Brevet FR2694667A1 — publié le 19940211

DISPOSITIF DE REGULATION ELECTRONIQUE DE VITESSE D'UN MOTEUR La présente invention concerne un dispositif de régulation de vitesse à courant continu d'un moteur de puissance, notamment de moteur universel, équipant des machines domestiques. Un moteur est dit universel quand il peut fonctionner à la fois en alimentation continue et en alimentation alternative N est constitué d'un stator couplé électromagnétiquement à un rotor Pour réaliser ce couplage, le stator et le rotor sont tous les deux munis d'un bobinage et alimentés en tension Afmi de transmettre le courant au rotor, celui- ci est muni d'un système de balai (deux en général) et de collecteurs (quelques dizaines). Lorsque le moteur est alimenté par une tension sinusoïdale, celle-ci dans le rotor est redressée et est pratiquement continue Le champ variant créé par le bobinage du stator va donc entraîner en rotation le pseudo-aimant permanent qu'est le rotor Inversement, lorsque le stator (alors aimant fictif) est alimenté en continu, la tension parcourant la bobine est sinusoïdale et le rotor est entraîné en rotation. Ce type de moteur est très utilisé car, contrairement à d'autres moteurs de mêmes applications, comme les moteurs synchrones ou asynchrones, sa vitesse varie en fonction de sa tension d'alimentation. Les moteurs universels sont en général alimentés par une tension alternative sinusoïdale (type secteur) et sont commandés par un triac piloté en angle de phase Le stator et le rotor sont tous les deux montés en série Le fonctionnement du triac est décrit ci-dessous en se référant aux figures la et lb. Sur la figure la, le moteur 1 est branché aux bornes 4 et 5 d'une alimentation délivrant une tension alternative sinusoïdale V par l'intermédiaire d'un triac 2 Une carte de commande 7 est branchée aux bornes 4 et 5 de l'alimentation. Cette carte commande le triac 2 qui, lui-même, commande l'alimentation du moteur L'alimentation délivre au circuit une tension dont le diagramme de l'amplitude en fonction du temps est représenté sur la figure lb. A to, le triac 2 n'est pas commandé et se comporte comme un interrupteur ouvert, il n'y a pas de courant entre les bornes A et B du triac 2 A tl, la gachette du triac 2 reçoit de la carte de commande 3 une impulsions qui autorise le passage du courant entre les bornes A et B du triac 2 Le moteur 1 est alors alimenté De nouveau, à to', lorsque le courant traversant le triac 2 s'annule, le moteur 1 n'est plus alimenté jusqu'à t'l o la carte de commande 3 autorise le courant à passer entre les bornes A et B L'alimentation du moteur universel s'effectue ainsi de suite. La vitesse du moteur obtenue est une fonction de l'angle de phase de l'alimentation Ainsi, si tl = to, alors la vitesse obtenue est la vitesse maximale En revanche, si tl est très légèrement inférieur à t'o, la vitesse obtenue est minimale. Une telle commande de l'alimentation du moteur universel présente de nombreux inconvénients, notamment celui de l'échauffement important des balais et la nécessité d'utiliser des balais résistants à l'usure due à ces échauffements (dit balais sandwich) générateurs de bruit et des guides laiton résistant à ces températures Le stator supporte lui aussi des échauffements importants car le rendement d'un moteur universel en alternatif n'est pas optimal D'autre part, la fiabilité du moteur est diminué du fait de sa sévère condition d'utilisation et l'alimentation du moteur par une source alternative de 50 Hz conduit à une onde de courant et à une onde de couple de 10 O Hz fortement génératrice de bruits La nuisance sonore augmente avec la vitesse du moteur, ceci étant dû notamment au frottement du balai sur le rotor. La présente invention propose, pour remédier à ces inconvénients, un dispositif d'alimentation d'un moteur universel pour une tension sinusoïdale redressée doublé alternance que l'on associe à une commande PWM (pour Pulse Width Modulation, modulation de largeur d'impulsion en langue anglaise) à une fréquence inaudible à l'oreille humaine. Ce dispositif permet de réduire les échauffements des balais et donc de remplacer les balais sandwich par des balais monoblocs et de supprimer les guides de laiton Ce changement de balais et ces suppressions entranent une forte réduction des nuisances acoustiques et du coût de l'ensemble balais/porte-balais. Les échauffements du stator diminuent par rapport à l'art antérieur et le rendement est donc meilleur. Ces réductions des échauffements augmentent la fiabilité du moteur. La présente invention sera mieux comprise et les avantages supplémentaires apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, illustrée par les figures suivantes: les figures la et lb, déjà décrites, représentent un dispositif de commande d'un moteur universel selon l'art antérieur; les figures 2 a et 2 b représentent un dispositif de commande d'un moteur universel selon la présente invention; la figure 3 représente un dispositif de commande d'un moteur universel selon un mode particulier de réalisation de la présente invention. Sur la figure 2 a, le moteur universel est branché en parallèle sur un dispositif redresseur 6 (type pont à diodes) qui délivre une tension sinusoïdale redressée double alternance dont la forme et l'amplitude sont représentées sur la figure 2 b par le trait 8 Cette tension redressée peut être filtrée en amont et/ou en aval par une capacité de filtrage. L'alimentation du moteur 1 est commandée par un dispositif de commutation 7 dont l'état passant ou non-passant est lui-même commandé par un dispositif modulateur de largeur d'impulsions PWM 9 Le dispositif de commutation 7 est avantageusement un transistor de puissance dont la grille est connectée au dispositif modulateur de largeur d'impulsions 9 qui délivre un signal carré d'une fréquence F supérieure à celle de la tension délivrée par le dispositif redresseur 6 Le transistor 7 va donc s'ouvrir et se fermer à la fréquence du modulateur 9, celui-ci imposant la durée de fermeture et d'ouverture du transistor 7. La figure 2 b montre la tension V' finalement reçu par le moteur 1. L'amplitude de la tension est donnée par le redresseur 6 et la découpe régulière de cette tension est imposée par le modulateur 9 A to la grille G du transistor 7 n'est pas polarisée et le moteur n'est pas alimenté A tl, le modulateur 9 polarise la grille G, le courant passe entre le drain D et la source S du transistor 7 et le moteur est alimenté jusqu'à t'o = to + T (T étant la période correspondant à la fréquence F) o le transistor est de nouveau non-passant et le moteur non-alimenté La tension délivrée par le redresseur 6 est ainsi de suite découpée Si la tension est à 50 Hz, elle sera découpée de cette manière afin d'obtenir une fréquence inaudible à l'oreille humaine, c'est à dire typiquement une fréquence supérieure à environ 10 K Hz. Afin d'obtenir ce résultat, le train d'impulsion généré par le modulateur 9 et appliqué à la grille G du transistor 7, a une fréquence inaudible de, par exemple, F= 18 K Hz représenté par la figure 2 c De to à ti, la grille n'est pas polarisée et le transistor est non-passant, de tl à t'o = to + T, la grille est polarisée, le transistor passant et le moteur alimenté. La vitesse du moteur obtenue est fonction de la largeur de l'impulsion (t'o ti). Sur la figure 3, une diode 10, est avantageusement montée en parallèle au moteur afin de créer un chemin de rebouclage pour le courant du moteur permettant, lorsque le transistor n'est plus passant, de décharger la self équivalente du moteur. D'autre part, on peut brancher en parallèle aux pôles du pont redresseur 6 une capacité de découplage 31 des selfs de fileries rejoignant le moteur qui limitent la tension Cette capacité est, par exemple, à une tension maximale de 320 V et de quelques centaines de NF (nano Farad). Le circuit modulateur de largeur d'impulsion PWM commandant le dispositif de commutation 7 peut être un micro-processeur, un circuit logique ou analogique. Un signal de fréquence par exemple 1 K Hz et de rapport cyclique variable est appliqué à un circuit de mise en forme de signal 30 du type trigger de SCHMIlT afim de produire à sa sortie un signal carré de bonne qualité dont le rapport cyclique est variable. Le réseau composé de la résistance 11 (quelques centaines de KJL) et la capacité 12 (quelques dizaines de iz F) sert à filtrer cette onde pour que l'on obtienne au travers de la résistance 13 (quelques dizaines de Kr L) une onde parfaitement continue On a ainsi une onde continue à l'entrée du circuit intégré 100 Dans ce mode de réalisation, ce circuit peut être un 38 42 fonctionnant en mode courant, c'est-à-dire qu'à tout instant il va lire le courant qui traverse le dispositif de commutation 7 et en fonction de celui-ci il va corriger le rapport cyclique qui a été donné par la consigne Celle-ci va être transmise directement au travers des résistances 13 et 14 (quelques de dizaines de K L) aux broches 101 et 102 du circuit 100. Le réseau composé de la résistance 15 et de la capacité 16 branché aux broches 108 et 104 du circuit donnent la fréquence d'oscillation Pour réaliser un oscillateur centré sur 17 K Hz (un exemple de fréquence inaudible) les valeurs de la résistances 15 et de la capacité 16 sont de l'ordre de 70 k Uet du n F Aux bornes de ce réseau est branché une capacité 17 de l'ordre du g F qui est une capacité d'antiparisitage et de découplage. Ce réseau doit fournir un signal en dents de scie au circuit 100 Au zéro de ce signal, la broche 106 va, au travers du réseau composé des résistances 18 (quelques dizaines d'fl) et 19 (quelques dizaines d'in), va polariser (à 18 Volts pour le 38 42) la grille du transistor 7, une onde de courant va donc passer au travers de la résistance 20 (de l'ordre du dizième d'.A) et va être lue par la broche 103 du circuit 100 Dès que la tension aux bornes de cette résistance 20 a atteint la valeur de consigne que l'on a présenté aux broches 101 et 102, le circuit 100 décharge par la broche 108 la grille du transistor 7 qui devient non passant. Le réseau composé de la résistance 21 (qui est de l'ordre de la centaine di L) et de la capacité 22 (plusieurs dizaines de n F) filtre les parasites et le circuit composé de la capacité 23 (quelques n F), la résistance 24 (quelques dizaines de KY) et le dispositif de commutation 25 (du type BSS 92 par exemple) va décharger la capacité 22 dès que le transistor 7 devient non passant. Les broches 107 et 105 sont les contacts d'alimentation (non représentée sur la figure) du circuit 100. La présente invention s'applique à la régulation de la vitesse de moteurs universels utilisés en particulier dans tous les types de machines dont la nuisance sonore doit être réduite, comme par exemple dans les machines à laver, les aspirateurs ou les ventilateurs. G REVENDICATIONS 1 Dispositif de régulation d'un moteur universel, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif redresseur de tension ( 6) à un pôle duquel est connecté un dispositif de commutation ( 7) dont l'état passant et non passant est commandé à une fréquence inaudible par un circuit modulateur de largeur d'impulsion ( 9) permettant de délivrer aux bornes du moteur universel ( 1) une onde à une fréquence supérieure à 10 K Hz inaudible à l'oreille humaine. 2 Dispositif de régulation d'un moteur universel selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une diode ( 10) est branchée aux bornes du moteur universel ( 1). 3 Dispositif de régulation d'un moteur universel selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'une capacité de découplage de quelques centaines de nano Farad est branchée en parallèle au pôle du dispositif redresseur de tension ( 6). 4 Dispositif de régulation d'un moteur universel selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'une capacité de filtrage est branchée en parallèle au pôle du dispositif redresseur ( 6). Dispositif de régulation d'un moteur universel selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le modulateur de largeur d'impulsion ( 9) est un microprocesseur, un circuit logique ou analogique fonctionnant en mode courant ou pas. 6 Dispositif de régulation d'un moteur universel selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif de commutation ( 7) est un transistor de puissance. 7 Dispositif de régulation d'un moteur universel selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le modulateur de largeur d'impulsion est constitué par un circuit intégré fonctionnant en mode courant commandant le dispositif de commutation à une fréquence inaudible, qui mesure le courant passant dans le dispositif de commutation ( 7), le compare à une valeur de consigne donnée par un signal de rapport cyclique variable et rend passant le r- dispositif de commutation ( 7), dès que cette valeur de consigne est atteinte.