pas de circuit déphaseur et en ce que l'autre effectue un déphasage de 90 . / Dispositif d'asservissement d'un système à contre-réaction selon l'une queleonque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit sommateur (1) qui élabore ledit signal signal d'erreur et ledit circuit d'addition (15) qui élabore ledit signal de correction sont réunis en un seul élément qui est un sommateur à trois entrées. 16/ Application du dispositif d'asservissement d'un système à contre- réaction selon l'une quelconque des revendications précédentes à l'asservissement d'un amplificateur. 17/ Application du dispositif d'asservissement d'un système à contre- réaction selon l'une quelconque des revendications 1 à 15 à l'asservis- sement d'un servomécanisme.