Brevet FR2775397A1 — publié le 19990827

La présente invention a pour objet un circuit d'alimentation d'un moteur piézo-électrique à onde progressive comprenant au moins un rotor entraîné, par frottement, par au moins un stator excité par au moins deux éléments piézo-électriques reliés respectivement, d'une part, au stator et, d'autre part, à deux électrodes alimentées respectivement par deux tensions alternatives de même amplitude et déphasées d'environ au moyen d'une source unique d'alimentation alternative et d'un moyen destiné à générer les deux tensions déphasées. Un tel circuit d'alimentation est connu du brevet français 2 721 154. Dans ce document il est proposé, afin de remédier aux inconvénients des circuits d'alimentation antérieurs comprenant deux sources d'alimentation créées par des dispositifs d'alimentation indépendants, d'alimenter le moteur piézo-électrique au moyen d'une source unique alternative haute fréquence et d'un moyen d'adaptation connecté, d'une part, à la source d'alimentation alternative et, d'autre part, aux électrodes des éléments piézo- électriques pour générer les deux tensions déphasées d'environ 90 . Le moyen d'adaptation est constitué de deux quadripôles, l'un de ces quadripôles comprenant une inductance et une capacité et l'autre quadripôle une inductance. Si la source d'alimentation alternative comprend un transformateur dont les étages primaire et secondaire sont tous deux constitués de deux enroulements, les inductances des quadripôles peuvent être constitués par les propres inductances de fuite du transformateur. Il est 2 2775397 toutefois nécessaire de maîtriser ces fuites en intercalant un entrefer de manière à augmenter l'inductance de fuite intrinsèque, ce qui nécessite la fabrication de transformateurs spéciaux présentant un rayonnement supérieur aux transformateurs standards, ce qui peut contraindre à prévoir un blindage de l'ensemble du circuit pour respecter les contraintes normatives. Une telle solution est donc relativement lourde et onéreuse. La présente invention vise à réaliser un circuit d'alimentation aussi simple et léger que possible. Le circuit d'alimentation selon l'invention est caractérisé en ce que le moyen destiné à générer les deux tensions déphasées est constitué d'un condensateur en série avec l'une desdites électrodes et dont la valeur est choisie de telle sorte que, pour une fréquence donnée de la tension de la source, l'amplitude de la tension entre le stator et l'électrode de l'élément piézo- électrique en série avec le condensateur soit sensiblement égale à l'amplitude de la tension de la source, et que le déphasage des courants dans chaque élément piézo-électrique soit voisin de 90 . La génération de deux tensions d'amplitude sensiblement égales et déphasée sensiblement de 90 est donc obtenue par la simple mise en série d'un condensateur avec une des voies des moteurs, c'est-à-dire sans inductances additionnelles. 3 2775397 La valeur du condensateur doit bien entendu être adaptée à la valeur de l'impédance des éléments piézo- électriques et à la fréquence de la tension d'alimentation. Cette valeur peut sans autre être déterminée par l'homme de l'art de telle sorte que les deux tensions déphasées aient sensiblement la même amplitude et que les courants dans chaque voie du moteur soient sensiblement en quadrature de phase. La source d'alimentation sera avantageusement pilotée par une ULT (Unité Logique de Traitement), la présence d'une telle ULT permettant en outre de déterminer l'état de mouvement du moteur et son évolution, en particulier sa vitesse et son couple. Dans une première phase de fonctionnement du moteur, l'ULT peut être utilisée pour piloter la fréquence du travail du moteur. A cet effet la tension sur les deux phases du moteur, c'est-à-dire la tension de la source et la tension entre le stator et l'électrode de l'élément piézoélectrique reliée au condensateur, sont appliquées aux entrées de l'ULT qui est programmée de manière à ajuster la fréquence de la source de manière à ce que les amplitudes desdites tensions soient égales. L'invention sera exposée plus en détail en relation au dessin annexé dans lequel: la figure 1 représente le schéma général d'un moteur piézoélectrique et de son circuit d'alimentation; 4 2775397 la figure 2 représente le schéma équivalent d'une phase du moteur sans le condensateur additionnel; la figure 3 représente le schéma équivalent simplifié; la figure 4 représente le schéma équivalent du moteur représenté à la figure 1; et la figure 5 représente le diagramme vectoriel correspondant au schéma représenté à la figure 4. La figure 1 représente le schéma d'un moteur piézo- électrique comprenant deux éléments piézo-électriques Pl et P2 alimentés par une source de courant alternatif S. Dans le schéma représenté, chacun des éléments piézo-électrique est muni de deux électrodes al, bl, respectivement a2, b2. Dans un moteur piézo-électrique tel que décrit dans la demande de brevet WO 91/08594 les électrodes bl et b2 sont en fait constituées par le stator auquel sont reliés les éléments piézo- électriques, le stator étant relié à une des bornes de la source S. Pour simplifier, on a représenté seulement une paire d'éléments piézoélectriques, mais il est clair que cette paire pourrait être remplacée par deux jeux comportant chacun plusieurs éléments piézo- électriques, comme décrit dans le brevet susmentionné. L'électrode al de l'élément piézo-électrique Pi est reliée directement à l'autre borne de la source S, tandis que l'électrode a2 de l'autre élément piézo- électrique P2 est reliée à cette borne à travers un condensateur C. 2775397 A la figure 1 est également représentée une ULT (Unité Logique de Traitement) dont le rôle sera décrit plus loin. Comme ceci sera exposé ci-après, le condensateur C permet, à lui seul, d'obtenir sur les deux voies constituées par les deux éléments piézo-électriques Pi et P2, deux tensions alternatives de même amplitude Vp et Va et deux courants déphasés d'environ 90 . Ce résultat sera expliqué à l'aide des figures 2 à 5. Le schéma équivalent d'une phase ou voie d'alimentation du moteur piézoélectrique selon la figure 1, sans le condensateur C, est représenté, pour mémoire, à la figure 2. Lm, Cm, Rm sont respectivement l'inductance, la capacité et la résistance de la "branche motionnelle" qui traduisent l'effet piézo-électrique et la résonance électromécanique pour une fréquence fo telle que i fo = 2ff LmCm Lm traduit la masse, Cm l'élasticité et Rm la conversion en puissance thermique et mécanique, c'est- à-dire la perte et la puissance utile. Co est la "capacité bloquée" de la voie correspondant à la capacité formée par les électrodes ai, bl séparées par une épaisseur de matériau isolant. 6 2775397 Lorsque la fréquence f est légèrement supérieure à fo, le comportement de la branche motionnelle est globalement inductif et Ul est donc en avance sur Im d'un angle pm. Il existe une fréquence fT telle que pm = 45 . Cette fréquence est la fréquence de travail pour laquelle i Rm = LmOT - CmT Cmwr Pour la plupart des configurations de moteurs piézo- électriques i " Rm et donc Io " Im. Cowr, La capacité Co n'intervient donc pratiquement pas dans le schéma équivalent qui peut être simplifié comme représenté à la figure 3, o i Xm = Lm T - CmT Cmwr En appliquant ce schéma équivalent simplifié au schéma du moteur représenté à la figure 1, on obtient le schéma représenté à la figure 4, dans lequel Ri = R2 et Xl = X2. On désire, d'une part, que les courants Il et I2 soient de même amplitude et déphasés de 90 , et, d'autre part, que le courant total I soit en phase avec la tension U, de telle sorte qu'il ne soit pas nécessaire d'ajouter des éléments de compensation de la puissance réactive. 7 2775397 Ces conditions correspondent au diagramme vectoriel représenté à la figure 5. Elles sont satisfaites si - 2X et R1,2 = X1,2 Ccol1 Pour une valeur déterminée de Rm les conditions désirées ne sont donc remplies que pour une fréquence de travail déterminée. D'autre part, si la puissance mécanique varie, Rm varie et la condition R = X n'est plus satisfaite. Le diagramme de la figure 5 se déforme : les courants I1 et I2 ne sont plus en quadrature et les tensions U1 et U2 ne sont plus égales. Il est dès lors possible, dans ce mode d'alimentation, à partir d'une source unique et d'un condensateur: a) de rechercher, pour un point de fonctionnement donné, la fréquence de travail optimale fT telle les tensions U1 et U2 soient égales en amplitude et déphasées de 90 ; et b) de surveiller les écarts par rapport à ce point de fonctionnement à partir de l'analyse de la variation des amplitudes de U1 et U2 ou de la variation du déphasage des tensions et/ou des courants. C'est précisément le rôle de i'ULT de la figure 1. Dans une première phase de fonctionnement i'ULT est utilisée pour piloter la fréquence de travail fT du moteur. A cet effet, les tensions Vp et Va sont appliquées aux entrées de i'ULT qui est programmée de 8 2775397 manière à ajuster la fréquence de la source S de manière à ce que les amplitudes des tensions Vp et Va soient égales. Après cette phase d'ajustement, la fréquence n'est plus modifiée et l'ULT peut être utilisée pour déterminer l'état de mouvement du moteur et pour commander son arrêt et l'inversion de son sens de rotation. L'inversion du sens de rotation se fait par l'inversion des tensions Va et Vp au moyen d'un jeu de commutateurs commandés par l'ULT. Différentes procédures peuvent être appliquées par 1'ULT. L'amplitude de la tension Va peut être comparée à une valeur de référence. Si Va diminue cela signifie que le couple augmente. Il est sera de même si Vc est comparée une valeur de référence. Selon d'autres procédures l'ULT compare les tensions Va et Vp, soit en calculant le déphasage de ces tensions, soit la différence d'amplitude Vp-Va, soit encore le quotient des amplitudes Vp/Va. Il est possible de connaître l'évolution, dans le temps, de l'une ou l'autre de ces mesures ou calculs en calculant sa dérivée dans le temps, ce qui permet à l'ULT de s'affranchir de dérives naturelles, principalement des composants et de l'alimentation et des dérives thermiques du moteur. 9 2775397 REVENDICATIONS. 1. Circuit d'alimentation d'un moteur piézo-électrique à onde progressive comprenant au moins un rotor entraîné, par frottement, par au moins un stator excité par au moins deux éléments piézo-électriques reliés respectivement, d'une part, au stator et, d'autre part, à deux électrodes alimentées respectivement par deux tensions alternatives (Vp, Va) de même amplitude et déphasées d'environ 90 au moyen d'une source unique d'alimentation alternative et d'un moyen destiné à générer les deux tensions déphasées, caractérisé en ce que le moyen destiné à générer les deux tensions déphasées est constitué d'un condensateur (C) en série avec l'une desdites électrodes et dont la valeur est choisie de telle sorte que, pour une fréquence donnée de la tension de la source, l'amplitude de la tension entre le stator et l'électrode de l'élément piézo-électrique en série avec le condensateur soit sensiblement égale à l'amplitude de la tension de la source et que le déphasage des courants dans chaque élément piézo- électrique soit voisin de 90 . 2.Circuit d'alimentation selon la revendication 1, caractérisé en ce que, dans une première phase de fonctionnement du moteur, la source d'alimentation est pilotée en fréquence par une ULT aux entrées de laquelle sont appliquées la tension de la source (Vp) et la tension (Va) entre le stator et l'électrode de l'élément piézo-électrique reliée au condensateur et 0lo 2775397 que 1'ULT est programmée de manière ajuster la fréquence de la source de manière à ce que les amplitudes desdites tensions (Vp, Va) soient égales. 3. Circuit d'alimentation selon la revendication 1, caractérisé en ce que la source d'alimentation est pilotée par une ULT aux entrées de laquelle est appliquée la tension (Va) entre le stator et l'électrode de l'élément piézo-électrique en série avec le condensateur. 4. Circuit d'alimentation selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'aux entrées de 1'ULT est également appliquée la tension de la source et/ou la tension aux bornes du condensateur. 5. Circuit d'alimentation selon la revendication 4, caractérisé en ce que 1'ULT est programmée pour comparer la tension entre le stator et l'électrode de l'élément piézo-électrique en série avec le condensateur à une valeur de référence. 6. Circuit d'alimentation selon la revendication 4, caractérisé en ce que 1'ULT est programmée pour comparer la tension entre le stator et l'électrode de l'élément piézo-électrique en série avec le condensateur à la tension de la source pour en calculer le déphasage ou la différence d'amplitude ou le quotient des amplitudes. 7. Circuit d'alimentation selon l'une des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que 1'ULT est il 2775397 programmée pour calculer la dérivée dans le temps des tensions qui sont appliquées à ses entrées, respectivement de la différence qu'elles présentent avec une valeur de référence.5 8. Circuit d'alimentation selon la revendication 6, caractérisé en ce que i'ULT est programmée pour calculer la dérivée dans le temps dudit déphasage ou de ladite différence d'amplitude ou dudit quotient des amplitudes.