Brevet FR2736775A1 — publié le 19970117

La présente invention concerne un dispositif pour la commande d'un moteur pas à pas, notamment pour la réduction du bruit dans les mécanismes pour véhicule automobile. Elle trouve avantageusement application pour des moteurs pas à pas utilisés pour la commande de mécanismes dans des véhicules automobiles, tels que des mécanismes de réglage de la position des volets de chauffage/ventilation et/ou climatisation. On a représenté schématiquement sur la figure 1 et sur la figure 2 un moteur pas à pas unipolaire à quatre phases, ainsi qu'un circuit pour la commande en tension de ce moteur. Ce moteur comporte un rotor 1 et deux bobines 2 et 3. Le rotor 1 est constitué par un aimant cylindrique permanent présentant par exemple 24 pôles. Les deux bobines 2 et 3 sont chacune alimentées en tension en un point milieu M relié à une source de tension continue Vc qui est par exemple la batterie du véhicule délivrant audit point milieu M une tension de +12 Volts. Les extrémités desdites bobines, référencées par M1 et M2 pour la bobine 2 et par M3 et M4 pour la bobine 3, sont chacune reliées à la masse par un interrupteur, référencé respectivement de I1 à I4. Ces différents interrupteurs I1 à I4 sont commandés par une électronique de contrôle 4. Un cycle de commande approprié de ces interrupteurs I1 à I4 permet la rotation du moteur. Ce cycle de commande, selon l'art antérieur, est représenté aux figures 3a à 3e, qui doivent être considérées en regard des figure 4a à 4e. A la figure 3 on a représenté un cycle de commande des interrupteurs I1 à I4 de la figure 2, pour la commande du moteur pas à pas représenté schématiquement à la figure 1. Sur la figure 3a, on a représenté en fonction du temps, une séquence d'impulsions de l'horloge de l'électronique de contrôle 4. La durée de la période T entre deux impulsions successives est de 10 millisecondes. Sur les figures 3b à 3e, on a représenté en fonction du temps les tensions V1 à V4 imposées aux points M1 à M4 par la séquence d'ouverture ou de fermeture des interrupteurs I1 à I4. Les séquences de tension représentées sur ces figures 3b à 3e sont synchronisées sur la séquence d'impulsions représentée sur la figure 3a. Comme on peut le voir sur ces figures la tension V3 est le complément de la tension V1, la tension V4 étant le complément de la tension V2. La tension V2 est en retard de 90" par rapport à la tension V1. De même la tension V4 est en retard de 900 par rapport à la tension V3. Ainsi chaque interrupteur I1 à I4 est fermé pendant deux phases successives, la branche MM1 à MM4 correspondante étant alors traversée par un courant qui engendre un flux magnétique. Il est ensuite ouvert pendant les deux phases suivantes, la branche MM1 à MM4 n'étant alors traversée par aucun courant. Cette disposition, selon laquelle la séquence de commande des interrupteurs est telle qu'il y a toujours deux branches successives qui sont parcourues par un courant, est souvent adoptée dans les dispositifs de l'état de la technique. Ceci provient du fait qu'il a été constaté que la démagnétisation d'une branche donnée génère beaucoup moins de vibrations dans le rotor lorsqu'une autre branche du stator est simultanément parcourue par un courant établi qui, en quelque sorte, stabilise le rotor pendant ladite démagnétisation. Sur la figure 4a on a représenté les branches MM1 à MM4 régulièrement réparties sur un angle correspondant à une rotation complète du moteur (3600). Ainsi, les branches MM1 à MM4 définissent quatre quadrants de 900 chacun. L'alimentation des branches MM1 à MM4 selon la séquence de commande qui va être décrite ci-dessous entraîne la création d'un champ électromagnétique tournant représenté par un vecteur V. Par convention, on considérera que, sur les figures 4a à 4e, la référence des mesures angulaires est porté par la branche MM2 coïncidant avec le zéro trigonométrique. De plus, le sens positif de rotation adopté sur ces figures est le sens trigonométrique. La séquence de commande illustrée sur les figures 3a à 3e est la suivante - pendant la phase I (pas 1 à pas 2), ce sont les branches MM2 et MM3 qui sont parcourues par un courant et qui engendrent des flux magnétiques, les tensions aux bornes des branches MM1 et MM4 étant nulles ; la somme des champs électromagnétiques crées dans les branches MM2 et MM3 produit un champ résultant dont le vecteur V est positionné sur la bissectrice de l'angle formé par lesdites branches , c'est à dire à 450 par rapport à l'origine (figure 4b); - pendant la phase II (pas 2 à pas 3), ce sont les branches MM3 et MM4 de la bobine 3 qui sont parcourues par un courant et qui engendrent des flux magnétiques, les tensions aux bornes des branches MM1 et MM2 de la bobine 1 étant nulles ; le vecteur V est alors positionné à 1350 par rapport à l'origine (figure 4c) - pendant la phase III (pas 3 à pas 4), ce sont les branches MM1 et MM4 qui sont parcourues par un courant et qui engendrent des flux magnétiques, les tensions aux bornes des branches MM2 et MM3 de la bobine 1 étant nulles ; le vecteur V est alors positionné à 2250 par rapport à l'origine (figure 4d) - pendant la dernière phase IV (pas 4 vers nouvelle séquence), les branches MM1 et MM2 de la bobine sont toutes deux parcourues par un courant et engendrent des flux magnétiques, les tensions aux bornes des branches MM3 et MM4 de la bobine 2 étant nulles ; le vecteur V est alors positionné à 3150 par rapport à l'origine (figure 4e). Avec une commande de ce type, le rotor du moteur pas à pas se déplace par pas angulaires successifs pour suivre la rotation du champ électromagnétique tournant créé par les branches MM1 à MM4. Le mouvement dont est animé le rotor est donc un mouvement non uniforme. Par suite, il se produit des vibrations mécaniques du moteur, qui se répercutent au niveau du mécanisme d'entraînement, tel qu'un réducteur, et au niveau du système asservi. Ces vibrations engendrent un bruit acoustique qui est particulièrement gênant dans les applications automobiles tels que dans les mécanismes de réglage de la position des volets de chauffage/ventilation et/ou climatisation pour habitacle de véhicule. Une solution pour linéariser le mouvement du rotor serait d'augmenter le nombre de phases du stator. Une telle solution n'est cependant pas envisageable car elle engendre un encombrement du moteur plus important et requiert une électronique de commande plus complexe, notamment parce que cette électronique doit comporter autant de sorties de commande qu'il y a de phases à commander. Afin de porter remède à cet inconvénient de l'état de la technique, la présente invention concerne un dispositif pour la commande d'un moteur pas à pas comportant un rotor magnétique et un stator qui présente une pluralité de bobines destinées à entraîner ledit rotor, ledit dispositif de commande comprenant une source d'alimentation à laquelle sont reliées lesdites bobines ainsi qu'une unité de contrôle comprenant des moyens pour commander l'alimentation des bobines selon une séquence répétitive qui correspond à plusieurs phases de commande successives, de telle manière que, pour chaque phase de commande (phase nominale) au moins deux bobines successives soient alimentées simultanément. L'invention se caractérise en ce que l'unité de contrôle comprend également des moyens pour diviser chaque phase nominale en au moins deux sous-phases de commande successives, et des moyens pour commander l'alimentation d'une troisième bobine, placée immédiatement après les deux dites bobines successives dans l'ordre d'alimentation des bobines, de telle manière que cette troisième bobine soit non alimentée pendant la première sous-phase et soit alimentée pendant la deuxième sous-phase. Par le terme être alimenté , il faut comprendre que la bobine est parcourue par un courant, la tension à ses bornes étant non nulle, de sorte qu'un flux magnétique est engendré. De plus, par le terme bobine , il faut comprendre qu'il peut aussi s'agir de demi-bobines lorsque des enroulements à point milieu sont bobinés sur la stator, le point milieu étant par exemple relié à la source d'alimentation. Dans la suite de la description, on utilisera aussi le terme générique branche pour désigner tout enroulement ou partie d'enroulement correspondant à une phase du stator. Selon une caractéristique de l'invention, la source d'alimentation est une source de tension continue et l'unité de contrôle commande la tension aux bornes des bobines par la fermeture des interrupteurs. Selon une autre caractéristique de l'invention, la source d'alimentation est une source de courant continu et l'unité de contrôle commande le courant circulant dans les bobines par la fermeture des interrupteurs. Selon une caractéristique de l'invention, les deux sous-phases sont de même durée, égale à la moitié de la durée d'une phase nominale. Selon une caractéristique de l'invention, l'unité de contrôle comprend une horloge et un microcontrôleur qui est piloté par un programme destiné à la mise en oeuvre de la séquence de commande de l'alimentation des bobines. L'invention concerne aussi un dispositif pour la commande d'un moteur pas à pas de type unipolaire qui se caractérise en ce qu'il est constitué par un dispositif tel que décrit ci-dessus. Plus particulièrement, elle concerne un dispositif pour la commande d'un moteur pas à pas de type unipolaire à quatre phases comportant deux bobines dont les extrémités sont reliées à la masse par l'intermédiaire chacune d'un interrupteur commandé par l'unité de contrôle, chacune de ces bobines comportant un point milieu relié à la source d'alimentation, qui se caractérise en ce qu'il comporte un dispositif de commande tel que ci-dessus. L'invention concerne aussi un dispositif pour la commande d'un moteur pas à pas de type bipolaire qui se caractérise en ce qu'il est constitué par un dispositif tel que décrit ci-dessus. De plus, elle concerne un moteur pas à pas, notamment pour la commande d'un mécanisme de véhicule, comportant un rotor magnétique et un stator qui présente une pluralité de bobines destinées à entraîner ledit rotor, qui se caractérise en ce qu'il comporte un dispositif de commande tel que ci-dessus pour la commande de ses bobines. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, en référence aux dessins annexés qui sont - à la figure 1 et à la figure 2 déjà analysées, des représentations schématiques d'un moteur pas à pas - à la figure 3 également déjà analysée, des diagrammes temporels illustrant une séquence répétitive de la commande en tension des phases du moteur selon l'art antérieur - à la figure 4 également déjà analysée, des schémas montrant la position du champ électromagnétique tournant créé par les bobines du stator selon l'art antérieur - à la figure 5, des diagrammes temporels illustrant une séquence répétitive de la commande en tension des phases du moteur selon l'invention - à la figure 6, des schémas montrant la position du champ électromagnétique tournant créé par les bobines du stator selon l'invention Un mode de réalisation de la présente invention est décrit ci-après dans son application à un moteur pas à pas commandé en tension et comportant quatre phases, tel que le moteur représenté aux figures 1 et 2. Sur la figure 5a, on a représenté en fonction du temps, une séquence d'impulsions d'une horloge de l'électronique de contrôle 4 du dispositif selon l'invention. La durée de la période T entre deux impulsions successives est de 5 millisecondes. La fréquence de l'horloge utilisée dans un dispositif selon l'invention est donc deux fois plus grande que la fréquence de l'horloge utilisée dans un dispositif selon l'art antérieur. Sur les figures 5b à 5e, on a représenté en fonction du temps les tensions V1 à V4 imposées aux points M1 à M4 par la séquence d'ouverture ou de fermeture des interrupteurs I1 à 14. Les séquences de tension représentées sur ces figures 5b à 5e sont synchronisées sur la séquence d'impulsions représentée sur la figure 5a. La séquence de commande illustrée sur les figures 5a à 5e, qui doivent être considérées en regard des figure 4b à 4e et 6a à 6b (sur lesquelles les mêmes conventions qu'aux figures 4a à 4e sont adoptées), est la suivante - pendant la sous-phase I (pas 1 à pas 2, première sous-phase), les branches MM2 et MM3 sont parcourues par un courant et qui engendrent des flux magnétiques, les tensions aux bornes des branches MM1 et MM4 étant nulles ; la somme des champs électromagnétiques crées dans les branches MM2 et MM3 produit un champ résultant dont le vecteur V est positionné sur la bissectrice de l'angle formé par lesdites branches c'est à dire à 450 par rapport à l'origine (figure 4b); - pendant la sous-phase II (pas 1 à pas 2, seconde sous-phase), ce sont les branches MM2, MM3 et MM4 qui sont parcourues par un courant qui engendrent des flux magnétiques, les tensions aux bornes de la branche MM4 étant nulle ; la somme des champs électromagnétiques crées dans les branches MM2, MM3 et MM4 produit un champ résultant dont le vecteur V est positionné sur la branche MM3, c'est à dire à 900 par rapport à l'origine (figure 6a); - pendant la sous-phase III (pas 2 à pas 3, première sous-phase), ce sont les branches MM3 et MM4 qui sont parcourues par un courant et qui engendrent des flux magnétiques, les tensions aux bornes de la branche MM1 et MM2 de la bobine 1 étant nulles ; le vecteur V est alors positionné à 1350 par rapport à l'origine (figure 4c) - pendant la sous-phase IV (pas 2 à pas 3, seconde sous-phase), ce sont les branches MM1, MM3 et MM4 qui sont parcourues par un courant et qui engendrent des flux magnétiques, les tensions aux bornes de la branche MM2 de la bobine 1 étant nulle ; le vecteur V est alors positionné sur la branche MM4, c'est à dire à 1800 par rapport à l'origine (figure 6b) - pendant la phase V (pas 3 à pas 4, première sous-phase), ce sont les branches MM1 et MM4 qui sont parcourues par un courant et qui engendrent des flux magnétiques, les tensions aux bornes des branches MM2 et MM3 étant nulles ; le vecteur V est alors positionné sur la bissectrice de l'angle formé par les branches MM1 et MM4 c'est à dire à 2250 par rapport à l'origine (figure 4d) - pendant la phase VI (pas 3 à pas 4, seconde sous-phase), ce sont les branches MM1 MM2 et MM4 qui sont parcourues par un courant et qui engendrent des flux magnétiques, les tensions aux bornes de la branche MM3 étant nulle ; le vecteur V est alors positionné sur la branche MM1 à dire à 2700 par rapport à l'origine (figure 6c) - pendant la sous-phase VII (pas 4 vers nouvelle séquence, première sous-phase), les branches MM1 et MM2 sont toutes deux parcourues par un courant et engendrent des flux magnétiques, les tensions aux bornes des branches MM3 et MM4 étant nulles ; le vecteur V est alors positionné sur la bissectrice de l'angle formé par les branches MM1 et MM2 c'est à dire à 3150 par rapport à l'origine (figure 4e). - pendant la dernière sous-phase VIII (pas 4 vers nouvelle séquence, seconde sous-phase), les branches MM1, MM2 et MM3 sont parcourues par un courant et engendrent des flux magnétiques, la tension aux bornes de la branche MM4 étant nulle ; le vecteur V est alors positionné sur la branche MM2 c'est à dire à 3600 par rapport à l'origine c' est à dire aussi que le vecteur V est positionné sur l'origine (figure 6d). Comme on peut le voir sur les figures 5b à 5e, la tension V3 n'est plus le complément de la tension V1, et la tension V4 n'est plus le complément de la tension V2. De même, la tension V2 n'est plus en retard de 900 par rapport à la tension V1, la tension V3 n'étant plus en retard de 90" par rapport à la tension V2, et la tension V4 n'étant elle-même plus en retard de 900 par rapport à la tension V3. Ainsi qu'on l'a compris, la séquence de commande selon l'invention permet au rotor du moteur pas à pas d'occuper huit positions angulaires différentes alors que le stator ne possède que quatre phases. On divise ainsi par deux l'angle de rotation élémentaire que le rotor parcourt à chaque impulsion d'horloge, ce qui diminue de façon significative les vibrations dans le moteur et le bruit généré dans le mécanisme asservi. Il faut bien considérer que cette séquence ne vise pas à augmenter la finesse du positionnement du rotor en augmentant le nombre de pas sur lesquels le rotor peut s'immobiliser. En effet, le nombre de pas sur lesquels le rotor peut s'arrêter est toujours de quatre, la séquence de commande selon l'invention permettant d'insérer une position intermédiaire, ou position de transition du rotor entre deux de ces pas. L'unité de contrôle 4 et les interrupteurs I1 à I4 sont constitués par un microcontrôleur qui est piloté par un programme destiné à la mise en oeuvre de la séquence de commande des bobines. Ce programme ne présente de points d'arrêt possibles que sur les quatre pas correspondant aux figures 4b à 4e et non sur les positions intermédiaires correspondant aux figures 6a à 6d. Les moyens de l'unité de contrôle 4 qui permettent la mise en oeuvre de l'invention comprennent donc une horloge qui produit le signal d'horloge représenté à la figure 5a, un microcontrôleur et un programme pour piloter ce microcontrôleur, ce programme effectuant la mise en oeuvre de la séquence de commande de l'alimentation des bobines. Les interrupteurs I1 à I4 représentés à la figure 2 sont constitués par les sorties de commande du microcontrôleur. Avec le signal d'horloge représenté à la figure 5a et la séquence de commande représentée aux figures 5b à 5e, il y a deux sous-phases par phase de commande nominale et chaque sous-phase a une durée égale à la moitié de la durée d'une phase nominale. D'autres configurations sont bien sûr envisageables. Par ailleurs, un mode de réalisation de la présente invention a été décrit ci-dessus dans son application à un moteur pas à pas commandé en tension et comportant quatre phases. Il est bien évident que l'invention est également applicable à un moteur pas à pas commandé en courant et/ou comportant un nombre de phases différent. Enfin, l'invention a été décrite dans son application à la commande d'un moteur pas à pas unipolaire, mais elle peut aussi bien s'appliquer à la commande d'un moteur pas à pas bipolaire. REVENDICATIONS 1. Dispositif pour la commande d'un moteur pas à pas comportant un rotor magnétique et un stator qui présente une pluralité de bobines destinées à entraîner ledit rotor, ledit dispositif de commande comportant une source d'alimentation à laquelle sont reliées lesdites bobines ainsi qu'une unité de contrôle comprenant des moyens pour commander l'alimentation des bobines selon une séquence répétitive qui correspond à plusieurs phases de commande successives, de telle manière que, pour chaque phase de commande (phase nominale) au moins deux bobines successives (MM2,MM3) soient alimentées simultanément, caractérisé en ce que l'unité de contrôle (4) comprend également des moyens pour diviser chaque phase nominale en au moins deux sous-phases de commande successives, et des moyens pour commander l'alimentation d'une troisième bobine (MM4), placée immédiatement après les deux dites bobines successives (MM2,MM3) dans l'ordre d'alimentation des bobines, de telle manière que cette troisième bobine soit non alimentée pendant la première sous-phase (I) et soit alimentée pendant la deuxième sous-phase (II). 2. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que la source d'alimentation est une source de tension continue et l'unité de contrôle (4) commande la tension aux bornes des bobines (MM1-MM4) par la fermeture des interrupteurs (I1-I4). 3. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que la source d'alimentation est une source de courant continu et l'unité de contrôle commande (4) le courant circulant dans les bobines (MM1-MM4) par la fermeture des interrupteurs (I1-I4). 4. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que les deux sous-phases sont de même durée, égale à la moitié de la durée d'une phase nominale. 5. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'unité de contrôle (4) comprend une horloge et un microcontrôleur qui est piloté par un programme destiné à la mise en oeuvre de la séquence de commande de l'alimentation des bobines. 6. Dispositif pour la commande d'un moteur pas à pas de type unipolaire qui se caractérise en ce qu'il est constitué par un dispositif selon l'une des revendications 1 à 5. 7. Dispositif pour la commande d'un moteur pas à pas de type unipolaire à quatre phases comportant deux bobines dont les extrémités sont reliées à la masse par l'intermédiaire chacune d'un interrupteur commandé par l'unité de contrôle, chacune de ces bobines comportant un point milieu relié à la source d'alimentation, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif de commande selon la revendication 6. 8. Dispositif pour la commande d'un moteur pas à pas de type bipolaire qui se caractérise en ce qu'il est constitué par un dispositif selon l'une des revendications 1 à 5. 9. Moteur pas à pas, notamment pour la commande d'un mécanisme de véhicule, comportant un rotor magnétique et un stator qui présente une pluralité de bobines destinées à entraîner ledit rotor, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif de commande selon l'une des revendications 6 à 8 pour la commande de ses bobines.