Brevet FR2672747A1 — publié le 19920814

La présente invention concerne les moteurs à courant continu à commutation électronique et plus particulièrement les circuits de commande et de régula- tion de tels moteurs. Comme on le sait, les moteurs à commutation électronique se composent entre autre d'un inducteur et d'un induit bobiné dont les bobines sont commutées par pour un circuit électronique de gestion et de commande. Ce type de circuit électronique existe déjà dans le commerce sous différentes formes et réalisa- tions Toutefois, aucun de ces circuits ne correspond aux besoins de moteurs tels que celui décrit dans le brevet N O 89 11 771 déposé le 8 septembre 1989 au nom de la Demanderesse, et qui comporte des moyens de commuta- tion comprenant un connecteur constitué d'un support isolant destiné à être porté par l'induit et des contac- teurs munis de cosses pour recevoir des bouts des fils des bobinages d'induits et de plots destinés à venir au contact de contre-plots correspondants d'un circuit imprimé et un module de commande fait d'un substrat isolant qui porte un circuit imprimé destiné à recevoir des composants, y compris ceux de puissance, de circuits électroniques et qui est appliqué et maintenu contre la face intérieure d'un flasque du moteur. L'invention vise à créer un circuit de com- mande qui soit particulièrement adapté au montage dans un moteur électrique du type précité. Elle a donc pour objet un circuit de commande et de régulation pour moteur électrique à commutation électronique comprenant un circuit électronique de gestion et de commande de la commutation des bobines d'induit du moteur électrique, carctérisé en ce qu'il comprend une sonde de détection d'un paramètre du moteur électrique, un générateur à courant constant d'alimenta- tion de la sonde, un circuit d'application du signal de sortie de la sonde au circuit de commutation, et un premier comparateur de pilotage de l'entrée de vali- dation du circuit de commutateur électronique, à partir du résultat de la comparaison entre la tension délivrée par la sonde et une tension de référence. Selon une autre caractéristique de l'inven- tion, le circuit de gestion et de commutation étant connecté aux bobines d'induit du moteur, par l'inter- médiaire de composants de puissance, le circuit de commande comporte des moyens de commande de découpage du courant débité par les bobines d'induit, limitant celui- ci à une valeur prédéterminée, destinés à protéger les composants de puissance contre les surcharges en cas de mises en route fréquentes. Selon une autre caractéristique de l'inven- tion, le circuit de commande comporte en outre des moyens d'accroissement du niveau d'entrée du premier comparateur par rapport au seuil prédéterminé, en cas de surcharge prolongée du moteur se traduisant par la présence de créneaux de tension à la sortie du second comparateur. Selon encore une autre caractéristique de l'invention, les composants de puissance connectés à chacune des bobines de l'induit du moteur étant des transistors MOS, entre le drain et la grille de chaque transistor MOS est connecté un circuit de coupure as- socié à chaque bobine d'induit formé d'une diode en série avec une diode Zener et la grille de chaque tran- sistor est connectée à la masse par une résistance, la tension de Zener de chacune des diodes Zener étant choi- sie égale à environ deux fois la valeur de la tension d'alimentation et inférieure à la tension de claquage Drain-Source du transistor correspondant. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant au dessin annexé, sur lequel: La Figure unique est un schéma électrique du circuit de commande suivant l'invention. La description ci-après décrit un circuit de commande qui est particulièrement intéressant par les fonctions qu'il réalise à savoir: un pilotage très précis de la vitesse du moteur à partir d'informations fournies par une sonde extérieure; un ensemble de dispositif de sécurité à double action qui limite le courant envoyé dans les bobinages en cas de surcharge; une sécurité supplémentaire qui protège l'électronique de puissance en cas de blocage du moteur. L'ensemble de ces fonctions est réalisé à partir de circuits électroniques standard du commerce, mais leur nombre est réduit au strict minimum. Le circuit représenté au dessin est un circuit de commande de moteur à trois phases Il est bien enten- du que ceci n'est pas limitatif et que le système décrit s'applique à un nombre de phases quelconque. Le circuit est connecté à une alimentation électrique au point V. A partir du point V, l'alimentation électrique se divise en deux branches; l'une alimente directement des bobines Bi, B 2 et B 3 d'un moteur et est de plus connectée à une extrémité d'un élément VS appelé varis- tance dont l'autre extrémité est connectée à la masse. Cet élément écrête les pointes de tension qui peuvent toujours exister sur les lignes, à une valeur que l'é- lectronique montée en aval peut supporter L'autre branche alimente à travers une diode Dl, immunisant une partie du circuit aux inversions de tension, un régula- teur de tension I Ci découplé en amont et en aval vers la masse par des condensateurs Cl et C 2. La tension régulée VR présenté à la sortie du régulateur I Ci, alimente les broches 1, 5, 11 d'un circuit intégré IC 2, de gestion et de commutation, qui constitue le circuit principal du système. Le circuit IC 2 de gestion et de commande est un commutateur pour moteur à courant continu sans ba- lais, par exemple du type L 57261 fabriqué et vendu par la société LSI Computer Systems INC 1235, Walt Whitman Road, Melville, New York USA. Ce circuit comporte des bornes d'entrée et de sortie 1 à 20 dont seules les bornes 2 à 4 et 9 ne sont pas connectées au circuit de la présente invention. Sont ensuite connectés à la ligne VR de ten- sion régulée, un ensemble de trois capteurs de position Hi, H 2 et H 3 associés au moteur chargés par des résis- tances Ri, R 2 et R 3 respectivement et connectés par ailleurs à la masse Les points de jonctions H 3 R 3, H 2 R 2; Hi Ri sont eux- mêmes reliés aux broches 15, 16 et 17 respectivement du circuit principal IC 2. Le circuit comporte en outre un sous-ensemble générateur de courant constant réalisé autour d'un amplificateur opérationnel IC 3/1. Cet amplificateur fait partie d'un circuit intégré IC 3 représenté par deux rectangles en trait mixte et qui contient quatre amplificateurs opération- nels L'alimentation des quatre amplificateurs est commune et représentée sur l'amplificateur IC 3/1 Une résistance R 4 connectée à la tension régulée a son autre extrémité connectée à une résistance R 5 et à l'entrée non inverseuse de l'amplificateur IC 3/1 La résistance R 5 est par ailleurs reliée à la masse Le pont ainsi constitué fournit une tension de référence à l'entrée non inverseuse de l'amplificateur IC 3/1 La sortie de cet amplificateur est connectée à la base d'un transis- tor Tl du type PNP dont l'émetteur est connecté à une extrémité d'une résistance R 6 et à l'entrée inverseuse de l'amplificateur IC 3/1 La résistance R 6 est par ailleurs connectée à la tension VR Le collecteur du transistor Tl est relié à une extrémité d'une résistance R 7 et à une borne qui associée à la masse est reliée à un capteur de mesure du type résistif appelé ci-après sonde S. Les composants R 4, R 5, R 6, Tl et IC 3/1 sont organisés pour alimenter la sonde S à courant constant. Le circuit comporte ensuite un étage amplificateur constitué autour d'un amplificateur opérationnel IC 3/2 et comprenant des résistances R 7, R 8, R 9 et R 10. La résistance R 8 à une de ses extrémités connectée à la tension régulée VR, son autre extrémité étant reliée à l'entrée non inverseuse de l'amplifica- teur IC 3/2 et à une extrémité de la résistance R 9. Cette dernière a son autre extrémité connectée à la masse. Le pont R 8, R 9 fournit une tension de référen- ce à l'entrée non inverseuse de l'amplificateur IC 3/2. La résistance R 7 connectée d'une part au transistor Tl a son autre extrémité reliée à l'entrée inverseuse de l'amplificateur IC 3/2 et à une extrémité de la résis- tance R 10 L'autre extrémité de la résistance R 10 est reliée à une résistance Rll et à la sortie de l'amplifi- cateur IC 3/2 L'étage suivant réalisé autour de l'ampli- ficateur opérationnel IC 3/3 constitue un comparateur à seuil avec hystérésis Une résistance R 12 a une extrémi- té connectée à la tension régulée VR Son autre extrémi- té est reliée à des résistances R 13 et R 14. La résistance R 14 est connectée à son autre extrémité à l'entrée non inverseuse de l'amplificateur IC 3/3 et à une résistance R 16 dont l'autre extrémité est reliée à la sortie de l'amplificateur IC 3/3. L'autre extrémité de la résistance Rll est reliée à l'entrée inverseuse de l'amplificateur IC 3/3. La sortie de cet amplificateur est reliée à la borne 10 du circuit intégré IC 2. Le quatrième amplificateur opérationnel IC 3/4 est monté en comparateur avec des résistances R 21, R 22, R 23, R 24 et R 25 Il est chargé par un circuit dont le fonctionnement sera décrit par la suite. La résistance R 21 est connectée par une ex- trémité à la tension régulée VR, son autre extrémité étant reliée aux résistances R 22 et R 24 La résistance R 22 est par ailleurs reliée à la masse et la résistance R 24 est connectée à l'entrée inverseuse de l'amplifica- teur IC 3/4 La résistance R 23 a l'une de ses extrémités reliée au point de jonction des drains de trois transis- tors MOS T 2, T 3 et T 4 et à l'anode d'une diode D 2, son autre extrémité étant reliée à l'entrée non inverseuse de l'amplificateur IC 3/4 et à une extrémité de la résis- tance R 25 L'autre extrémité de cette résistance est reliée à la sortie de l'amplificateur IC 3/4 Ce point est par ailleurs connecté à une extrémité d'une résis- tance R 26 et à l'anode d'une diode D 3 La cathode de la diode D 3 est reliée à un condensateur C 3 dont l'autre extrémité rejoint la masse et à une extrémité d'une résistance R 27 L''autre extrémité de cette résistance est reliée à un condensateur C 4 et à une résistance R 28 et à l'anode d'une diode D 4 Le condensateur C 4 a son autre extrémité à la masse Il en est de même pour la résistance R 28 La diode D 4 a sa cathode reliée à une résistance R 29 dont l'autre borne est reliée à l'entrée inverseuse de l'amplificateur IC 3/3 L'autre extrémité de la résistance R 26 est reliée à l'anode d'une diode D 5 et à une extrémité d'un condensateur C 5 dont l'autre borne est à la masse La cathode de la diode D 5 est connectée à la borne 12 du circuit intégré IC 2. On va maintenant examiner la construction de la partie de puissance du circuit suivant l'invention. Les bornes 6, 7 et 8 du circuit principal IC 2 sont les sorties utilisées, actives à l'état haut, reliées à la masse à l'état bas. Les bobines Bi, B 2, B 3 que l'on a vu alimen- tées par la tension V, ont respectivement leurs autres bornes connectées aux drains des transistors T 2, T 3 et T 4. Les drains et les grilles de ces transistors sont reliés respectivement par les groupes en série formés chacun d'une diode D 6, D 7, D 8 et d'une diode Zener DZ 1, DZ 2 et DZ 3. D'autre part, les grilles sont reliées à la masse par les résistances R 30,R 31 et R 32. Les trois sources des transistors T 2, T 3 et T 4 sont équipotentielles et connectés à l'anode de la diode D 2, dont la cathode est à la masse. Le circuit IC 2 nécessite pour son fonctionne- ment deux éléments extérieurs, la résistance R 33 connec- tée d'un côté à la masse, de l'autre à la borne 14 du circuit IC 2 et à une extrémité d'un condensateur C 6 dont l'autre extrémité est reliée à la borne 11 et donc à VR. Le fonctionnement de base est organisé autour du circuit IC 2, vendu dans le commerce et dont le bro- chage classique consiste à entrer les informations des trois capteurs de position Hl, H 2, H 3 et le circuit fournit sur ses trois sorties 6, 7 et 8, les tensions de commande des organes de puissance. Suivant l'invention, les circuits qui ont été créés autour du circuit IC 2 pour le commander sont organisés de façon que l'ensemble réalise des fonctions qui vont être décrites par la suite. Les composants C 6 et R 33 -fixent pour le cir- cuit IC 2 la fréquence d'oscillation d'un générateur à dent de scie interne, qui associé à un comparateur interne dédie la borne 13 comme une entrée de déclenche- ment appelée "Vtrip" qui permet de faire varier la vitesse du moteur par une variation de largeur d'impul- sion de tensions de sortie présentées sur les bornes 6, 7 et 8. A partir de la sonde S, par exemple de tempé- rature extérieure au montage décrit, du type résistif, on élabore cette tension "Vtrip". La variation de résistance de ce type de sonde étant relativement faible, le montage suivant l'inven- tion permet d'obtenir avec précision une vitesse de rotation du moteur en fonction de la valeur de la résis- tance de cette sonde La sonde est alimentée à courant constant par l'étage IC 3/1 et les composants qui lui sont associés. Donc quelle que soit la tension d'alimentation V, la tension présente au point A, c'est à dire sur la sonde S, est le reflet exact de la température mesurée par la sonde Dans le cas décrit, cette précision est de 1 degré Celcius. Cette tension f (E) présenté au point A est ensuite amplifiée par l'étage IC 3/2, le gain de celui-ci étant défini par les résistances R 7 et R 10, le décalage par rapport à la masse étant fixé par les résistances R 8 et R 9. On constate donc que ce montage permet une grande précision pour fournir "Vtrip" et une plage d'a- daptation extrêmement simple car celle-ci ne se fait qu'en ajustant au mieux la valeur de deux résistances. Ceci constitue une première originalité mais le montage seul n'est pas suffisant pour assurer la bonne marche d'un moteur électrique car pour le démarrage lorsque le rapport cyclique est faible le courant moyen dans les bobines est trop bas pour garantir un démarrage correct du moteur Cet inconvénient est levé par l'étage IC 3/3 monté en comparateur qui pilote l'entrée 10 de valida- tion du circuit IC 2 appelée "enable". Donc quand la tension sur la borne 13 du circuit IC 2 n'est pas suffisante pour garantir un démar- rage, le circuit IC 3/3 envoie à la borne 10 l'ordre à IC 2 de ne pas générer ses signaux de sortie Au bascule- ment du seuil défini les résistances R 12 et R 13, le rapport cyclique déterminé par la borne 13 est alors suffisant et l'on autorise le fonctionnement, ce qui fait que le moteur démarre à coup sûr. L'association des étages IC 3/1, IC 3/2 et IC 3/3 fournit au circuit IC 2 les ordres corrects pour que la vitesse du moteur électrique varie en fonction du para- mètre fourni par la sonde S et que son démarrage soit toujours garanti. Une seconde originalité a été développée autour des problèmes de surcharge En effet, lorsque ce type de moteur fonctionne, il absorbe un courant que l'on va appeler IN (par exemple IN étant le courant à pleine vitessse au point de fonctionnement défini par la charge entraînée). Au moment du démarrage, le courant que peuvent absorber les bobines Bl à B 3 est bien sûr au moins égal à 10 IN puisqu'il n'y a pas de f c e m. Il en va de même en cas de blocage accidentel. Dans ce cas, il faut inhiber la commande des transistors de sortie C'est ce qui est prévu sur l'entrée 12 du circuit IC 2. L'originalité du montage de l'invention con- siste à utiliser la diode D 2 comme organe de mesure du courant, la diode D 2 ayant comme autre rôle de protéger les transistors T 2, T 3 et T 4 contre une inversion de tension. En effet, les transistors du type MOS sont un court-cirucit en cas d'inversion de polarité, ce qui entraîne soit leur destruction, soit celle des bobines qui leur sont associées en cas d'erreur de branchement. A partir de la tension présente sur l'anode de la diode D 2 qui est le reflet du courant total des bobines ou fait basculer le circuit IC 3/4 qui est monté en comparateur à seuil et hystérésis, le seuil étant fixé par les résistances R 21 et R 22 En reliant la sortie de l'amplificateur IC 3/4 directement à la borne 12, de surintensité du circuit IC 2, on réalise un oscil- lateur; en effet, sitôt la surcharge détectée, la com- mande des transistors est inhibée mais la cause étant supprimée, on réalise ainsi un oscillateur dont la fréquence n'est limitée que par la technologie des composants C'est pourquoi, l'entrée 12 n'est pilotée qu'après avoir introduit une constante de temps par les composants R 26, C 5 et D 5 Cette constante de temps est finement ajustée pour que le courant moyen soit com- patible avec la dissipation thermique des montages et les impératifs d'un courant suffisant pour assurer le démarrage. On a donc réalisé un circuit de découpage du courant qui limite celui-ci à une valeur prédéterminée de façon que les éléments de puissance ne soient pas soumis à des surcharges en cas de mise en route fré- quente. Néanmoins, malgré ce courant moyenné en cas de blocage franc du moteur, les éléments de puissance finissent par chauffer et ne se stabilisant pas en température, ils risquent la destruction C'est alors qu'intervient le circuit formé par les composants D 3, C 3, R 27, C 4, R 28, D 4 et R 29 En effet, les créneaux de il tension qui apparaissent en sortie du circuit IC 3/4 en cas de surcharge prolongée chargent à travers la diode D 3 le condensateur C 3 à la tension crête et progressive- ment le condensateur C 4 à une valeur qui par la diode D 4 et la résistance R 29 va agir sur le circuit d'inhibition IC 3/3 La surcharge ayant cessé, le condensateur C 3 se décharge par les résistances R 27 et R 28 et le conden- sateur C 4, par la résistance R 28, ce qui maintient l'inhibition active pendant un temps suffisant au re- froidissement des éléments de puissance Les constantes de temps sont telles que l'ensemble se stabilise en température même en cas de blocage prolongé du moteur, sans aucun phénomène destructif. On voit donc que la gestion des courants est à double action, ce qui constitue une troisième originali- té. En ce qui concerne le circuit de puissance, on a développé une quatrième originalité qui consiste à ne pas monter sur les charges selfiques, ce que l'homme de l'art a pour habitude de nommer des "diodes de roue libre". On va considérer le fonctionnement d'une branche de puissance, par exemple celle constituée par la bobine Bi, le transistor T 2, la diode D 6, la diode Zener DZI et la résistance R 30 Bien entendu, le fonc- tionnement des autres branches de puissance est identi- que. Comme on le sait lorsque l'on coupe brutale- ment le courant dans une charge selfique, celui cherche à s'écouler (loi de Lenz) Traditionnellement c'est une diode ou une résistance montée en parallèle sur la self qui assure le rôle de charge Dans le cas présent, le montage de D 6, DZ 1 et R 30, évite l'emploi de tels com- posants qui doivent être des composants de puissance donc coûteux. La tension de Zener de la diode Zener DZ 1 est choisie à environ deux fois la valeur de la tension d'alimentation et inférieure à la tension de claquage Drain-Source du transistor Dans ce cas, au blocage du transistor, la tension au point B atteint cette valeur augmentée de la valeur du seuil de la diode D 6, donc il y a conduction Cette conduction associée à la résis- tance R 30 et à l'impédance de la sortie 8 du circuit IC 2 font que la tension de grille du transistor T 2 provoque une conduction de ce transistor suffisante pour écouler à la masse le courant emmagasiné dans la self de la bobine Bl On a réalisé un système asservi qui protège le drain des transistors contre les tensions dangereuses et qui "éteint" en douceur la bobine précédemment active dans le cycle de fonctionnement du moteur, sans utiliser de composants coûteux. REVENDICATIONS 1 Circuit de commande et de régulation pour moteur électrique à commutation électronique comprenant un circuit électronique (IC 2) de gestion et de commande de la commutation des bobines d'induit (Bi, B 2, B 3) du moteur électrique, caractérisé en ce qu'il comprend une sonde (S) de détection d'un paramètre du moteur électri- que, un générateur à courant constant (IC 3/1, Tl, T 2, R 5, R 6) d'alimentation de la sonde (S), un circuit (IC 3/2) d'application du signal de sortie de la sonde au circuit de commutation (IC 2), et un premier comparateur (IC 3/3, R 12, R 13, R 14) de pilotage de l'entrée de vali- dation du circuit de commutation électronique, à partir du résultat de la comparaison entre la tension délivrée par la sonde (S) et une tension de référence. 2 Circuit de commande suivant la revendica- tion 1, dans lequel le circuit de gestion et de commuta- tion (IC 2) est connecté aux bobines d'induit (Bi, B 2, B 3) du moteur par l'intermédiaire de composants de puissance (T 2, T 3, T 4), caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (D 2, IC 3/4; R 21, R 22, R 26, C 5, D 5) de com- mande de découpage du courant débité par les bobines d'induit, limitant celui-ci à une valeur prédéterminée, destinés à protéger les composants de puissance contre les surcharges en cas de mises en route fréquentes. 3 Circuit de commande suivant l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les com- posants de puissance étant constitués par des transis- tors MOS, les moyens de commande de découpage du courant comportent un moyen (D 2) de mesure du courant débité par les transistors (T 2, T 3, T 4), un second comparateur (IC 3/4, R 21, R 22) du courant débité par les transistors avec un seuil prédéterminé, un circuit de temporisation (R 26, C 5, D 5) connecté entre la sortie du comparateur (IC 3/4, R 21, R 22) et une entrée ( 12) de surintensité du circuit de gestion et de commutation (IC 2). 4 Circuit de commande suivant l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens (C 3, C 4, D 3, D 4, R 27, R 28, R 29) d'accroissement du niveau d'entrée du premier compara- teur (IC 3/3) par rapport au seuil prédéterminé, en cas de surcharge prolongée du moteur se traduisant par la présence de créneaux de tension à la sortie du second comparateur (IC 3/4). Circuit de commande suivant la revendica- tion 4, caractérisé en ce que les moyens d'accroissement du niveau d'entrée du premier comparateur, comprennent un premier condensateur (C 3) connecté à la sortie du second comparateur (IC 3/4) et destiné à se charger à la valeur de crête de la tension de sortie du second com- parateur, un second condensateur (C 4) connecté en paral- lèle avec le premier condensateur avec interposition d'une première résistance (R 27), une seconde résistance (R 28) étant connectée en parallèle sur le second conden- sateur (C 4), ce dernier étant connecté à l'entrée du premier comparateur (IC 3/3) par l'intermédiaire d'une diode (D 4) et d'une troisième résistance (R 29) connec- tées en série. 6 Circuit de commande suivant l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'entre le drain et la grille de chaque transistor MOS (T 2, T 3, T 4) est connecté un circuit de coupure associé à chaque bobine d'induit et formé d'une diode (D 6, D 7, D 8) en série avec une diode Zener (DZ 1, DZ 2, DZ 3) et en ce que la grille de chaque transistor est connectée à la masse par une résistance (R 30, R 31, R 32), la tension de Zener de chacune des diodes Zener (DZ 1, DZ 2, DZ 3) étant choi- sie égale à environ deux fois la valeur de la tension d'alimentation et inférieure à la tension de claquage Drain-Source du transistor (T 2, T 3, T 4) correspondant. 7 Circuit de commande suivant l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la sonde (S) de détection d'un paramètre du moteur est une sonde de température.