Brevet FR2752112A1 — publié le 19980206

SYSTEME DE DÉTECTION DES PASSAGES PAR ZERO DE LA FCEM D'UN MOTEUR À PHASES MULTIPLES La présente invention concerne un moteur synchrone à phases multiples, tel qu'un moteur à trois phases d'un lecteur de disque dur. L'invention concerne plus particulièrement la commande en vitesse d'un tel moteur en détectant les passages par zéro de la force contre- électromotrice (fcem) sur une phase mise à haute impédance du moteur. La figure 1 représente schématiquement les connexions des trois phases du moteur d'un lecteur de disque dur. Le moteur comprend trois enroulements WA, WB et WC reliés par leurs premières bornes à un noeud commun N. Les bornes restantes A, B et C des trois enroulements sont commandées par un pont d'interrupteurs triphasé, c'est-à-dire que chacune des bornes A, B et C est reliée à une tension d'alimentation basse GND par un interrupteur inférieur SL et reliée à une tension d'alimentation haute Vcc par un interrupteur supérieur SH. La figure 2A représente des exemples d'allure des tensions sur les bornes A, B et C, illustrant un cycle de commande classique des interrupteurs SH et SL. Chacune des bornes A, B et C est successivement reliée à la tension Vcc (SH = 1, SL = 0), mise à haute impédance (SH = 0, SL = 0), et finalement reliée à la tension basse GND (SH = 0, SL = 1). Comme cela est représenté, les intervalles o les bornes sont reliées à la tension Vcc ou à la tension GND sont deux fois plus longs que les intervalles o les bornes sont mises à haute impédance. Par ailleurs, les commandes des bornes B et C sont décalées de 120 et 240 , respectivement, par rapport à la commande de la borne A, de manière que, à chaque sixième d'un cycle de commutation, tandis qu'un enroulement est à son tour mis à haute impédance, les deux autres enroulements sont alimentés en série entre les tensions Vcc et GND. La tension aux bornes de l'enroulement qui est mis à haute impédance est représentative de la fcem du moteur. Cette tension est mesurée et son passage par zéro (par rapport à la tension du noeud commun N) est détecté pour fournir une information de vitesse du moteur qui est utilisée pour asservir le moteur. Comme cela est représenté, la tension sur la borne d'une phase mise à haute impédance commence par un pic dû à des courants de roue libre et continue par une portion croissante ou décroissante de sinusoïde. La détection des passages par zéro est validée seulement pendant les portions de sinusoïde. Dans des moteurs basse puissance, la vitesse est réglée en modifiant la conductance des interrupteurs supérieurs ou inférieurs. Une telle commande en vitesse provoque une perte de puissance dans les interrupteurs qui peut être acceptable pour un moteur basse puissance mais qui devient excessive dans des moteurs de puissance plus élevée. Pour réduire les pertes de puissance, il conviendrait de commander les interrupteurs par modulation de largeur d'impulsion. Toutefois, comme cela est décrit ci-dessous, une modulation de largeur d'impulsion affecte la détection fiable des passages par zéro de la fcem. La figure 2B illustre une partie agrandie de l'un des signaux de la figure 2A, dans le cas o on utilise une modulation de largeur d'impulsion. Pendant l'intervalle d'alimentation d'un couple d'enroulements, la tension sur l'une des bornes du couple est hachée entre les tensions Vcc et GND. Lorsque cette même borne est mise à haute impédance, sa tension est affectée par le hachage qui continue sur la borne suivante. Comme cela est représenté, cette tension est hachée entre la valeur de la fcem et une valeur inférieure. Une fausse détection de passage par zéro se produit à un instant t1 bien avant le passage par zéro de la fcem (instant to). Certains circuits, tels que le circuit L6232B fabriqué par la société SGS-Thomson Microelectronics, régulent la vitesse nominale du moteur, de la manière décrite plus haut, en modifiant la conductance des interrupteurs inférieurs SL et, quand le moteur est démarré, effectuent une modulation de largeur d'impulsion afin de réduire le courant soutiré de la source d'alimentation. Comme cela a été mentionné ci-dessus, ces circuits conviennent seulement pour des moteurs basse puissance. Un objet de la présente invention est de prévoir un système de détection de passage par zéro de fcem qui fonctionne convenablement avec une régulation de vitesse à modulation de largeur d'impulsion. Un tel système permettra la commande de moteurs synchrones de puissance élevée avec des faibles pertes. Pour atteindre cet objet, la présente invention prévoit une détection de passage par un seuil de la force contre- électromotrice (fcem) mesurée dans une phase d'un moteur à plusieurs phases, cette phase étant mise à haute impédance tandis qu'au moins une autre phase est alimentée par modulation de largeur d'impulsion. La fcem est échantillonnée pendant les périodes actives de la modulation de largeur d'impulsion et bloquée pendant les périodes inactives, avant d'être comparée audit seuil. Selon un mode de réalisation de la présente invention, l'échantillonnage et le blocage de la fcem sont réalisés sur un condensateur et on modifie la charge du condensateur pendant une période inactive de la modulation de largeur d'impulsion, de manière que la tension sur le condensateur rejoigne sensiblement la valeur de la fcem au début de la période active suivante de la modulation de largeur d'impulsion. Selon un mode de réalisation de la présente invention, on force la modulation de largeur d'impulsion à une période active dans une fenêtre o la fcem est susceptible de traverser ledit seuil. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la fenêtre se termine lors de la détection d'un passage par le seuil. Selon un mode de réalisation de la présente invention, on utilise la fenêtre pour seulement la première détection de passage par le seuil. Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles: les figures 1 à 2B, précédemment décrites, illustrent l'état de la technique et les problèmes associés; la figure 3 représente schématiquement un mode de réalisation de système de détection de passage par zéro de fcem selon la présente invention; et la figure 4 représente une partie agrandie d'un signal de fcem tel que traité par les circuits de la figure 3, au voisinage de son point de passage par zéro. Dans la figure 3, une entrée inverseuse d'un amplificateur différentiel 10 reçoit la tension du noeud commun N des enroulements d'un moteur synchrone du type de la figure 1. Une entrée non-inverseuse de l'amplificateur différentiel 10 reçoit la sortie d'un multiplexeur analogique 12 qui est commandé par un séquenceur 14 pour sélectionner, parmi les bornes A, B et C, celle qui est mise à haute impédance. Le séquenceur 14 détermine de manière classique la séquence de commutation des interrupteurs SH et SL de la figure 1 afin de produire les signaux de la figure 2A. Les interrupteurs SH et SL sont effectivement commandés par le séquenceur 14 par l'intermédiaire d'un modulateur de largeur d'impulsion 16 qui est prévu pour régler le courant dans les enroulements du moteur afin de réguler la vitesse. Le modulateur de largeur d'impulsion 16 fonctionne en permanence, même à la vitesse nominale du moteur. Selon un aspect de l'invention, la sortie de l'amplificateur différentiel 10 est fournie à un circuit d'échantillonnage-blocage comprenant un interrupteur SI et un condensateur CI. Une première borne du condensateur C1 est reliée à une tension constante, par exemple la tension d'alimentation basse GND, et sa deuxième borne, sur laquelle on prélève la tension échantillonnée et bloquée Vo, est reliée à la sortie de l'amplificateur différentiel 10 par l'interrupteur Si. L'interrupteur SI est commandé par le modulateur de largeur d'impulsion 16 de manière qu'il soit fermé à chaque fois qu'un interrupteur supérieur SH ou un interrupteur inférieur SL du pont de la figure 1 est fermé, c'est-à-dire pendant chaque période active de la modulation de largeur d'impulsion o un courant est forcé à travers des enroulements du moteur. La tension aux bornes de l'enroulement qui est mis à haute impédance est alors échantillonnée par le condensateur C1. Pendant chaque période inactive de la modulation de largeur d'impulsion, c'est-à-dire quand aucun courant n'est forcé à travers des enroulements du moteur, l'interrupteur SI est ouvert, d'o il résulte que le condensateur Cl conserve la tension atteinte sur la borne mise à haute impédance. La tension échantillonnée et bloquée Vo est fournie à l'entrée inverseuse d'un comparateur 18. Une entrée non- inverseuse du comparateur 18 reçoit une tension de référence Vref qui est égale à la valeur de la tension Vo au moment du passage par zéro de la fcem (Vref = Vcc/2 si les impédances des enroulements du moteur sont égales). Le comparateur 18 fournit un signal de détection DET qui passe à l'état haut aussitôt que la tension Vo passe en dessous de la tension Vref. Ainsi, le comparateur 18 fournit une détection de passage par zéro par chaque front de son signal de sortie DET (un front montant pour une fcem croissante et un front descendant pour une fcem décroissante). Ces fronts montants ou descendants sont, pour déterminer la vitesse, pris en compte en dehors des intervalles o sont susceptibles de survenir des pics provoqués par des courants inductifs de roue libre. De préférence, le comparateur 18 présente un léger cycle d'hystérésis afin d'éviter la génération de fronts parasites due au bruit autour du point de passage par zero. La figure 4 représente, en pointillés, l'évolution de la tension échantillonnée et bloquée Vo pour une fcem décroissante et selon l'aspect de l'invention décrit jusqu'à maintenant. Pendant les périodes actives de la modulation de largeur d'impulsion, la tension Vo suit l'évolution de la fcem. Pendant les périodes inactives de la modulation de largeur d'impulsion, la tension Vo reste constante, et s'écarte donc de la fcem, pendant toute la période inactive. Au début de la période active suivante, le condensateur CI se décharge rapidement vers la valeur de la fcem. Avec ce fonctionnement, si un passage par zéro de la fcem se produit à un instant to pendant une période inactive de la modulation de largeur d'impulsion, conmme cela est représenté, une fausse détection se produira à un instant t1 au début de la période active suivante. L'erreur entre la fausse détection et la bonne détection est au plus égale à une période inactive de la modulation de largeur d'impulsion alors que, dans le cas classique de la figure 2B, l'erreur peut être de plusieurs périodes de modulation de largeur d'impulsion. Selon un premier mode de réalisation de l'invention, la précision de la détection de passage par zéro est améliorée par un circuit de compensation de pente comprenant un interrupteur S2 et une source de courant I reliés en série entre la sortie de tension échantillonnée et bloquée Vo et la tension d'alimentation basse GND. L'interrupteur S2 est commandé en opposition de phase à l'interrupteur SI, d'o il résulte que le condensateur Cl est déchargé par la source de courant I pendant chaque période inactive de la modulation de largeur d'impulsion. L'évolution correspondante de la tension échantillonnée et bloquée Vo est illustrée en trait plein à la figure 4. Pendant les périodes actives de la modulation de largeur d'impulsion, la tension Vo suit l'évolution de la fcem. Pendant les périodes inactives, le condensateur Cl est déchargé par la source de courant I, d'o il résulte que la tension Vo décroît. De préférence, les valeurs du condensateur Cl et de la source de courant I sont choisies de manière que la tension Vo suive sensiblement l'évolution de la fcem pendant les périodes inactives de la modulation de largeur d'impulsion. La fcem a une allure sinusoïdale de la forme Asinot, o A est l'amplitude de la fcem et O la vitesse angulaire du moteur en radians par seconde. Les valeurs du condensateur Ci et de la source de courant I seront choisies pour obtenir la meilleure compensation de pente au voisinage des passages par zéro de la fcem à la vitesse nominale. Ceci est obtenu pour I/C1 = An. Alors, comme cela est représenté dans la figure 4, au voisinage du passage par zéro à l'instant to, la tension Vo évolue avec une transition douce entre les périodes inactive et active de la modulation de largeur d'impulsion. Lorsque la période inactive considérée s'1éloigne du point de passage par zéro, la précision de la compensation de pente diminue, ce qui génère un échelon grandissant entre la période inactive et la période active suivante. Ceci n'a aucune conséquence sur la précision de la régulation de vitesse, car le passage par zéro est détecté au point o la compensation de pente est la plus précise. Le circuit de compensation de pente de la figure 3 est prévu pour une fcem décroissante. Pour une fcem croissante, la source de courant I sera reliée à la tension Vcc. La source de courant I peut être remplacée par une résistance de valeur égale à Vref/I. Le circuit de compensation de pente qui vient d'être décrit est prévu pour un moteur tournant à une vitesse nominale constante et perdra sa précision à une vitesse différente. En particulier, le circuit de compensation de pente ne sera pas précis lorsque le moteur est dans sa phase de démarrage, ce qui provoquera une gigue dans la boucle de régulation jusqu'à ce que la vitesse nominale soit atteinte. Si l'on souhaite éviter ceci, le circuit de la figure 3 peut être muni, selon un deuxième mode de réalisation, d'un comparateur à fenêtre 20 qui force le modulateur de largeur d'impulsion 16 à son état actif lorsque la tension échantillonnée et bloquée Vo est susceptible de passer par zéro. Une fenêtre encadrant le point de passage par zéro est définie pour le comparateur 20 par des valeurs Vref+w et Vref-w. Par conséquent, à l'intérieur de la fenêtre Vref +w, la tension Vo représentera exactement la fcem et permettra une détection de passage par zéro précise. Le comparateur à fenêtre 20 est validé (c'est-à-dire qu'on lui permet de forcer le modulateur de largeur d'impulsion 16 à son état actif) lorsque le moteur est démarré, et désactivé aussitôt qu'un passage par zéro est détecté dans la fenêtre. Selon une variante, pour une fcem décroissante, la deuxième limite Vref- w de la fenêtre est omise, et la fenêtre est définie par un intervalle de temps prédéterminé commençant à l'instant o la tension Vo atteint la première limite Vref+w. Selon une autre variante, la deuxième limite de la fenêtre correspond à l'instant de la détection d'un passage par zéro, de manière que le modulateur de largeur d'impulsion 16 puisse être immédiatement commuté à son état inactif après la détection de passage par zéro. Ceci entraîne une meilleure continuité dans la régulation par modulation d'impulsion. REVENDICATIONS 1. Procédé de détection de passage par un seuil de la force contreélectromotrice (fcem) mesurée dans une phase d'un moteur à plusieurs phases, ladite phase étant mise à haute impédance tandis qu'au moins une autre phase est alimentée par modulation de largeur d'impulsion, comprenant l'étape consistant à comparer la fcem audit seuil (Vref), caractérisé en ce qu'il comprend, avant l'étape de comparaison, les étapes suivantes: - échantillonner la fcem pendant les périodes actives de la modulation de largeur d'impulsion; et - bloquer la fcem pendant les périodes inactives de la modulation de largeur d'impulsion. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'échantillonnage et le blocage de la fcem sont réalisés sur un condensateur (Cl), et en ce qu'il comprend l'étape consistant à modifier la charge du condensateur pendant une période inactive de la modulation de largeur d'impulsion, de manière que la tension sur le condensateur rejoigne sensiblement la valeur de la fcem au début de la période active suivante de la modulation de largeur d'impulsion. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comprend l'étape consistant à forcer la modulation de largeur d'impulsion à une période active dans une fenêtre (Vref +w) o la fcem est susceptible de traverser ledit seuil. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que ladite fenêtre se termine lors de la détection d'un passage par le seuil. 5. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comprend l'étape consistant à utiliser ladite fenêtre pour seulement la première détection de passage par le seuil. 6. Dispositif de commande de moteur à multiples phases, dans lequel une phase est mise à haute impédance pour mesurer la force contreélectromotrice (fcem) du moteur tandis qu'au moins une autre phase est alimentée par modulation de largeur d'impulsion, comprenant un comparateur (18) pour détecter le passage de la fcem par un seuil (Vref), caractérisé en ce qu'il comprend un circuit d'échantillonnage-blocage (Si, Cl) prévu pour échantillonner la fcem pendant les périodes actives de la modulation de largeur d'impulsion et bloquer la fcem pendant les périodes inactives de la modulation de largeur d'impulsion, ledit comparateur recevant la sortie (Vo) du circuit d'échantillonnage- blocage. 7. Dispositif de commande selon la revendication 6, caractérisé en ce que le circuit d'échantillonnage-blocage comprend un condensateur d'échantillonnage-blocage (Ci), et en ce que le dispositif de commande comprend un circuit (S2, I) pour modifier la charge dudit condensateur, de manière que la tension du condensateur pendant une période inactive de la modulation de largeur d'impulsion rejoigne sensiblement la valeur de la fcem au début de la période active suivante de la modulation de largeur d'impulsion. 8. Dispositif de commande selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce qu'il comprend un comparateur à fenêtre (20) pour forcer la modulation de largeur d'impulsion à une période active dans une fenêtre (Vref +w) o la fcem est susceptible de traverser ledit seuil. 9. Dispositif de commande selon la revendication 7, dans lequel ledit circuit pour modifier la charge comprend une source de courant (I), telle qu'une résistance, reliée entre le condensateur (C1) et une tension adéquate (GND) pendant les périodes inactives de la modulation de largeur d'impulsion.