Brevet FR2653242A1 — publié le 19910419

-1- La présente invention concerne un dispositif d'asser- vissement numérique dont la fonction est de commander un équipement d'une très grande précision. Les dispositifs d'asservissement numérique élaborent une commande sous la forme d'un nombre qui est généralement binaire. Si l'équipement à asservir est prévu pour recevoir une commande analogique, une tension dans la plupart des cas, il faut prévoir un convertisseur numérique- analogique qui convertit un nombre binaire en une tension proportionnnelle à ce nombre. La ré- solution d'un tel dispositif est imposée par la résolution du con- vertisseur qui est elle-même fonction de sa capacité en nombre de bits. Les convertisseurs 12 bits disponibles dans le commerce sont très précis et sont fabriqués par de nombreux constructeurs, ils sont peu coûteux. On trouve également des convertisseurs 16 bits. Les convertisseurs 18 bits, la plus grande capacité actuelle- ment disponible, sont très coûteux. La présente invention a donc pour objet un dispositif d'asservissement numérique offrant la résolution d'un convertisseur numérique analogique 18 bits à un coût bien inférieur. Elle permet également l'asservissement d'équipements avec une résolution meil- leure que celle d'un convertisseur 18 bits. Le dispositif d'asservissement numérique selon l'invention comprend un premier convertisseur numéri- que-analogique, cet équipement recevant sur son entrée un signal d'asservissement et produisant un signal de mesure de la grandeur à asservir, un système de traitement de l'information fournissant une valeur de correction à ce convertisseur en fonction de ce signal de mesure et d'une valeur de consigne et se caractérise en ce qu'il comprend au moins un ensemble de réglage qui reçoit sur son entrée une valeur de réglage et qui produit un signal de réglage, un sommateur sur les entrées duquel sont appliqués le signal de correction et un signal de réglage et qui fournit le signal d'asservissement et en ce que le système de traitement d'informa- -2- tion comprend des moyens pour calculer, outre la valeur de correc- tion, une valeur de réglage. Dans un premier mode de réalisation du dipositif d'asservissement numérique, l'ensemble de réglage comprend un convertisseur numériqueanalogique qui reçoit la valeur de réglage, suivi d'un diviseur de tension qui produit le signal de réglage, cette valeur de réglage représentant une contribution au signal d'asservissement en rapport avec le facteur de division du diviseur de tension. Dans une variante de réalisation, le dispositif d'as- servissement numérique comprend un module de temporisation qui reçoit sur son entrée un signal intermédiaire issu du sommateur et qui produit sur sa sortie le signal d'asservissement, un comparateur qui reçoit sur ses entrées ce signal intermédiaire et ce signal d'asservissement et qui fournit sur sa sortie une infor- mation situant le signal d'asservissement par rapport au signal intermédiaire destinée au système de traitement d'information; de plus, le système de traitement d'information comprend des moyens pour, lorsque la valeur de correction a été modifiée, agir sur une valeur de règlage de manière à ce que le signal intermédiaire et le signal d'asservissement tendent à être égaux. Dans un deuxième mode de réalisation du dispositif d'asservissement numérique, l'ensemble de réglage comprend un convertisseur numériqueanalogique dont la tension de référence est une fraction de la tension de référence du premier convertisseur, la valeur de réglage représentant une contribution au signal d'asservissement en proportion avec ladite fraction. Le dispositif d'asservissement numérique trouvera application notamment dans l'asservissement d'un oscillateur commandé en tension. Les différents objets et caractéristiques de l'inven- tion apparaîtront maintenant de manière plus détaillée dans la des- cription d'exemples de réalisation donnés à titre non limitatif en se référant aux figures annexées qui représentent: - La figure 1, le diagramme d'un dispositif d'asservissement numé- -3- rique selon l'invention, - La figure 2, un organigramme décrivant le fonctionnement de ce dispositif, - La figure 3, le diagramme d'une variante d'un dispositif d'asser- vissement numérique selon l'invention. - La figure 4, un organigramme décrivant le fonctionnement de cette variante. Les éléments présents dans différentes figures porte- ront une seule référence. Le dispositif d'asservissement numérique représenté dans la figure 1 comprend un équipement 1 qui doit être asservi. Cet équipement 1 reçoit sur son entrée un signal d'asservissement 2 et produit une grandeur de sortie 3 et un signal de mesure 4 de cette grandeur. Il comprend également un système de traitement d'infor- mation 5 qui reçoit le signal de mesure 4 et une valeur de consigne 6, et fournit une valeur de correction 7 et une valeur de réglage 8, ces deux valeurs étant des nombres binaires. Le dispositif d'asservissement numérique comprend aussi un premier convertisseur numérique-analogique 9 qui convertit la valeur de correction 7 en un signal de correction 10. Il comprend un deuxième convertisseur numérique-analogique 11 qui reçoit sur son entrée la valeur de règlage 8 et qui est suivi d'un diviseur de tension 13 qui produit un signal de réglage 14. Le signal d'asservissement 2 est produit par un somma- teur 15 qui reçoit sur ses entrées le signal de correction 10 et le signal de règlage 14. Les deux convertisseurs 9, 11 sont ici supposés identi- ques, c'est-à-dire qu'ils produisent une même tension de sortie pour une même valeur numérique en entrée. Le diviseur de tension 13 produit sur sa sortie une tension égale à sa tension d'entrée divisée par un facteur k. Le signal de règlage 14 apporte donc une contribution k fois moins importante que le signal de correction 10 dans l'élaboration du signal d'asservissement 2. Il est possible d'obtenir un résultat similaire sans sortir du cadre de l'inven- -4- tion, en modifiant la tension de référence d'un des convertisseurs par exemple. Le mode d'asservissement adopté dans cet exemple de réalisation est de type incrémental, ce qui ne doit pas être consi- déré comme une limitation de l'invention. Dans un asservissement de ce type, on compare le signal de mesure 4 à la valeur de consigne 6; l'action engagée par le dispositif d'asservissement dépend uniquement de la position relative de ces deux nombres, le signal de mesure 4 étant considéré comme une donnée numérique. Si le signal de mesure 4 est inférieur à la valeur de consigne on augmente le signal d'asservissement 4 de la plus petite quantité possible eu égard aux performances des convertisseurs. Si le signal de mesure 4 est supérieur à la valeur de consigne 6 on diminue le signal d'asservissement de la plus petite quantité possible. Enfin si le signal de mesure et la valeur de consigne sont identiques on ne modifie pas les signaux de commande. Les moyens permettant de réaliser un tel asservissement seront maintenant précisés en se référant à la figure 2. Pour la clarté de cette figure, certaines conventions ont été adoptées pour la définition de différentes valeurs caractéristiques. Le deuxième convertisseur reçoit sur son entrée la valeur de règlage 8 que l'on appellera aussi R. On utilise ce convertisseur sur une certaine plage entre une valeur minimale Rm et une valeur maximale RM,Rm et RM étant choisis tels que leur différence soit supérieure au fac- teur de division k. On définit également deux autres valeurs RI et R2 dont l'utilité sera explicitée ultérieurement. La valeur de cor- rection 7 appliquée sur le premier convertisseur sera nommée C, la valeur de consigne 6 portera de même la référence V et le signal de mesure 4 la référence M. Ainsi, le système de traitement d'information 5 com- prend des moyens pour comparer M, le signal de mesure 4 et V, la valeur de consigne 6: 1.M est inférieur à V; R, la valeur de règlage 8 est comparée à RM: 1.1 R est égal à RM; le deuxième convertisseur ne peut -5- pas, dans ce cas, être incrémenté, C la valeur de correction 7 est alors incrémentée, la valeur de R est forcée à RI; 1.2 R est différent de RM; R est incrémentée; 2. M est supérieur à V; R, la valeur de règlage 8 est comparée à Rm: 2.1 R est égal à Rm; R ne peut pas être décrémentée, C est décrémentée et R est forcée à R2; 2.2 R est différent de Rm; R est décrémentée; 3. M est égal à V: ni R, ni C ne sont modifiées. En théorie, si tous les éléments étaient parfaits, on pourrait prendre R2 égal à RM et Ri égal à Rm. Cependant, pour com- penser des petites erreurs dûes aux convertisseurs 9,11 et au divi- seur de tension 13 on choisit R2 un peu inférieur à RM et RI un peu supérieur à Rm tels que la différence de R2 et de RI soit supérieu- re à k. On évite ainsi des oscillations qui pourraient se produire si le signal d'asservissement 2 diminuait légèrement après une opé- ration devant le faire augmenter ou, au contraire, s'il augmentait légèrement après une opération devant le faire diminuer. Dans une variante du dispositif d'asservissement selon l'invention, les mêmes considérations s'appliquent. Cependant on a apporté les modifications suivantes qui apparaissent dans la fi- gure 3. Un module de temporisation 20 est intercalé entre le somma- teur 15 et l'équipement 1 à asservir. Ce module de temporisation reçoit sur son entrée le signal de sortie du sommateur 15 que l'on appelera désormais signal intermédiaire 21; il produit sur sa sortie le signal d'asservissement 2. Ce module de temporisation 20 peut être une ligne à retard qui transmet sur sa sortie 2 le signal appliqué sur son entrée avec un retard T. Avantageusement, le module de temporisation 20 sera un échantilloneur-bloqueur qui modifie sa sortie avec une fréquence de récurrence correspondant à la période T. A chaque début de période il répercute sur sa sortie le signal qu'il voit sur son entrée; durant le reste de la période, il ne tient pas compte du signal d'entrée. Le dispositif d'asservissement comprend également un comparateur 22 qui reçoit sur ses entrées le signal intermédiaire 21 et le signal -6d'asservissement 2. Il produit une information de sortie 23 destinée au système de traitement d'information 5. Cette information de sortie signifie si le signal d'asservissement 2 est supérieur, inférieur ou égal au signal intermédiaire 21. En se référant au fonctionnement classique d'un comparateur qui produit une information de sortie binaire relative à la différence des signaux appliqués sur ses deux entrées sous réserve que cette différence soit supérieure à un seuil, on admettra que les deux signaux appliqués sur le comparateur 22 sont égaux dès qu'une variation d'un incrément de la valeur de réglage 8 aura provoqué le basculement de ce comparateur 22. De plus ce comparateur sera choisi tel que son seuil soit inférieur à la variation du signal intermédiaire 21 correspondant à un incrément de la valeur de réglage 8. Cette variante du dispositif d'asservissement permet, lorsque le deuxième convertisseur 11 a atteint une des extrémités de sa plage de fonctionnement (R = RM ou R= Rm), de rattraper les erreurs dUes aux deux convertisseurs 9,11 et au diviseur de tension 13. Lorsque la valeur de correction 7 a été modifiée, le dispositif agit sur la valeur de réglage 8 de manière à établir un signal in- termédiaire 21 dont la valeur est égale à celle du signal d'asser- vissement 2; la période T est choisie telle que le temps nécessaire à cette opération soit inférieur à T. Le dispositif peut ensuite procéder à une modification de la valeur de réglage 8. Les moyens permettant de réaliser un tel asservissement seront maintenant précisés en se référant à la figure 4. En supplé- ment des références précédemment adoptées qui restent valables, nous appellerons I le signal intermédiaire 21, A le signal d'asser- vissement 2; nous utiliserons également un registre F qui sera po- sitionné à O si le signal d'asservissement 2 doit être diminué et qui sera positionné à 1 si ce signal doit être augmenté. Ainsi, le système de traitement d'information 5 com- prend des moyens pour comparer M, le signal de mesure 4 et V, la valeur de consigne 6: 1- M est inférieur à V; R, la valeur de réglage 8 est -7comparée à RM: 1.1 R est égal à RM; C, la valeur de correction 7 est incrémentée, R, la valeur de réglage 8 est forcée à Rl, le registre F est positionné à 1, ensuite, A, le signal d'asservissement 2 est comparé à I le signal intermédiaire 21: 1.1.1 A est supérieur à I; R est incrémentée, A et I sont à nouveau comparés, et selon le résultat de cette comparaison, l'une des étapes 1.1.1, 1.1.2 ou 1.1.3 est effectuée; 1.1.2 A est inférieur à I; R est décrémentée, A et I sont à nouveau comparés et selon le résultat de cette comparaison, l'une des étapes 1.1.1,1.1.2 ou 1.1.3 est effectuée; 1.1.3 A et I sont égaux; la valeur de F est alors tes- tée: 1.1.3.1 F=O; R est décrémentée; 1.1.3.2 F=1; R est incrémentée; 1.2 R est différent de RM; R est incrémentée; 2. M est supérieur à V; R, la valeur de réglage 8 est comparée à RM: 2.1 R est égal à Rm; C, la valeur de correction 7 est décrémentée, R la valeur de réglage 8 est forcée à R2, le registre F est positionné à O, ensuite, A, le signal d'asservissement 2 est comparé à I, le signal intermédiaire 21: 2.1.1 A est supérieur à I; R est incrémentée, A et I sont à nouveau comparés et selon le résultat de cette comparaison, l'une des étapes 2.1.1, 2.1.1 ou 2.1.3 est effectuée. 2.1.2 A est inférieur à I; R est décrémentée, A et I sont à nouveau comparés et selon le résultat de cette comparaison, l'une des étapes 2.1. 1, 2.1.2 ou 2.1.3 est effectuée; 2.1.3 A et I sont égaux; la valeur de F est alors testée: 2.1.3.1 F=O; R est décrémentée; 2.1.3.2 F=1; R est incrémentée; 2.2 R est différent de Rm; R est décrémentée; 3 M est égal à V; ni R, ni C ne sont modifiées. Le dispositif d'asservissement numérique selon l'inven- -8- tion permet ainsi d'obtenir une résolution meilleure que celle du convertisseur 9 sous réserve que k soit supérieur à l'unité. Il va sans dire que, sans sortir du cadre de l'inven- tion, on peut multiplier les ensembles de réglage, un ensemble de réglage étant constitué d'un convertisseur semblabe au deuxième convertisseur 11 et d'un diviseur de tension semblabe au diviseur 13. Chaque ensemble de réglage, dans ce cas, a son propre facteur de division k. Le signal d'asservissement 2 ou le signal intermé- diaire 21 est alors la somme du signal de correction 10 et des signaux issus des différents ensembles de réglage. Le système de traitement d'information 5 comprend alors des moyens similaires à ceux décrits cidessus pour élaborer les valeurs numériques destinées aux différents convertisseurs. Le dispositif d'asservissement numérique selon l'inven- tion trouvera avantageusement application dans la commande d'un os- cillateur de très haute stabilité. L'excursion de fréquence rappor- tée à la fréquence centrale de fonctionnement d'un tel oscillateur est souvent comprise entre 10-7 et 10-6 pour une tension de comman- de variant entre 0 et 10 volts. Le présent dispositif peut être configuré, par exemple, de la manière suivante: - convertisseurs 9,11: 12 bits, tension de référence lOV, diviseur de tension 13 ayant un facteur de division k égal à 100, comparateur 22 ayant un seuil de 20 La variation minimale du signal de règlage 14 est ainsi de 24,4 V ce qui correspond à une variation minimale du signal d'asservissement de 57 V compte tenu du seuil du comparateur 22 et de l'erreur de pas du deuxième convertisseur 11. La performance du dispositif en terme de résolution est ainsi équivalente à celle qui aurait été obtenue avec un convertisseur numérique-analogique 18 bits. -9- Les valeurs caractéristiques suivantes peuvent convenir dans le cadre de cette application: - Rm = 0 - Rl = 200 - R2 = 300 - RM = 50 -10- Revendications 1) Dispositif d'asservissement numérique comprenant un premier convertisseur numérique-analogique (9), cet équipement (1) recevant sur son entrée un signal d'asservissement (2) et produisant un signal de mesure (4) de la grandeur à asservir (3), un système de traitement de l'information (5) fournissant une valeur de correction (7) à ce convertisseur (9) en fonction de ce signal de mesure (4) et d'une valeur de consigne (6) caractérisé en ce qu'il comprend au moins un ensemble de réglage qui reçoit sur son entrée une valeur de réglage (8) et qui produit un signal de réglage (14), un sommateur (15) sur les entrées duquel sont appliqués ledit signal de correction (10) et ledit signal de réglage (14) et qui fournit ledit signal d'asservissement (2) et en ce que ledit système de traitement d'information (5) comprend des moyens pour calculer, outre ladite valeur de correction (7), ladite valeur de réglage (8). 2) Dispositif d'asservissement numérique selon la revendication précédente, caractérisé en ce que ledit ensemble de réglage comprend un convertisseur numérique-analogique (11) qui reçoit ladite valeur de réglage (8), suivi d'un diviseur de tension (13) qui produit ledit signal de réglage (14), cette valeur de réglage (8) représentant une contribution audit signal d'asservissement (2) en rapport avec le facteur de division dudit diviseur de tension (13). 3) Dispositif d'asservissement numérique selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comprend un module de temporisation (20) qui reçoit sur son entrée un signal intermédiaire (21) issu dudit sommateur (15) et qui produit sur sa sortie ledit signal d'asservissement (2), un comparateur (22) qui reçoit sur ses entrées ce signal intermédiaire et ce signal d'asservissement et qui fournit sur sa sortie une information (23) situant ledit signal d'asservissement (2) par rapport audit signal intermédiaire (21) destinée audit système de traitement d'information (5) et en ce que ce système de traitement d'information comprend des moyens pour, lorsque ladite valeur de -11- correction (7) a été modifiée, agir sur une valeur de réglage (8) de manière à ce que le signal intermédiaire (21) et le signal d'asservissement (2) tendent à être égaux. 4) Dispositif d'asservissement numérique selon l'une des revendications 1 ou 3, caractérisé en ce que ledit ensemble de réglage comprend un convertisseur numérique-analogique dont la tension de référence est une fraction de la tension de référence dudit premier convertisseur (9), ladite valeur de réglage (8) représentant une contribution audit signal d'asservissement (2) en proportion avec ladite fraction. ) Application du dispositif d'asservissement numérique selon l'une quelconque des revendications précédentes à l'asservissement d'un oscillateur commandé en tension.