Brevet FR2721154A1 — publié le 19951215

CIRCUIT D'ALIMENTATION D'UN MOTEUR PIEZO-ELECTRIQUE L'invention concerne un circuit d'alimentation d'un moteur piézo-électrique, par exemple, du type à onde progressive représenté schématiquement sur la figure 1 et comprenant un rotor 1, entraîné par frottement par un stator 2 excité par un élément piézo-électrique 3. Selon un mode de réalisation particulier connu, représenté à la figure 2, l'élément piézo-électrique 3 comporte deux secteurs piézo-électrique 5 et 6 disposés en série et alternativement polarisés. Ces deux secteurs 5 et 6 sont séparées par deux espaces ne recevant aucun secteur piézo-électrique actif : un premier espace 8 servant habituellement de capteur dans la boucle de contrôle de la vibration et un deuxième espace neutre 10. La face arrière de l'élément piézo-électrique non représentée est connectée à la masse 9. Le secteur 5 est excité par une première électrode 11 alimentée par une tension haute fréquence V1 et le secteur 6 est excité par une deuxième électrode 12 alimentée par une tension haute fréquence V2,, lesdites tensions V1' et V2' étant déphasées de sensiblement 900 et délivrées par deux sources d'alimentation alternatives créées indépendamment à partir d'une source de tension continue. Les tensions V1, et V2, appliquées à chacune des électrodes provoquent des vibrations de chacun des secteurs 5 et 6 créant deux ondes stationnaires dont la résultante conduit à une onde progressive permettant d'obtenir des mouvements elliptiques des points matériels de l'élément élastique du stator mis en contact avec le rotor ce qui engendre le mouvement de rotation du rotor par rapport au stator. Les sources d'alimentation alternatives sont donc créées par des dispositifs d'alimentation indépendants. De tels dispositifs d'alimentation utilisent soit deux circuits magnétiques indépendants comme cela est décrit dans les brevets US-5 130 619 et US-5 021 700, soit plusieurs interrupteurs indépendants comme cela est décrit dans le brevet US-5 179 311. Ces dispositifs d'alimentation possèdent donc un nombre important de composants ce qui augmente considérablement le prix de revient desdits dispositifs ainsi que leur encombrement. Le but de l'invention est de remédier aux inconvénients précités en mettant en oeuvre un nouveau circuit d'alimentation fiable et économique. Selon l'invention, le circuit d'alimentation d'un moteur piézo-électrique comporte une source unique d'alimentation alternative haute fréquence, ainsi qu'un moyen d'adaptation connecté, d'une part, à la source d'alimentation alternative et, d'autre part, aux deux électrodes excitant l'élément piézo-électrique et destiné à générer les deux tensions V1, et V2,. Grâce à l'invention, le circuit d'alimentation du moteur piézo-électrique n'est pas surdimensionné et la nouvelle structure du circuit d'alimentation simplifie considérablement l'alimentation des électrodes excitant l'élément piézo-électrique du moteur en minimisant les coûts et ce en limitant le nombre de composants utilisés. Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront d'ailleurs de la description qui va suivre, prise à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 représente une vue en coupe d'une représen tation schématique d'un moteur piézo-électrique selon l'art antérieur - la figure 2 représente l'agencement des électrodes excitant l'élément piézo-électrique du moteur de la fi gure 1 selon un mode de réalisation de type connu ; - la figure 3 représente un schéma électrique d'un pre mier mode de réalisation d'un circuit d'alimentation d'un moteur piézo-électrique selon l'invention - la figure 4 représente un diagramme fréquentiel associé au circuit d'alimentation selon l'invention - la figure 5 représente un schéma électrique d'un mode particulier du circuit d'alimentation selon l'invention ; - la figure 6 représente un transformateur bien adapté au circuit d'alimentation de la figure 3 selon l'invention - la figure 7 représente les formes d'ondes obtenues avec le circuit d'alimentation représenté à la figure 3 ; - la figure 8 représente un autre mode de réalisation d'un circuit d'alimentation semblable à celui de la figure 5 et équipé d'un dispositif de régulation de la vitesse de rotation du moteur piézo-électrique ; - la figure 9 représente un mode particulier de réalisa tion du circuit d'alimentation semblable à la figure 8 et équipé d'un autre dispositif de régulation de la vitesse de rotation du moteur piézo-électrique. Comme représenté à la figure 3, le circuit d'alimentation comporte une source unique d'alimentation alternative haute fréquence V ainsi qu'un moyen d'adaptation Q connecté, d'une part, à la source d'alimentation alternative V et, d'autre part, aux deux électrodes 11 et 12 excitant l'élément piézo-électrique 3 et destiné à générer les deux tensions V1, et V2,. Les deux phases d'un moteur piézo-électrique à onde progressive peuvent être considérées comme identiques du point de vue de leur modélisation électrique. Elles peuvent être représentées, en première approximation, par une impédance parallèle R-C pour une tension, une fréquence et un couple délivré fixés. Dans un tel cas, les différentes relations électriques sont définies par V = V1 = V2 I = I1 + I2 Vl, = Z1 I1 V2l = Z2 121 Le circuit d'alimentation selon l'invention permet de résoudre le problème donné par la relation électrique donnée par V2. = Aeje V1, (A = 1, e = t 90 ) La connaissance des impédances Z1 et Z2 des phases 1 et 2 du moteur piézo-électrique M est indispensable pour déterminer les éléments constituant le moyen d'adaptation Q pour une fréquence donnée. Le moyen d'adaptation Q peut par exemple comprendre deux quadripôles comportant des éléments passifs tels que pour l'un une self L1 et un condensateur C1 et pour l'autre une seule self L2. Comme on le comprendra, l'agencement, le nombre et le choix des éléments passifs constituant ledit moyen d'adaptation Q sont à définir par le concepteur de l'alimentation. Une solution relativement simple pour satisfaire les contraintes définissant le problème par la relation électrique précédente consiste à utiliser le moyen d'adaptation Q dans laquelle la relation électrique est V'2 = - je'1. Les valeurs des éléments passifs du moyen d'adaptation sont parfaitement définis par la connaissance des impédances des phases 1 et 2 du moteurs et de la pulsation nominale de fonctionnement W0. En fait, comme illustré à la figure 4, le principe de fonctionnement du circuit d'alimentation revient à décaler, à l'aide du moyen d'adaptation Q, c'est-à-dire à l'aide des deux quadripôles les fréquences de résonance électrique au niveau des phases 1 et 2 du moteur. Ce décalage s'effectuant de part et d'autre de la bande de fréquence utilisée située au voisinage de la pulsation nominale W0, un dimensionnement adéquat des éléments passifs permet, à partir de la source de tension alternative V commune, de générer les deux tensions V1, et V2, en quadrature de phase et ayant la même amplitude. Selon un mode de réalisation préféré illustré à la figure 5, la source de tension alternative V est réalisé suivant une structure de type FORWARD et comprend un transformateur 13 dont l'étage primaire est, d'une part, connecté à une source de tension continue VE et, d'autre part, associé à un interrupteur électronique 14 et l'étage secondaire est connecté à un moyen d'adaptation Q. L'interrupteur 14 est par exemple un transistor de puissance de type connu. Les deux phases du moteur piézoélectrique à onde progressive ont été considérées comme identiques du point de vue de leur modélisation électrique et représentées par une impédance R-C parallèle pour une tension, une fréquence et un couple délivré fixés. L'étage primaire du transformateur 13 comprend un premier enroulement 15 dont la borne pointée est connectée à la source de tension continue +VE et la borne non pointée est connectée à un plot 14' de l'interrupteur 14 dont l'autre plot 14" est connecté à la masse 16, ainsi qu'un deuxième enroulement 17 dont la borne non pointée est connectée à la source de tension continue +VE et la borne pointée est connectée à la cathode d'une diode de démagnétisation 18 dont l'anode est connectée à la masse 16. L'étage secondaire du transformateur 13 comprend un premier enroulement 19 dont la borne pointée est connectée à l'extrémité d'une première inductance L1 dont l'autre extrémité est connectée, d'une part, à une extrémité d'un condensateur C1 dont l'autre extrémité est connectée à une masse 20 et, d'autre part, à l'électrode 11 excitant l'élément piézoélectrique 3, ainsi qu'un deuxième enroulement 21 dont la borne non pointée est connectée à la borne non pointée du premier enroulement 19, correspondant au point milieu I de l'étage secondaire et la borne pointée est connectée à l'extrémité d'une deuxième inductance L2 dont l'autre extrémité est connectée à l'autre électrode 12 excitant l'élément piézoélectrique 3. Le moyen d'adaptation Q comprend, d'une part, la première inductance L1 et le condensateur C1 constituant, avec l'élément piézo-électrique 3, un premier circuit résonnant et, d'autre part, la deuxième inductance L2 constituant, avec l'élément piézo-électrique 3 un deuxième circuit résonnant. Le circuit d'alimentation fonctionne de la manière suivante - lorsque l'interrupteur 14 est passant, la diode 18 est bloquée et les tensions aux bornes des différents enroulements sont V1 = V2 = E V3 = V4 = kE (k : rapport de transformation). Lorsque l'interrupteur 14 est bloqué, la diode 18 est passante et les tensions deviennent V1 = V2 = - E V3 = V4 = - kE Ainsi pour assurer une valeur moyenne nulle de la tension aux bornes des différents enroulements du transformateur 13, l'interrupteur 14 doit fonctionner avec un rapport cyclique inférieur ou égal à 1/2, la valeur 1/2 permettant d'obtenir des formes d'ondes optimales au niveau des phases du moteur. Selon une caractéristique intéressante de l'invention, les deux inductances L1 et L2 du moyen d'adaptation Q peuvent être constituées par les propres inductances de fuite du transformateur 13. Cette configuration nécessite un dimensionnement par calcul des champs du transformateur visant à maîtriser les fuites issues de l'étage secondaire du transformateur 13. Ainsi cette nouvelle structure simplifie le circuit d'alimentation représenté à la figure 5. Un tel transformateur est représenté à la figure 6 et comporte un circuit magnétique se composant de deux demi-circuits 22 et 23 en ferrite en forme de E et comprenant chacun une jambe centrale 24 ou 25 et deux jambes extérieures 26-27 ou 2829 ; les enroulements de l'étage primaire sont enroulés autour des jambes centrales 24 et 25 et les enroulements des étages secondaires sont enroulés autour des jambes extérieures 26-27 et 28-29. L'assemblage de différents éléments constituant le transformateur est réalisé, par exemple, par collage. Grâce à ce type d'alimentation représentée à la figure 5 et au transformateur de la figure 6, on obtient les formes d'ondes représentées à la figure 7. Le circuit d'alimentation illustré à la figure 5 permet d'obtenir une vitesse pratiquement stable pour un moteur piézo-électrique M selon l'invention. Cependant, de manière à pouvoir garantir cette vitesse stable tout en permettant un réglage selon différentes vitesses de rotation, l'invention prévoit d'adjoindre à l'alimentation plus particulièrement décrite à la figure 5 un dispositif de régulation de cette vitesse. Pour agir sur ladite vitesse de rotation du rotor, trois modes de réglage peuvent être envisagés en agissant sur - l'amplitude des tensions d'alimentation - l'écart entre la fréquence d'alimentation et la fréquence de résonance - le déphasage relatif des deux voies d'alimentation. Dans notre circuit d'alimentation, la fréquence et le déphasage relatif sont fixés : les éléments L et C sont calculés pour qu'à une fréquence donnée fO, le déphasage relatif soit égal à 90". Par conséquent, le seul mode de réglage utilisable est la variation des tensions d'alimentation. Pour cela, le circuit d'alimentation représenté à la figure 8 comporte un premier moyen de contrôle 30, dit première boucle de régulation, délivrant un signal de commande à l'interrupteur 14 de manière à équilibrer les amplitudes des tensions déphasées V1' et V2' et un deuxième moyen de contrôle 34, dit seconde boucle de régulation, assurant la régulation de la vitesse de rotation du moteur piézo-électrique M. Ledit premier moyen de contrôle 30 comprend en série des premiers moyens de comparaisons 31 à deux entrées dont l'une est connectée à l'électrode 11 du moteur piézo-électrique M excitant l'élément piézo-électrique par la tension V1' et l'autre est connectée à l'autre électrode 12 du moteur piézo-électrique M excitant l'élément piézo-électrique par la tension V2', des premiers moyens de filtrage 32 d'un signal représentatif de la différence entre les deux tensions V1, et V2, et un convertisseur tension/fréquence 33 générant un signal de commande à l'entrée de l'interrupteur 14. Selon un complément de mode de réalisation du circuit d'alimentation représenté à la figure 8 et illustré en traits mixtes sur cette même figure 8, le premier moyen de contrôle 30 comporte, en outre, un moyen de calcul 39 du couple moteur délivré dont l'entrée 39' est connectée entre les premiers moyens de filtrage et le convertisseur tension/fréquence 33. Un tel premier moyen de contrôle 30 permet ainsi d'équilibrer les amplitudes des tensions déphasées en ajustant la fréquence de fonctionnement du système. Après la comparaison des amplitudes des tensions des deux phases du moteur, le signal d'erreur obtenu, après régulation et amplification, est appliqué à l'entrée du convertisseur tension/fréquence (VCO) qui génère le signal de commande de l'interrupteur T. Le système se stabilise ainsi à une fréquence telle que les amplitudes des tensions d'alimentation sont identiques. Cette fréquence correspond, à vide, à la fréquence fO choisie lors du dimensionnement des éléments L et C. Lors de l'application d'un couple de charge qui modifie légèrement les valeurs des paramètres R et C du circuit électrique équivalent aux phases du moteur, on constate un léger décalage vers la gauche des courbes de résonnance de la figure 4. Si la fréquence d'alimentation est maintenue à la valeur fO du fonctionnement à vide, ce léger décalage entraîne, compte tenu de l'acuité des résonnances mises en jeu, un déséquilibre sensible des tensions appliquées : in'11 diminue tandis que 1v'2 augmente. La compensation de ce phénomène par le biais du premier moyen de contrôle 30 constitue ainsi un moyen particulièrement simple d'estimation du couple délivré dont une image est disponible à l'entrée du convertisseur tension/fréquence 33 moyennant la suppression de la composante continue correspondant à la fréquence fO du fonctionnement à vide. Le couple délivré est donc ainsi donné par le moyen de calcul 39. Le deuxième moyen de contrôle 34 délivre un signal de régulation à la source de tension continue VE de manière à contrôler ladite source de tension continue VE. Ledit deuxième moyen de contrôle 34 comprend en série des seconds moyens de comparaison 35 à deux entrées dont l'une est connectée à l'entrée d'un dispositif de sélection d'une vitesse de consigne 36 correspondant à une vitesse désirée de fonctionnement du moteur et l'autre est connectée à une électrode 37 d'un capteur statorique 37' délivrant une image de la vitesse de rotation du moteur, ainsi que des seconds moyens 38 de filtrage d'un signal représentatif de la différence entre l'image de la vitesse de rotation du moteur M et la vitesse de consigne et de génération de la tension VE de la source continue. Un tel deuxième moyen de contrôle 34 assure la régulation de la vitesse du moteur M. La comparaison de l'amplitude de la tension délivrée par l'électrode du capteur statorique, image de la vitesse de rotation, avec un niveau de consigne correspondant à la vitesse désirée, fournit un signal d'erreur qui, après régulation et amplification, est appliqué à l'entrée des seconds moyens de régulation 38 de la tension à niveau variable. Lesdits moyens 38 contrôlent la tension d'entrée continue du montage Ve donc agissent sur la vitesse du moteur. Si le capteur statorique n'existe pas, une solution pour régler la vitesse peut consister à jouer simplement sur l'amplitude des tensions d'alimentation en agissant sur la tension Ve. Selon un nouveau mode de réalisation du circuit d'alimentation plus avantageux que celui représenté à la figure 8 et illustré sur la figure 9, où les mêmes références désignent les mêmes éléments que ceux décrits sur la figure 8, le deuxième moyen de contrôle 34 comprend en série les seconds moyens de comparaison 35, des troisièmes moyens de filtrage 41 d'un signal représentatif de la différence entre l'image de la vitesse de rotation M et la vitesse de consigne ainsi qu'un modulateur de largeur d'impulsion à deux entrées 40 dont l'une 43 est connectée à la sortie des troisièmes moyens de filtrage 41 et l'autre 42 est connectée à la sortie du convertisseur tension/fréquence 33 du premier moyen de contrôle 30 et générant, à sa sortie 44, un signal de commande de largeur d'impulsion variable à l'entrée de 1' interrupteur 14. Dans cette dernière réalisation, pour effectuer un réglage de la tension appliquée sur les phases de la machine, on joue sur le rapport cyclique du signal de commande de l'interrupteur 14. Cette solution conduit certes à une dégradation des formes d'ondes d'alimentation lorsque le rapport cyclique s'écarte de sa valeur maximale égale à 1/2. Néanmoins, cette variante conduit à une simplification des circuits électroniques du deuxième moyen de contrôle 34 améliorant ainsi la faisabilité et le prix de revient dudit moyen 34. REVENDICATIONS 1. Circuit d'alimentation d'un moteur piézoélectrique (M) comprenant un rotor (1) entraîné par frottement avec un stator excité par un élément piézoélectrique (3) relié à deux électrodes (11 et 12) alimentées respectivement par deux tensions (V1,) et (V2,) alternatives haute fréquence de même amplitude et déphasée d'environ 90 , caractérisé en ce qu'il comporte une source unique d'alimentation alternative haute fréquence (V), ainsi qu'un moyen d'adaptation (Q) connecté, d'une part, à la source d'alimentation alternative (V) et, d'autre part, aux deux électrodes (11 et 12) excitant l'élément piézoélectrique (3) et destiné à générer les deux tensions (V1,) et (V2,). 2. Circuit d'alimentation selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen d'adaptation (Q) comporte deux quadripôles reliés respectivement aux électrodes (11 et 12) et comprenant des éléments passifs tels que des inductances et capacités. 3. Circuit d'alimentation selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la source d'alimentation alternative haute fréquence (V) comprend un transformateur (13) dont l'étage primaire est, d'une part, connecté à une source de tension continue (VE) et, d'autre part, associé à un interrupteur électronique (14), et dont l'étage secondaire est connecté audit moyen d'adaptation (Q). 4. Circuit d'alimentation selon la revendication 3, caractérisé en ce que la source unique d'alimentation alternative est du type FORWARD. 5. Circuit d'alimentation selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'étage primaire du transformateur (13) comprend un premier enroulement (15) dont la borne pointée est connectée à une source de tension continue (+VE) et la borne non pointée est connectée à un plot (14') de l'interrupteur (14) dont l'autre plot est connecté à une masse (16), ainsi qu'un deuxième enroulement (17) dont la borne non pointée est connectée à la source de tension continue (+VE) et la borne pointée est connectée à la cathode d'une diode (18) dont l'anode est connectée à la masse (16), et en ce que l'étage secondaire du transformateur (13) comprend un premier enroulement (19) dont la borne pointée est connectée à l'extrémité d'une première inductance (L1) dont l'autre extrémité est connectée, d'une part, à une extrémité d'un condensateur (C1) dont l'autre extrémité est connectée à une masse (20), et, d'autre part, à l'électrode (11) excitant l'élément piézoélectrique (3), ainsi qu'un deuxième enroulement (21) dont la borne non pointée est connectée à la borne non pointée du premier enroulement (19) de l'étage secondaire, et la borne pointée est connectée à l'extrémité d'une deuxième inductance (L2) dont l'autre extrémité est connectée à l'autre électrode (12) dé l'élément piézoélectrique (3). 6. Circuit d'alimentation selon la revendication 5, caractérisé en ce que le moyen d'adaptation (Q) comprend, d'une part, la première inductance (L1) et le condensateur constituant avec l'élément piézoélectrique (3) un premier circuit résonnant et, d'autre part, la deuxième inductance (L2) constituant, avec l'élément piézoélectrique (3) un deuxième circuit résonnant. 7. Circuit d'alimentation selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que la première inductance (L1) et la deuxième inductance (L2) sont constituées par les induc tances de fuite du transformateur (13). 8. Circuit d'alimentation selon la revendication 7, caractérisé en ce que le transformateur (13) comportant un circuit magnétique se composant de deux demi-circuits en ferrite en forme de (E) et comprenant chacun une jambe centrale (24 ou 25) et deux jambes extérieures (26-27 ou 28-29), les enroulements de l'étage primaire sont enroulés autour des jambes centrales (24 et 25) et les enroulements de l'étage secondaire sont enroulés autour des jambes extérieures (26-27 et 28-29). 9. Circuit d'alimentation selon l'une quelconque des revendications 3 à 8, caractérisé en ce qu'il comporte un premier moyen de contrôle (30) délivrant un signal de commande de l'interrupteur (14) de manière à équilibrer les amplitudes des tensions (V1, et V2,). 10. Circuit d'alimentation selon la revendication 9, caractérisé en ce que le premier moyen de contrôle (30) comprend en série des premiers moyens de comparaisons (31) à deux entrées dont l'une est connectée à une électrode (11) du moteur piézoélectrique (M) excitant l'élément piézoélectrique (3) par la tension (V1') et l'autre est connectée à l'autre électrode (12) du moteur piézoélectrique (M) excitant l'élément piézoélectrique (3) par la tension (V2,), des premiers moyens de filtrage (32) d'un signal représentatif de la différence entre les deux tensions (V1, et V2,) et un convertisseur tension/fréquence (33) générant un signal de commande à l'entrée de l'interrupteur (14). 11. Circuit d'alimentation selon la revendication 10, caractérisé en ce que le premier moyen de contrôle (30) comporte en outre un moyen de calcul (39) du couple moteur délivré dont l'entrée (39') est connectée entre les premiers moyens de filtrage (32) et le convertisseur tension/fréquence (33). 12. Circuit d'alimentation selon les revendications 9 à 12, caractérisé en ce qu'il comporte un deuxième moyen de contrôle (34) destiné à contrôler la vitesse de rotation du moteur (M). 13. Circuit d'alimentation selon la revendication 12, caractérisé en ce que le deuxième moyen de contrôle (34) comprend en série des seconds moyens de comparaison (35) à deux entrées dont l'une est connectée à l'entrée d'un dispositif de sélection d'une vitesse de consigne (36) correspondant à une vitesse désirée de fonctionnement du moteur et l'autre est connectée à une électrode (37) d'un capteur statorique (37') délivrant une image de la vitesse de rotation du moteur (M), ainsi que des seconds moyens (38) de filtrage d'un signal représentatif de la différence entre l'image de la vitesse de rotation du moteur (M) et la vitesse de consigne et de génération de la tension (VE) de la source continue. 14. Circuit d'alimentation selon la revendication 13, caractérisé en ce que le deuxième moyen de contrôle (34) comprend en série des seconds moyens de comparaison (35), des troisièmes moyens de filtrage (41) d'un signal représentatif de la différence entre l'image de la vitesse de rotation du moteur (M) et la vitesse de consigne ainsi qu'un modulateur de largeur d'impulsion à deux entrées (40) dont l'une (43) est connectée à la sortie des troisièmes moyens de filtrage (41) et l'autre (42) est connectée à la sortie du convertisseur tension/fréquence (33) du premier moyen de contrôle (30) et générant, à sa sortie (44), un signal de commande de largeur d'impulsion variable à l'entrée de l'interrupteur (14).