Brevet FR2692735A1 — publié le 19931224

Dispositif d'asservissement de la vitesse d'un moteur électrique et son procédé de fonctionnement L'invention concerne un dispositif d'asservissement numérique de la vitesse d'un moteur électrique comportant un élément commutateur, tel qu'un triac, monté en série avec le moteur aux bornes d'un réseau alternatif de distribution électrique et dont l'angle d'ouverture définie des valeurs correspondantes à une vitesse de consigne déterminée, un capteur tachymétrique en liaison avec le moteur et destiné à émettre des impulsions images de la vitesse du moteur ainsi qu'un microcontrôleur comprenant un générateur de signaux à fréquence constante, des moyens de comptage d'un premier compteur s'incrémentant automatiquementet dont le décompte est subordonné à au moins une période des impulsions images pour calculer la vitesse réelle du moteur, un espace mémoire contenant N valeurs de vitesses de consigne désirées comprises entre une vitesse minimum VMINI et une vitesse maximum VMAXI, des moyens de comparaison entre la vitesse de consigne désirée et la vitesse réelle du moteur, des moyens de traitement de l'information issue des moyens de comparaison et des moyens de conversion de l'information analysée destinés à commander l'angle d'ouverture de l'élément commutateur. Dans les dispositifs d'asservissement numérique de vitesse, connus de ce genre, le microcontrôleur compare la vitesse 2 2692735 réelle du moteur électrique avec une valeur de vitesse de consigne déterminée et apporte, s'il y a lieu, une correction sur la valeur de l'angle d'ouverture de l'élément commutateur du dispositif d'asservissement de la vitesse en fonction de 5 l'écart mesuré, entre la vitesse réelle du moteur et la valeur de la vitesse de consigne sélectionnée Ladite correction déclenche un incrément ou un décrément de la valeur de l'angle d'ouverture correspondant à une valeur de vitesse de consigne déterminée et se traduit par une10 variation de la vitesse entraînant souvent des saccades ou un phénomène de pompage notamment en basses vitesses D'autre part, lors des variations importantes de l'angle d'ouverture, les brusques augmentations de tension peuvent entraîner une détérioration du moteur.15 Le but de l'invention est de remédier aux inconvénients précités en mettant en oeuvre un dispositif d'asservissement numérique de vitesse simple, rapide et très fiable. Selon l'invention, l'espace mémoire du microcontroleur comporte dans une première tranche N valeurs déterminées de pente moyenne Px calculée, d'une part, à partir de valeur de pente K 1 à KN en des points déterminés sur une alternance d'une courbe de la tension alternative aux bornes du moteur et définies pour N zones obtenues par un découpage théorique d'une alternance d'une autre courbe de la tension alternative aux bornes du moteur et, d'autre part, à partir d'un coefficient énergétique Ai relatif à une zone considérée et N valeurs de plage de correction maximum déterminées pour chaque valeur de vitesse de consigne désirée et, dans une seconde tranche, correspondant à une variation relative de vitesse entre la vitesse réelle du moteur et la vitesse de consigne désirée. Grâce au dispositif d'asservissement selon l'invention, la vitesse réelle du moteur est contrôlée et corrigée, pendant toute la phase de fonctionnement du moteur, pour éviter toute perturbation qui pourrait nuire, d'une part, à la durée de vie du moteur et, d'autre part, à la quiétude de l'utilisateur et pour assurer une régulation continue de la vitesse réelle du moteur De cette manière, le moteur réagit, selon une variation énergétique en liaison avec l'angle d'ouverture de l'élément commutateur, ladite variation étant réalisée par une régulation de puissance en introduisant une notion d'incrément énergétique qui permet de se rapprocher d'une correction A W/W = Cste et non pas par une régulation angulaire en appliquant un angle d'ouverture déterminé à l'élément commutateur imposant ainsi une puissance non idéale. Les caractéristique et avantages de l'invention ressortiront d'ailleurs de la description qui va suivre, à titre d'exemple, en référence aux dessins annexés dans lesquels: la figure 1 représente un schéma bloc du dispositif d'asservissement numérique de la vitesse d'un moteur selon l'invention; la figure 2 illustre le fractionnement, selon l'invention, d'une alternance de la courbe de la tension alternative présente aux bornes du moteur électrique; les figures 3 et 4 représentent des droites de correction, obtenues après un calcul selon l'invention, déterminant une valeur de correction à apporter à la vitesse réelle du moteur pour obtenir la vitesse de consigne désirée. Selon la figure 1, un moteur 1 destiné à équiper, par exemple, un appareil électroménager est alimenté par un réseau alternatif de distribution électrique non représenté et activé par un élément commutateur connecté en série avec ledit moteur Ledit moteur tourne à des vitesses différentes en fonction du travail à effectuer, ces vitesses étant généralement sélectionnables par l'utilisateur Ainsi le moteur subit de fortes variations qui peuvent nuire à sa longévité Pour améliorer le fonctionnement du moteur et régler la vitesse, un dispositif d'asservissement numérique de la vitesse du moteur commande l'élément commutateur, tel qu'un triac, dont l'angle d'ouverture fait varier la vitesse réelle dudit moteur 1 Un tel dispositif d'asservissement comporte un capteur tachymétrique 2 en liaison avec le moteur et destiné à émettre des impulsions images de la vitesse du moteur vers une interface 3 transmettant lesdites impulsions à un microcontrôleur 4 Le microcontrôleur 4 est, par exemple, un microcontrôleur 8051 de la Société INTEL Ledit microcontrôleur comprend un générateur de signaux à fréquence constante, par exemple de fréquence 1 Mhz, et un espace mémoire 6 contenant, entre autres, dans une première tranche, N valeurs de vitesses de consigne désirées comprises entre une vitesse minimum VMINI et une vitesse maximum VMAXI, N valeurs déterminées de pente moyenne Px, Lesdites valeurs de pente moyenne Px sont calculées, d'une part, à partir de valeurs de pentes K 1 à KN en des points déterminés sur une alternance de la cosinusoide de la tension alternative aux bornes du moteur et définies pour N Zones obtenues par un découpage théorique d'une alternance de la sinusoïde de la tension alternative aux bornes du moteur, chaque zone Z 1 à ZN découpée étant définie entre deux bornes Bl et B 2 correspondant chacune à une valeur déterminée d'angle d'ouverture de l'élément commutateur, c'est à dire à des valeurs V et Vp + 1 de vitesse de consigne désirée et, d'autre part, à partir d'un coefficient énergétique AI proportionnel à une surface restante de la sinusoïde de la tension alternative aux bornes du moteur limitée par une borne Bl d'une zone et le point de passage à zéro de la sinusoïde Il est possible de définir les pentes K 1 à k N à partir d'une alternance de la sinusoïde de la tension alternative aux bornes du moteur mais, pour des problèmes de signe, on utilise une alternance de la cosinusoïde de la tension alternative aux bornes du moteur Une visualisation de ce découpage est représentée schématiquement sur la figure 2 Dans chaque zone considérée, des valeurs de pente K 1 à KN sont définies à partir de points déterminés sur l'alternance de la cosinusoïde de la tension alternative aux bornes du moteur Le microcontrôleur comporte également des moyens de comptage comprenant un premier compteur 5 s' incrémentant automatiquement, et dont le décompte est subordonné à au moins une période des impulsions images pour calculer la vitesse réelle du moteur, ledit premier compteur 5 donnant une valeur V en fonction d'au moins une ou plusieurs période d'impulsions images à mesurer issues du capteur tachymétrique 2, et le nombre de périodes à prendre en compte étant contenu dans 1 ' espace mémoire 6 du microcontrôleur et correspondant à une valeur de vitesse de consigne déterminée La valeur V issue du premier compteur 5 est définie, par exemple, sous forme hexadécimale et comprend une première partie contenant des bits de poids fort et une deuxième partie contenant des bits de poids faible Le premier compteur 5 est, par exemple, un compteur 16 bits déterminant ainsi un nombre hexadécimal pouvant varier d'une valeur minimale 0000 à une valeur maximale FFFF Le microcontrôleur 4 comporte également un intégrateur non représenté calculant la valeur de pente moyenne Px en fonction des valeurs de pentes Ki à EN et du coefficient énergétique A-I Ainsi, par exemple, pour deux zones successives Zi et Z 2 de pentes respectives K 1 et K 2 l'intégrateur prélevera une valeur Pl correspondant à la pente moyenne des zones Z 1 et Z 2, cet exemple étant pris à titre non limitatif Le fonctionnement du dispositif d'asservissement numérique de la vitesse du moteur électrique 1 est assuré par le microcontroleur 4 Le microcontroleur calcule, grâce à un premier différenciateur 7, un écart entre la vitesse de consigne choisie par l'utilisateur et contenue dans l'espace mémoire 6 et la première partie de la valeur V issue du premier compteur 5, ledit écart étant dénommé plage de correction Pc Après calcul de la plage de correction Pc, une étude du signe de ladite plage de correction est réalisée par un premier testeur 8 Si le signe de cette plage est négatif, ce qui signifie que le moteur tourne trop vite, on envoie audit moteur une correction correspondant à une variation de puissance énergétique minimum qui provoque un35 temps de retard Trmaxi à l'excitation de la gâchette de l'élément commutateur Le temps de retard est introduit dans le processus de fonctionnement par un deuxième compteur 9 ayant une valeur maximale et activé à une valeur de chargement déterminé par le calcul de la correction minimum. Ce temps de retard est ainsi égal à la différence entre la valeur maximale du deuxième compteur 9 et la correction calculée correspondant à la valeur de chargement dudit compteur 9 On contrôle la sortie du deuxième compteur 9 surveillant le déclenchement d'un signal de dépassement de la valeur maximale Ledit signal de dépassement est stockée par un moyen de stockage non représenté qui déclenche, d'une part, une interruption du programme principal de fonctionnement du microcontrôleur 4 et, d'autre part, la mise en fonctionnement d'un programme secondaire, envoyant, par exemple grâce à une interface 10, une impulsion d'activation à la gâchette de l'élément commutateur pour corriger s'il y a lieu la vitesse du moteur Dans un exemple particulier de réalisation, le deuxième compteur 9 est, par exemple, un compteur 16 bits Ledit compteur 9 est chargé, par exemple, à sa valeur maximale FFFF à laquelle on retranche une valeur hexadécimale XXXX le résultat de la différence étant inférieure à E 900 et correspondant à la valeur du temps de retard T Rmaxi En fonctionnement, le deuxième compteur 9 démarre à la valeur FFFF- XXXX Ensuite le compteur s'incrémente et lors du passage de la valeur maximale FFFF à la valeur minimale 0000, ledit deuxième compteur 9 émet, par exemple, un bit d'interruption qui provoque dans le programme principal de fonctionnement une interruption et déclenche ledit programme secondaire envoyant une impulsion correspondant à une puissance minimum Après chaque impulsion d'activation, le moteur tourne à une vitesse réelle déterminée qui est recalculée à chaque alternance de fonctionnement en fonction de la vitesse de consigne désirée. Ledit temps de retard est également recalculé à chaque alternance de fonctionnement en fonction de la vitesse désirée Ce nouveau temps de retard est retranché à la valeur FFFF du deuxième compteur 9 et le même procédé de traitement est réalisé D'autres types de compteurs peuvent être utilisés et des méthodes de calcul appropriées peuvent être adaptées pour obtenir un même résultat. Si le signe de la plage de correction est positif ou nul, le microcontroleur 4 compare, grâce à un deuxième différenciateur 10 ', la plage de correction calculée par ledit microcontroleur avec une plage de correction maximum Pcm contenue dans 1 ' espace mémoire 6, fixée pour chaque valeur de vitesse de consigne désirée et correspondant à la différence de vitesse entre la vitesse réelle du moteur et la vitesse de consigne désirée, la différence étant une variation relative Le deuxième différenciateur 10 ' donne10 ainsi une valeur appelée mode de correction Mc sur laquelle on effectue un test du signe par un deuxième testeur 11 Si le signe du mode de correction Mc est négatif ou nul c'est à dire si le moteur tourne trop lentement, on envoie une correction correspondant à une variation de puissance maximale à appliquer audit moteur. On assimile à ladite correction un temps de retard Trmini à appliquer à l'élément commutateur et on effectue la même démarche que celle décrite précédemment avec le temps de retard Trmaxi Dans notre exemple particulier, la valeur hexadécimale correspondant à la valeur du temps de retard Trmini est la valeur FFFF-FBOO Si le signe du mode de correction est positif, c'est à dire si le moteur tourne à une vitesse proche de la vitesse de consigne désirée, on25 déclenche le calcul d'une valeur de correction à appliquer à la vitesse réelle du moteur pour fonctionner à la vitesse de consigne désirée Si le signe du mode de correction est positif, c'est à dire si le moteur tourne à une vitesse proche de la vitesse de consigne désirée, on déclenche le calcul d'une valeur de correction à appliquer à la vitesse réelle du moteur pour fonctionner à la vitesse de consigne désirée. Pour obtenir cette valeur de correction, on multiplie, grâce à un multiplicateur 12, une valeur de pente moyenne Px associée à la vitesse de consigne déterminée par la valeur de la plage de correction calculée par le premier différenciateur, on ajoute au produit ainsi obtenu, grâce à un premier sommateur 13, une valeur d'origine en dessous de laquelle l'appareil équipé d'un moteur n'a pas de fonctions utilitaires et correspondant, dans notre exemple, à une valeur hexadécimale E 9, et on additionne, grâce à un deuxième 5 sommateur 14, ledit résultat du premier sommateur 13 avec le produit calculé par un multiplicateur 15 entre la valeur de pente moyenne Px associée à la vitesse de consigne désirée et la deuxième partie de la valeur V issue du premier compteur 5 Ladite valeur de correction calculée après le sommateur 14 est appliquée audit deuxième compteur 9. La valeur de correction peut être retrouvée graphiquement par des droites de correction représentées sur les figures 3 et 4 Selon les figures 3 et 4, différentes droites de correction (Dai N DF) ont été représentées, à titre illustratif, suivant des points de positionnement différents (A, B, C,, F) En effet, les droites de correction DA à DF de la figure 3, sont définies, d'une part, suivant l'axe des abscisses, par la valeur V issue du premier compteur 5 représentant la vitesse réelle du moteur et, d'autre part, suivant l'axe des ordonnées, par des valeurs de vitesse de consigne contenues dans l'espace mémoire 6 Chaque droite de correction a une valeur de pente moyenne Pl à PN déterminée qui est différente suivant le point de fonctionnement (A, B, C,, F) c'est à dire suivant la vitesse de consigne désirée La droite de correction ayant A comme point de fonctionnement correspond à une faible valeur de la vitesse de consigne et à un valeur V très élevée représentant la vitesse réelle du moteur Cette droite de correction a une pente moyenne très faible Pour des vitesses de consigne élevées et une valeur V faible, la droite de correction a une forte pente moyenne Les droites de correction de la figure 4 possèdent toujours les mêmes pentes moyennes que celles représentées à la figure 3 mais sont représentées avec une changement d'échelle pour améliorer la correction à apporter en fonction des faibles écarts de vitesse difficiles à analyser Les droites de correction sont représentées dans un repère ayant, comme axe des abscisses la variation relatives de la vitesse entre la vitesse réelle du moteur et la vitesse de consigne, et comme axe des ordonnées, la valeur associée au temps de retard, ladite valeur étant convertie, par exemple, sous forme hexadécimale Chaque droite de correction5 représentée à titre illustratif, possède une première partie I commune à toutes les droites et correspondant à une plage obtenue lorsque le moteur tourne rapidement, un point d'inflexion H commun à toutes les droites et une deuxième partie II dont les pentes moyennes de droites varient en fonction de la vitesse de consigne désirée Suivant la valeur de la vitesse de consigne désirée et suivant la variation relative de la vitesse du moteur, un valeur V 1 proportionnel à un temps de retard, est définie, par exemple, sous forme hexadécimal, grâce à une droite de correction déterminée en fonction de la valeur de pente moyenne associée à la valeur de la vitesse de consigne désirée Ladite valeur V 1 est ensuite transmise au deuxième compteur 9 qui déclenche un processus de fonctionnement comme décrit précédemment. De cette manière, l'invention assure une correction énergétique proportionnelle au calcul de la pente moyenne des droite de corrections. L'invention peut s'appliquer à tout type de moteur fonctionnant avec des fortes variations de vitesse lors d'application de couple variés notamment sur les moteurs des machines de traitement des aliments, dans lesquels pour hacher, battre centrifuger ou presser, les aliments les vitesses sont très différentes ainsi que sur tous les appareils électrodomestiques, tels que par exemple un aspirateur. Revendications 1 Dispositif d'asservissement numérique de la vitesse d'un moteur électrique ( 1) comportant un élément commutateur, tel qu'un triac, monté en série avec le moteur aux bornes d'un réseau alternatif de distribution électrique et dont l'angle d'ouverture définie des valeurs correspondant à une vitesse de consigne déterminée, un capteur tachymétrique ( 2) en liaison avec le moteur et destiné à émettre des impulsions10 images de la vitesse du moteur, ainsi qu'un microcontroleur ( 4) comprenant un générateur de signaux à fréquence constante, des moyens de comptage d'un premier compteur ( 5) s'incrémentant automatiquement et dont le décompte est subordonné à au moins une période des impulsions images pour calculer la vitesse réelle du moteur, un espace mémoire ( 6) contenant N valeurs de vitesses de consigne désirées comprises entre une vitesse minimum VMINI et une vitesse maximum VMAXI, des moyens de comparaison entre la vitesse de consigne désirée et la vitesse réelle du moteur, des moyens de traitement de l'information issue des moyens de comparaison, et des moyens de conversion de l'information analysée destinés à commander l'angle d'ouverture de l'élément commutateur, caractérisé en ce que l'espace mémoire ( 6) du microcontroleur ( 4) comporte, dans une première tranche, N valeurs déterminées de pente moyenne Px calculées, d'une part, à partir de valeurs de pentes K 1 à KN en des points déterminés sur une alternance d'une courbe représentative de la tension alternative aux bornes du moteur et définies pour N zones (Z 11 à Zn) obtenues par un découpage théorique d'une alternance de la courbe de la tension alternative aux bornes du moteur et, d'autre part, à partir de coefficients énergétiques Ai proportionnels à une surface restante de ladite courbe de la tension alternative et, dans une seconde tranche, N valeurs de plage de correction maximum (P Cm) déterminées pour chaque valeur de vitesse de consigne désirée et correspondant à une différence de vitesse entre la vitesse réelle du moteur et la vitesse de consigne désirée. il 2 Dispositif d'asservissement numérique de la vitesse d'un moteur électrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les valeurs de pentes K 1 à KNZ sont définies sur une alternance de la cosinusoïde de la tension alternative aux bornes du moteur et les N zones sont définies sur une alternance de la sinusoïde de la tension alternative. 3 Dispositif d'asservissement numérique de la vitesse d'un moteur électrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'espace mémoire ( 6) du microcontroleur ( 4) comporte, pour chacune des N valeurs de vitesses de consigne, un nombre déterminé de périodes des impulsions images à mesurer. 4 Dispositif d'asservissement numérique de la vitesse d'un moteur électrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'espace mémoire ( 6) mémorise une valeur V proportionnelle à la vitesse réelle du moteur et comprenant une première partie contenant des bits de poids faible et une deuxième partie contenant des bits de poids fort. Dispositif d'asservissement numérique de la vitesse d'un moteur électrique selon la revendication 4, caractérisé en ce que ladite valeur V proportionnelle à la vitesse réelle du moteur est définie sous forme hexadécimale. 6 Dispositif d'asservissement numérique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le microcontroleur ( 4) comporte un deuxième compteur ( 9) calculant une valeur de correction à apporter à l'élément commutateur à partir des N valeurs de pente moyenne Px, des N valeurs de plage de correction maximum Pcm et d'un nombre déterminé de périodes des impulsions images contenus dans l'espace mémoire ( 6). d'asservissement numérique 7 Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le premier compteur ( 5) et le deuxième compteur ( 9) sont des compteurs 16 bits. 8 Dispositif d'asservissement numérique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est destiné à équiper le moteur d'un appareil électroménager tel que, par exemple, une machine de traitement des aliments à plusieurs fonctions telles que hachoir, diviseur, pressefruits, centrifugeuse à fruits, pétrisseur ou un aspirateur. 9 Procédé de fonctionnement du dispositif d'asservissement numérique de la vitesse d'un moteur électrique selon les revendications 4 à 6, caractérisé en ce qu'on calcule une plage de correction (Pc) définie par la différence entre la vitesse de consigne choisie par l'utilisateur et la première partie de la valeur V issue du premier compteur ( 5), on effectue un test sur le signe de la plage de correction (Pc) et on applique une correction déterminée à l'angle de l'ouverture de l'élément commutateur en fonction du signe de ladite plage (Pc) par l'intermédiaire du deuxième compteur ( 9). 10 Procédé de fonctionnement du dispositif d'asservissement numérique de la vitesse d'un moteur électrique selon la revendication 9, caractérisé en ce que, si le signe de la plage de correction est négatif on envoie une correction minimum correspondant à une variation énergétique minimum et, si le signe de la plage de correction est positif ou nul; on compare la plage de correction Pc calculée par le microcontroleur ( 4) avec une plage de correction maximum Pcm contenue dans l'espace mémoire ( 6), on en déduit une valeur de correction Mc; on35 teste le signe du mode de correction Mc, si le mode de correction est négatif ou nul, on applique une correction maximum correspondant à une variation énergétique maximum, si le mode de correction Mc est positif, on calcule le produit d'une valeur de pente moyenne Px associée à une vitesse de consigne déterminée par la valeur de la plage de correction Pc calculée par le microcontroleur ( 4); on ajoute au produit obtenu une valeur d'origine déterminée; on additionne à ce5 résultat un produit réalisé entre la valeur de pente moyenne Px et la deuxième partie de la valeur V issue du premier compteur ( 5). 11 Procédé de fonctionnement du dispositif d'asservissement numérique de la vitesse d'un moteur électrique selon la revendication 5, caractérisé en ce que, la correction déterminée étant un nombre, on charge le deuxième compteur ( 9) par ledit nombre; on déclenche le fonctionnement du deuxième compteur ( 9); on15 atteint la valeur maximale du deuxième compteur ( 9); lors du dépassement de ladite valeur maximale à la valeur minimale du deuxième compteur ( 9), on utilise un bit de dépassement dudit deuxième compteur ( 9) qui déclenche une interruption du programme principal de fonctionnement du microcontroleur ( 4) ainsi que l'activation d'un programme secondaire envoyant une impulsion d'activation à la gâchette de l'élément commutateur.