Brevet FR2675646A1 — publié le 19921023

DISPOSITIF D'ALIMENTATION ELECTRIQUE COMPORTANT UN CIRCUIT DE COMMUTATION La présente invention concerne un dispositif d'alimentation électrique comportant un circuit de commutation qui reçoit une tension d'alimentation. L'invention se rapporte plus particulièrement à des dispositifs pour l' alimentation de moteurs électriques Les moteurs à courant continu sans balais sont généralement pilotés par un circuit de commutation qui délivre une tension à différents enroulements du stator suivant une séquence commutée, pour produire un champ magnétique tournant qui fait tourner le rotor magnétique La caractéristique couple/vitesse d'un moteur à courant continu sans balais est une fonction des paramètres suivants taille du moteur, caractéristiques des enroulements du stator, couple de charge et tension appliquée Pour un moteur donné et une charge donnée, la vitesse de l'arbre du moteur est donc proportionnelle à la tension appliquée. Dans les cas o un moteur à courant continu sans balais doit avoir une vitesse variable, la pratique usuelle consiste à le brancher dans une boucle à réaction et à utiliser un amplificateur à modulation par impulsions de largeur variable (PWM = pulse width modulation) pour commander la vitesse du moteur Les amplificateurs PWM délivrent à leur sortie une tension à niveau moyen variable, en faisant varier le rapport longueur/espacement des impulsions dans un signal de sortie à onde carrée La commutation entre 1 ' état enclenché et l' état déclenché de l'amplificateur PWM se fait à une fréquence beaucoup plus élevée que la commutation entre les différents enroulements du moteur Le coefficient de self-induction des enroulements du stator a pour effet de lisser la tension à onde carrée de très haute fréquence pour aboutir à un niveau moyen de tension continue proportionnelle au rapport longueur/espacement de l'onde carrée Les amplificateurs PWM ont un rendement élevé, parce que leur circuit de sortie est toujours soit déclenché, soit enclenché Il y a donc une dissipation de puissance relativement faible dans le circuit de sortie, presque toute la puissance allant au moteur. La tension appliquée au moteur est proportionnelle à la fois au rapport longueur/espacement des impulsions du signal issu de l'amplificateur et délivré au circuit de commutation, et à la tension d'alimentation appliquée au moteur à travers le circuit de commutation Dans beaucoup d'applications, la tension d'alimentation peut varier dans une mesure sensible et il en résulte un effet conséquent sur la caractéristique couple/vitesse du moteur Bien qu'une régulation de la tension d' alimentation soit possible par des moyens usuels, les fortes charges de courant requises par les moteurs à courant continu sans balais font que les régulateurs d' alimentation à éléments couplés en série sont peu efficaces, tandis que les alimentations à commutation tendent à être coûteuses et peuvent être à l'origine d'interférences électromagnétiques La présente invention a pour but de créer un dispositif d'alimentation perfectionné, utilisable notamment pour un moteur à courant continu et susceptible de constituer une alimentation électrique à tension réglée. A cet effet, l'invention concerne un dispositif d'alimentation du type indiqué plus haut, caractérisé en ce qu'il comporte un générateur de rampe, délivrant un signal à rampe qui se répète à une fréquence fixe et qui s' élève progressivement d'une première valeur prédéterminée à une seconde valeur en fonction de la tension d'alimentation, et un comparateur qui reçoit le signal à rampe sur une entrée et un signal constant sur une autre entrée, en ce que le comparateur est agencé pour délivrer un signal à impulsions dont chaque impulsion commence et se termine lors de transitions du signal à rampe au niveau du signal constant, et en ce que le circuit de commutation est commandé par le signal à impulsions issu du comparateur, de sorte qu'une variation de la tension d'alimentation est compensée par une variation de largeur des impulsions pour que le circuit de commutation délivre une tension de sortie constante en moyenne et sensiblement indépendante des variations de la tension d'alimentation De cette manière, le dispositif d'alimentation électrique peut avoir un rendement élevé sans être particulièrement coûteux. Le circuit de commutation peut être un circuit de commutation d' un moteur à courant continu sans balais Le générateur de rampe peut comporter un intégrateur Le dispositif d'alimentation peut comporter un circuit de déclenchement commandant la fréquence du signal à rampe et comprenant un second comparateur qui reçoit sur ses entrées un signal périodique à rampe et un signal fixe et qui délivre un signal de déclenchement au générateur de rampe. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront dans la description suivante d'un exemple de réalisation d'un circuit comprenant un moteur et un dispositif d'alimentation électrique selon la présente invention, en référence aux dessins annexés dans lesquels la figure 1 représente schématiquement le circuit, et les figures 2 A à 2 E sont des diagrammes représentant des signaux à différents endroits du circuit de la figure 1, en fonction du temps représenté en abscisse. Le circuit représenté comprend un moteur 1 à courant continu sans balais et un dispositif d alimentation électrique 2 qui commande la vitesse et/ou le couple du moteur en fonction d'un signal de commande VD transmis sur une ligne 3 Le moteur 1 est un moteur usuel à courant continu sans balais, comportant des enroulements statoriques susceptibles d' être alimentés d'une manière qui produit un champ magnétique tournant, lequel fait tourner un rotor magnétique pourvu d'un arbre 10. Le dispositif d'alimentation 2 comporte un circuit de déclenchement 21 qui produit un signal de déclenchement à fréquence fixe Le circuit 21 comporte une source de tension fixe 22 qui délivre, à travers une résistance 23, un courant constant IF Ixi-z à un premier intégrateur 24. L' intégrateur 24 délivre une tension à rampe à période fixe sur sa ligne de sortie 25 et cette tension est délivrée à une entrée d'un comparateur 26 L'autre entrée du comparateur 26 reçoit une tension fixe VFIXE: qui provient de la source 22 Le comparateur 26 délivre un signal de déclenchement sous la forme d'une impulsion quand la tension de la rampe dépasse la tension fixe Ce signal de déclenchement est délivré au premier intégrateur 24, pour initialiser une nouvelle rampe, et à un second intégrateur 27 se trouvant en- dehors du circuit 21. Le second intégrateur 27 sert aussi de générateur de rampe et son entrée est connectée à une source 30 de tension d'alimentation non réglée Vs, à travers une résistance 31, de sorte qu'il reçoit un courant non réglé Is proportionnel à la tension La tension d'alimentation non réglée Vs est également délivrée sur une ligne 32 conduisant à un circuit de commutation 20 Le second intégrateur 27 délivre sur une ligne 33 un signal à rampe Va ayant une fréquence de répétition fixe, déterminée par le circuit de déclenchement 21. L'amplitude du signal à rampe Ve varie d'un minimum égal à une valeur prédéterminée, par exemple zéro, à un maximum égal à la tension d' alimentation Vs Par conséquent, la pente du signal de rampe varie avec la valeur de la tension d'alimentation Vs, cette pente étant plus forte pour des tensions d'alimentation plus élevées Le signal à rampe Ve issu du second intégrateur 27 est délivré à une première entrée d' un second comparateur 34 L'autre entrée du comparateur 34 reçoit un signal de demande VD représentant une caractéristique voulue de vitesse/couple du moteur 1 Le comparateur 34 délivre un signal à onde carrée Vc sur une ligne 35 conduisant à une entrée de commande du circuit de commutation 20 Le circuit de commutation 20 comprend un certain nombre de dispositifs de commutation à semi-conducteurs (non représentés) qui sont fermés selon diverses combinaisons sous l'effet du signal reçu à 1 ' entrée de commande, pour brancher la tension d'alimentation Vs sur le ou les enroulements voulus dans le stator, avec la polarité voulue. Dans la figure 2, on a représenté 1 ' effet d'une variation de la tension d'alimentation Vs sur le signal Vm délivré au moteur 1 La figure 2 A montre que la tension d'alimentation Vs est initialement à une valeur constante Vs 1, puis monte progressivement à un niveau supérieur Vs 2, et enfin tombe brusquement à un niveau inférieur Vs 3 Ceci a pour effet que le signal à rampe VR issu du second intégrateur 27 varie de la manière représentée à la figure 2 B Initialement, chaque impulsion à rampe monte jusqu'au même maximum VRW 1 Ensuite, la rampe est plus raide et monte jusqu'à une valeur supérieure VR 2 Par la suite, la rampe est moins raide et va jusqu'à un maximum moins élevé VE{ 3 La fréquence de répétition du signal à rampe reste constante Pour simplifier, on suppose que le signal de demande VD reste constant, comme il est représenté en superposition à la tension du signal à rampe VR dans la figure 2 B Le comparateur 34 délivre un signal de sortie à onde carrée Vc représenté à la figure 2 C Chaque impulsion de l'onde carrée commence et finit aux transitions du signal à rampe Va au niveau constant du signal de demande VD, si bien que la longueur de chaque impulsion carrée est égale à la durée pendant laquelle le signal de demande VD est supérieur au signal à rampe Ve. L'espacement entre les impulsions adjacentes est donc égal à la durée pendant laquelle le signal à rampe VR est supérieur au signal de demande VD Durant le temps o la tension d'alimentation Vs vaut Vsi, le rapport longueur/espacement du signal V Quand la tension d'alimentation augmente, le rapport longueur/espacement de V qu' il bloque cette tension pendant les intervalles entre les impulsions. Du fait que la tension d'alimentation varie, l'amplitude de la tension appliquée au moteur pendant les impulsions varie, comme le montre la forme d'onde du signal Vm dans la figure 2 D Le rapport durée/espacement des impulsions de ce signal varie en raison inverse de la tension d'alimentation, d'une manière qui compense les effets des variations de la tension d'alimentation quand la forme d'onde Vm est lissée et moyennée par le coefficient de self-induction des enroulements du moteur Dans les enroulements, il en résulte une tension constante représentée par Vw dans la figure 2 E. Le dispositif selon la présente invention compense les variations de la tension d' alimentation dans la tension de sortie du dispositif, sans perte de rendement La présente invention n'est pas limitée à l'exemple de réalisation décrit ci-dessus, mais elle s' étend à toute modification ou variante évidente pour un homme du métier Il faut noter que le dispositif d'alimentation selon l'invention peut être utilisé dans des applications autres que l'alimentation des moteurs Le circuit pourrait être réalisé sous une forme numérique, avec des intégrateurs formés par des compteurs délivrant une sortie numérique Le premier intégrateur serait réinitialisé à une fréquence constante, le second intégrateur étant réinitialisé par un oscillateur commandé par tension, à savoir par l'amplitude effective de la tension d'alimentation Vs. REVENDICATIONS 1 Dispositif d' alimentation électrique comportant un circuit de commutation qui reçoit une tension d'alimentation, caractérisé en ce qu'il comporte un générateur de rampe ( 27), délivrant un signal à rampe (V>) qui se répète à une fréquence fixe et qui s'élève progressivement d'une première valeur prédéterminée à une seconde valeur en fonction de la tension d'alimentation (Vs), et un comparateur ( 34) qui reçoit le signal à rampe (Va) sur une entrée et un signal constant (VD) sur une autre entrée, en ce que le comparateur ( 34) est agencé pour délivrer un signal à impulsions (Vc) dont chaque impulsion commence et se termine lors de transitions du signal à rampe (V^) au niveau du signal constant (VD), et en ce que le circuit de commutation ( 20) est commandé par le signal à impulsions (Vcz) issu du comparateur ( 34), de sorte qu'une variation de la tension d'alimentation (Vs) est compensée par une variation de largeur des impulsions pour que le circuit de commutation délivre une tension de sortie constante en moyenne et sensiblement indépendante des variations de la tension d'alimentation (Vs). 2 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit de commutation est un circuit de commutation ( 20) d' un moteur à courant continu sans balais ( 1). 3 Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le générateur de rampe comporte un intégrateur ( 27). 4 Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte un circuit de déclenchement ( 21) commandant la fréquence du signal à rampe (VE) et comprenant un second comparateur ( 26) qui reçoit sur ses entrées un signal périodique à rampe et un signal fixe et qui délivre un signal de déclenchement au générateur de rampe ( 27).