Brevet FR2674594A1 — publié le 19921002

Dispositif pour compenser une force vibratoire ou un couple vibratoire subi par un corps. On connaît par le document EP-A 0337040 publié le 18 octobre 1989, un dispositif pour compenser une force vibratoire F créée par un corps Ce dispositif comporte quatre masselottes tournantes, excentrées, situées dans un même plan P contenant le centre de gravité dudit corps vibrant, chaque masselotte étant entraînée par un moteur électrique, les axes de rotation des masselottes étant parallèles, perpendiculaires au plan P et liés audit corps, les quatre masselottes comprenant une première paire de masselottes tournant en sens inverse l'une par rapport à l'autre et dont les axes de rotation sont symétriques par rapport à un plan Pl contenant le centre de gravité dudit corps vibrant et perpendiculaire au plan P, et une deuxième paire de masselottes tournant en sens inverse l'une par rapport à l'autre et dont les axes de rotation sont symétri- ques par rapport audit plan P 1, les quatre masselottes tournant à la même vitesse DU, les masselottes de la première paire générant chacune une force tournante F 1 située dans le plan P, et se décomposant en une première composante parasite, sinusoïdale, selon un axe perpendiculaire au plan Pl et en une seconde composante utile, sinusoïdale sur l'axe i formé par l'intersection des plans P et Pl, confondu avec la ligne d'application de la force F, les composantes parasites des forces tournantes de ladite première paire se compensant l'une l'autre et les composantes utiles étant en phase et de même amplitude, les masselottes de la seconde paire générant également deux forces tournantes situées dans ledit plan P et se décomposant chacune également en une première composante parasite, sinusoïdale selon un axe perpendiculaire au plan Pl et en une seconde composante utile, sinusoïdale sur ledit axe A, les composantes parasites des forces tournantes de ladite seconde paire se compensant l'une l'autre et les composantes utiles étant en phase et de même amplitude et étant déphasées d'un angle 2 O par rapport aux composantes utiles des forces tournantes de la première paire, au moins un accéléromètre sur chaque paire étant connecté à un calculateur travaillant en temps réel et réalisant à la fois le calcul des valeurs estimées -2- de la fréquence, de l'amplitude, de la phase et de la variation éventuelle de la fréquence au moyen d'un filtre adaptatif, non linéaire, et l'asservissement des quatre moteurs grâce à des signaux provenant de codeurs angulaires disposés sur chacun desdits moteurs. On connaît également par ce même document un dispositif pour compenser un couple vibratoire créé par un corps Le dispsoitif comprend quatre masselottes tournantes excentrées tournant à la même vitesse WJ, chaque masselotte étant entraînée par un moteur électrique, les axes de rotation des masselottes étant parallèles au vecteur moment du couple vibratoire à compenser et étant liés audit corps, les quatre masselottes comprenant une première paire de masselottes tournant l'une et l'autre dans le même sens dans un même plan P 2 et dont les axes de rotation sont symétriques par rapport à un axe D perpendiculaire au plan P 2, et une deuxième paire de masselottes tournant l'une et l'autre dans le même sens dans un même plan P 3 parallèle ou confondu avec le plan P 2 et dont les axes de rotation sont symétriques par rapport à l'axe D, les masselottes de la première paire générant deux forces tournantes F 2 situées dans le plan P 2, constituant un simple couple appelé premier couple dont le vecteur moment est dirigé parallèlement à l'axe D et dont le module est sinusoïdal, les masselottes de la seconde paire générant également deux forces tournantes F 2 situées dans le plan P 3 constituant un simple couple appelé second couple dont le vecteur moment est dirigé parallèlement à l'axe D et dont le module est sinusoïdal, les modules des premier et second couples étant déphasés d'un angle 2 9 l'un par rapport à l'autre, au moins un accéléromètre sur chaque paire étant connecté à un calculateur travaillant en temps réel et réalisant à la fois le calcul des valeurs estimées de la fréquence, de l'amplitude, de la phase et de la variation éventuelle de la fréquence au moyen d'un filtre adaptatif, et l'asservissement des quatre moteurs grâce à des signaux provenant de codeurs angulaires disposés sur chacun desdits moteurs. Dans les deux dispositifs, aussi bien celui pour compenser une force vibratoire F que celui pour compenser un couple vibratoire, le filtre adaptatif utilisé dans le calculateur travaillant en -3- temps réel, est un filtre de Kalman qui calcule les estimations des paramètres du signal d'excitation à éliminer à partir du signal résultant résiduel É (t). Ce signal résiduel a (t) est obtenu dans un calculateur à partir des signaux d'accélération g 1 et Y 2 provenant des accéléro- mètres. Or, ce signal résiduel e (t) est un signal de très faible amplitude ce qui peut conduire à un fonctionnement aléatoire du système. En outre compte tenu de la forme des équations du filtre de Kalman, plus le temps s'écoule et moins le filtre est capable de s'adapter à des éventuelles modifications des paramètres du signal d'excitation. La présente invention a pour but de pallier ces inconvénients et a pour objet un dispositif pour compenser une force vibratoire F créée par un corps, le dispositif comportant quatre masselottes tournantes, excentrées, situées dans un même plan P contenant le centre de gravité dudit corps vibrant, chaque masselotte étant entraînée par un moteur électrique, les axes de rotation des masselottes étant parallèles, perpendiculaires au plan P et liés audit corps, les quatre masselottes comprenant une première paire de masselottes tournant en sens inverse l'une par rapport à l'autre et dont les axes de rotation sont symétriques par rapport à un plan Pl contenant le centre de gravité dudit corps vibrant et perpendiculaire au plan P, et une deuxième paire de masselottes tournant en sens inverse l'une par rapport à l'autre et dont les axes de rotation sont symétriques par rapport audit plan P 1, les quatre masselottes tournant à la même vitesse U de Kalman à gains constants. L'invention a aussi pour objet un dispositif pour compenser un couple vibratoire C créé par un corps, le dispositif comprenant quatre masselottes tournantes excentrées tournant à la même vitesse W, chaque masselotte étant entraînée par un moteur électrique, les axes de rotation des masselottes étant parallèles au vecteur moment du couple vibratoire à compenser et étant liés audit corps, les quatre masselottes comprenant une première paire de masselottes tournant l'une et l'autre dans le même sens dans un même plan P 2 et dont les axes de rotation sont symétriques par rapport à un axe D perpendicu- laire au plan P 2, et une deuxième paire de masselottes tournant l'une et l'autre dans le même sens dans un même plan P 3 parallèle ou confondu avec le plan P 2 et dont les axes de rotation sont symétriques par rapport à l'axe D, les masselottes de la première paire générant - deux forces tournantes F 2 situées dans le plan P 2, constituant un simple couple appelé premier couple dont le vecteur moment est dirigé parallèlement à l'axe D et dont le module est sinusoïdal, les masselottes de la seconde paire générant également deux forces tournantes F 2 situées dans le plan P 3 constituant un simple couple appelé second couple dont le vecteur moment est dirigé parallèlement à l'axe D et dont le module est sinusoïdal, les modules des premier et second couples étant déphasés d'un angle 2 51 l'un par rapport à l'autre, au moins un accéléromètre sur chaque paire étant connecté à un calculateur travaillant en temps réel et réalisant à la fois le calcul des valeurs estimées de la fréquence, de l'amplitude, de la phase et de la variation éventuelle de la fréquence au moyen d'un filtre adaptatif, et l'asservissement des quatre moteurs grâce à des signaux provenant de codeurs angulaires disposés sur chacun desdits moteurs, caractérisé en ce que ledit filtre adaptatif reçoit sur sur entrée un signal qui est la reconstitution du signal C à compenser obtenu en sommant le signal résiduel E (t) et le signal image C représentatif du couple résultant généré par lesdites masselottes, ledit signal Ca étant obtenu à partir des signaux en provenance desdits codeurs angulaires, ledit filtre adaptatif non linéaire étant un filtre de Kalman à gains constants. L'invention va maintenant être décrite en se reportant au dessin annexé dans lequel: La figure 1 est une représentation schématique théorique d'un dispositif pour compenser une force vibratoire selon l'invention. La figure 2 est une représentation schématique théorique d'un dispositif pour compenser un couple vibratoire. La figure 3 donne un exemple de montage d'un compensateur de force. La figure 4 donne un exemple de montage d'un compensateur de couple. La figure 5 est un schéma simplifié montrant le dispositif de commande. La figure 6 est un schéma similaire à celui de la figure 5 mais pour la compensation d'un couple vibratoire. 6 - En se référant à la figure 1, soit une force vibratoire, de module F et de fréquence UJ située sur un axe subie par un corps Le dispositif de compensation comprend quatre masselottes identiques tournantes excentrées 1, 2, 3 et 4, entraînées chacune par un moteur électrique. Les axes des masselottes sont parallèles et liés au corps soumis à vibration Les axes de rotation 5 et 6 de la première paire de masselottes 1 et 2 sont symétriques l'un l'autre par rapport à un plan Pl passant par l'axe 4 et perpendiculaire au plan P de rotation des masselottes Les masselottes 1 et 2 de cette première paire tournent à la même vitesse WJ, en sens inverse l'une de l'autre symétriquement par rapport au plan Pl créant ainsi deux forces tournantes égales F dont les lignes d'action se coupent sur l'axelt et se décomposant en deux composantes parasites sinusoïdales se compensant l'une l'autre de valeur F 1 cos ( 1 u t 6 et -F 1 cos (U Xt) sur un axe perpendiculaire à l'axe a et en deux composantes utiles sinusoïdales sur l'axe à de même valeur: F 1 sin ( tt &) produi- sant ainsi une force le long de l'axe à d'une valeur égale à 2 F 1 sin ( U}t ( 9). De même, les axes de rotation 7 et 8 de la seconde paire de masselottes 3 et 4 sont symétriques l'un l'autre par rapport au plan Pl passant par à et perpendiculaire au plan P Ces masse- lottes 3 et 4 tournent également en sens inverse l'une de l'autre à la même vitesse W mais déphasées d'un angle 2 & par rapport aux masselottes 1 et 2 de la première paire Ces masselottes produisent également deux forces tournantes F 1 se décomposant comme précédemment en deux composantes parasites perpendiculaires au plan P et se compensant l'une l'autre et en deux composantes utiles sur l'axe a de même valeur Fi sin ( Ut + O) produisant sur l'axe I un effort égal à 2 F 1 sin ( Wt + &). En définitive, le long de l'axe à on obtient deux forces dont l'une, donnée par la première paire de masselottes vaut 2 F 1 sin (W Xt t) et l'autre, donnée par la seconde paire de masselottes vaut 2 F 1 sin (UW t + &) Ces deux forces conjuguées donnent finalement une force égale à: 4 F 1 sin W t cos & On voit donc qu'on respectant 7 - la condition F = 4 F 1 cos &, c'est-à-dire encore cos 9 = F/4 m C 2 r, o m et r sont la masse de chaque masselotte et leur excentrement, le dispositif compense exactement, à la fréquence (>/2 15 Hz, la force vibratoire parasite F. En pratique, chaque masse peut être réalisée par une biellette ou encore par un disque homogène sur lequel on dispose un balourd. Cette pièce peut être par exemple, montée directement sur l'arbre de sortie de son moteur d'entraînement par l'intermédiaire d'un accouplement flexible. Les figures 3 et 4 montrent l'utilisation du dispositif dans le cas d'une machine 9 générant soit une force, soit un couple vibratoire et se trouvant sur un socle 10 lui même reposant sur le sol 11 par l'intermédiaire de supports 12. Les masses 2 et 4 sont placées à l'intérieur d'une boite 13 contenant également les moteurs d'entraînement et les masses 1 et 3 sont placées à l'intérieur d'une boite 14 contenant de même les moteurs électriques d'entraînement Ces boites sont placées symétriquement par rapport à l'effort F à compenser Elles sont fixées sur le socle 10 et elles contiennent chacune un accéléromètre donnant les signaux permettant, par le dispositif de commande représenté figure 5 et décrit plus loin, de commander la vitesse des moteurs tout en ajustant l'angle de déphasage De. Sur la figure 1 on a représenté les axes 5 et 6 avec le même écartement que celui des axes 7 et 8 mais cet écartement pourrait être différent. La figure 2 montre le schéma théorique d'un dispositif compensa- teur de couple de module C et de fréquence U 0/2 >fl Il comporte également quatre masselottes excentrées 15, 16, 17 et 18 tournant à la même vitesse W et étant chacune entraînée par un moteur électrique autour des axes respectifs de rotation 19, , 21 et 22 liés au corps soumis au couple vibratoire à compenser. Les quatre axes 19, 20, 21, 22 étant parallèles au vecteur moment du couple à compenser. Les masselottes 15 et 16 forment une première paire Les masselottes de cette première paire tournent dans le même sens 8 - dans un même plan P 2, les axes de rotation 19 et 20 étant symétriques par rapport à un axe D perpendiculaire au plan P 2 et parallèle au vecteur moment du couple vibratoire à compenser. En tournant, ces masselottes engendrent des forces centrifuges égales F 2 générant un simple couple appelé premier couple Cl dont le vecteur moment a une direction parallèle à l'axe D et dont le module est sinusoïdal. De la même manière, les masselottes 17 et 18 forment une seconde paire Les masselottes de cette seconde paire tournent dans le même sens, qui est celui de la première paire, dans un même plan P 3 parallèle ou confondu avec le plan P 2 Les axes de rotation 21 et 22 sont également symétriques par rapport à l'axe D et l'écartement entre les axes 19 et 22 est égal à l'écartement entre les axes 20 et 21 noté d De la même manière, les masselottes 17 et 18 sont telles et positionnées l'une par rapport à l'autre qu'elles génèrent deux forces centrifuges égales F 2 constituant un simple couple de même valeur que le couple C 1, appelé second couple, et dont le vecteur moment est dirigé parallèlement à l'axe D et dont le module est sinusoïdal et déphasé d'un angle 2 e 1 par rapport au module du vecteur moment du premier couple Ces deux couples conjugués donnent finalement un couple égal à: 2 C 1 sin LJ t cos &V De la même façon que précédemment, on voit qu'en respectant la condition C = 2 C 1 cos V 1, c'est-à-dire cos & 1 = C/2 m U 2 d r, le dispositif compense exactement, à la fréquence L 4/2 I le couple vibratoire parasite C. En pratique, comme le montre la figure 4 les masselottes 16 et 18 sont regroupées dans une même boite 23 avec leur moteur d'entraînement et un accéléromètre de mesure, et les masselottes 15 et 17 sont regroupées dans une même botte 24 avec leur moteur d'entrai- nement et aussi un accéléromètre de mesure Les boites 23 et 24 sont placées symétriquement par rapport au plan vertical passant par l'axe de rotation du moteur 9. Les axes des quatre masselottes pourraient aussi être tous situés dans un même plan horizontal perpendiculaire aux plans P 2 et P -9 - Les figures 5 et 6 représentent schématiquement le dispositif de commande, respectivement pour une compensation de force et pour une compensation de couple Ces deux commandes sont identiques dans leur principe et comportent les mêmes éléments repérés par les mêmes références. Sur la figure 5, relative à la commande pour la compensation d'une force, le système mécanique constitué par les bottes 13 et 14 de la figure 3 est symbolisé par un rectangle 30. Sur la figure 6, relative à la commande pour la compensation d'un couple, le système mécanique constitué par les boites 23 et 24 de la figure 4 est symbolisé par un rectangle 31. Dans les deux cas, chaque moteur comporte un capteur de position angulaire 40 à 43 et chaque paire de masselottes comporte un accéléromè- tre 44 et 45. Les signaux d'accélération Y, et " 2 provenant des accéléromè- tres 44 et 45 permettent de calculer, dans un module calculateur 46 le signal résiduel tú(t) = ( g 1 + ''2) M/2 dans le cas d'une compensa- tion d'une force vibratoire et ú (t) = ( 1 g 2) J/d dans le cas d'une compensation d'un couple vibratoire Formules dans lesquelles M représente la masse et J le moment d'inertie suivant l'axe de rotation du système vibrant. Ce signal _(t) est envoyé en entrée sur un sommateur 51. Le sommateur 51 reçoit en outre un signal Fa qui représente l'image de la force résultante générée par les masselottes Ce signal F provient d'un module de calcul 52 qui utilise les signaux provenant des codeurs angulaires 40 à 43 Dans le cas de la figure 6 qui a trait à la compensation d'un couple vibratoire, le signal image du couple résultant généré par les masselottes est appelé Ca. Le signal F (ou C) en sortie du sommateur 51 est envoyé en entrée sur un filtre adaptatif non linéaire 47. Ce filtre 47 est un filtre de Kalman à gains constants et est défini par les équations suivante: Pour la compensation d'une force: d FW FI + k 1 (F F) - d F' >F dit d= k 1 k 2 F' (F F)/(F+ F') Pour la compensation d'un couple: d C = > C' + k (C C) dt = - -c C dt _J d W A A-2 A 2 dt = k k 2 C'(C-C)/C + C formules dans lesquelles: F est l'estimée de la force à compenser F W) est l'estimée de la pulsation en rd/s de la force à compenser -p F' est une force fictive de même module que F en quadrature avec cette dernière k 1 et k 2 sont des constantes du système. Pour un couple, C est l'estimée du couple C à compenser et C' est un couple fictif de même module que C et en quadrature avec C. A la sortie de filtre 47 on obtient ainsi ces variables: F, F' et pour une force (fig 5) et C, C' et W Jpour un couple (fig 6), qui sont ensuite envoyées dans un bloc de calcul 48 afin d'en déduire la valeur du demi- déphasage & (ou & 1) nécessaire pour générer une force (ou un couple) d'amplitude égale au module f de F ou c de C. Dans le cas d'une force, on a: = cos-1 (f/4 m r U 2) Dans le cas d'un couple on a: 1 A 2 1 = Cos-1 (C/2 m r d J 2) Ces valeurs & ou & 1 servent alors à calculer les quatre consignes de vitesse J 19 J 2 ' W 3 et W 4 qui sont ensuite envoyées vers un bloc de calcul 49 dont le rôle est de générer les quatre tensions d'alimentation u 1, u 2, u 3 et u 4 de chacun des moteurs électriques des masselottes. Ces quatre valeurs W)1, U/2, ( 3 et u J 4 sont toutes très peu différentes de'j J aux corrections nécessaires près pour obtenir le déphasage qui a été calculé. La régulation qui assure la bonne adéquation entre les vitesses réelles des masselottes et les consignes envoyées est assurée par une boucle de régulation qui utilise les signaux des codeurs angulaires à 43. On voit que par rapport à l'art antérieur cité (EP A O 337 040), le signal d'entrée du filtre ne tend jamais vers zéro puisqu'il s'agit d'une reconstitution du signal d'excitation et non du signal résiduel En outre les équations du filtre utilisé montrent que quelle soit les variations, dans le temps, des paramètres de l'excitation, le filtre les estime correctement et assure donc un fonctionnement correct non dépendant du temps. 12 - REVENDICATIONS 1/ Dispositif pour compenser une force vibratoire F créée par un corps ( 9, 10), le dispositif comportant quatre masselottes ( 1 à 4) tournantes, excentrées, situées dans un même plan P contenant le centre de gravité dudit corps vibrant, chaque masselotte étant entraînée par un moteur électrique, les axes de rotation ( 5 à 8) des masselottes étant parallèles, perpendiculaires au plan P et liés audit corps, les quatre masselottes comprenant une première paire de masselottes ( 1, 2) tournant en sens inverse l'une par rapport à l'autre et dont les axes de rotation sont symétriques par rapport à un plan Pl contenant le centre de gravité dudit corps vibrant et perpendiculaire au plan P, et une deuxième paire de masselottes ( 3, 4) tournant en sens inverse l'une par rapport à l'autre et dont les axes de rotation sont symétriques par rapport audit plan Pl, les quatre masselottes tournant à la même vitesse U, les masselottes de la première paire générant chacune une force tournante F 1 située dans le plan P, et se décomposant en une première composante parasite, sinusoïdale, selon un axe perpendiculaire au plan Pl et en une seconde composante utile, sinusoïdale sur l'axe t formé par l'intersection des plans P et P 1, confondu avec la ligne d'application de la force F, les composantes parasites des forces tournantes de ladite première paire se compensant l'une l'autre et les composantes utiles étant en phase et de même amplitude, les masselottes de la seconde paire générant également deux forces tournantes situées dans ledit plan P et se décomposant chacune également en une première composante parasite, sinusoïdale selon un axe perpendiculaire au plan Pl et en une seconde composante utile, sinusoïdale sur ledit axe à\, les composantes parasites des forces tournantes de ladite seconde paire se compensant l'une l'autre et les composantes utiles étant en phase et de même amplitude et étant déphasées d'un angle 2 epar rapport aux composantes utiles des forces tournantes de la première paire, au moins un accéléromètre ( 44, 45) sur chaque paire étant connecté à un calculateur ( 50) travaillant en temps réel et réalisant à la fois le calcul des valeurs estimées de la fréquence, de l'amplitude, de la phase et 13 - de la variation éventuelle de la fréquence au moyen d'un filtre adaptatif ( 47) non linéaire, et l'asservissement des quatre moteurs grâce à des signaux provenant de codeurs angulaires ( 40 à 43) disposés sur chacun desdits moteurs, caractérisé en ce que ledit filtre adaptatif ( 47) reçoit sur son entrée un signal qui est la reconstitution du signal F à compenser obtenu en sommant le signal résiduel ú (t) et le signal image F représentatif de la force résultante générée a A par les masselottes, ledit signal Fa étant obtenu à partir des signaux en provenance desdits codeurs angulaires ( 40 à 43), ledit filtre adaptatif non linéaire étant un filtre de Kalman à gains constants. 2/ Dispositif pour compenser un couple vibratoire C créé par un corps ( 9, 10), le dispositif comprenant quatre masselottes tournantes excentrées ( 15 à 18) tournant à la même vitesse WJ, chaque masselotte étant entraînée par un moteur électrique, les axes ( 19 à 22) de rotation des masselottes étant parallèles au vecteur moment du couple vibratoire à compenser et étant liés audit corps, les quatre masselottes comprenant une première paire de masselottes ( 15, 16) tournant l'une et l'autre dans le même sens dans un même plan P 2 et dont les axes de rotation sont symétriques par rapport à un axe D perpendiculaire au plan P 2, et une deuxième paire de masselottes ( 17, 18) tournant l'une et l'autre dans le même sens dans un même plan P 3 parallèle ou confondu avec le plan P 2 et dont les axes de rotation sont symétriques par rapport à l'axe D, les masselottes de la première paire générant deux forces tournantes F 2 situées dans le plan P 2, constituant un simple couple appelé premier couple dont le vecteur moment est dirigé parallèlement à l'axe D et dont le module est sinusoïdal, les masselottes de la seconde paire générant également deux forces tournantes F 2 situées dans le plan P 3 constituant un simple couple appelé second couple dont le vecteur moment est dirigé parallèlement à l'axe D et dont le module est sinusoïdal, les modules des premier et second couples étant déphasés d'un angle 2 l'un par rapport à l'autre, au moins un accéléromètre ( 44, 45) sur chaque paire étant connecté à un calculateur ( 50) travaillant en temps réel et réalisant à la fois le calcul des valeurs estimées de la fréquence, de l'amplitude, de la phase et de la variation éventuelle 14 - de la fréquence au moyen d'un filtre adaptatif ( 47), et l'asservis- sement ( 49) des quatre moteurs grâce à des signaux provenant de codeurs angulaires ( 40 à 43) disposés sur chacun desdits moteurs, caractérisé en ce que ledit filtre adaptatif ( 47) reçoit sur sur entrée un signal qui est la reconstitution du signal C à compenser obtenu en sommant le signal résiduel ú(t) et le signal image Ca représentatif du couple résultant généré par lesdites masselottes, ledit signal Ca étant obtenu à partir des signaux en provenance desdits codeurs angulaires, ledit filtre adaptatif non linéaire étant un filtre de Kalman à gains constants. 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