Phasemètre asservi
Les phasemètres connus présentent divers in convénients ; les uns sont sensibles aux divers harmoniques des signaux. La mesure de phase se borne alors, en fait, à une mesure de l'intervalle de temps qui sépare le passage des deux signaux périodiques par une même valeur.
Les phasemètres qui mesurent le déphasage entre les fondamentaux des signaux comprennent généralement un élément de filtrage qui limite leur emploi à une fréquence bien déterminée. Le moteur diphasé, jouant à la fois le rôle de moteur et de détecteur de phase, permet d'éviter cet inconvénient, mais son rendement en puissance est faible et rend difficile son emploi en tant que détecteur de phase dans un ensemble asservi.
Les phasemètres basés sur le principe de la multiplication des deux signaux sont généralement indépendants de la fréquence. Cette multiplication fournit un signal à fréquence nulle dont la valeur est proportionnelle au cosinus du déphasage qui existe entre les deux signaux.
La composante du signal de sortie à la fréquence 2f est facilement éliminée par un filtrage si ce dernier s'avère nécessaire. Ce type de phasemètre est moins sensible aux harmoniques que les phasemètres précédents.
Le plus connu des phasemètres à multiplication est le pont à quatre éléments redresseurs, communément appelé modulateur en anneau. Son inconvénient majeur réside dans le fait que la multiplication des deux signaux ne s'opère dans de bonnes conditions que lorsque ceux-ci sont de faible niveau. Au voisinage du déphasage D radian, bien que la sensibilité soit maximum, le signal utilisable est très faible en valeur absolue.
Le phasemètre asservi selon l'invention, est caractérisé en ce qu'il comprend un détecteur de phase constitué par un pont dont les bras comportent chacun au moins un élément redresseur et sur les diagonales duquel sont appliqués, l'un directement, l'autre par l'intermédiaire d'un déphaseur électromécanique, deux signaux d'entrée, le signal de sortie du détecteur de phase servant à actionner un moteur agissant sur le déphaseur électromécanique de manière à rendre constamment égal à une valeur prédéterminée le déphasage des signaux appliqués au détecteur de phase.
Le dessin annexé représente, à titre d'exemples, deux formes d'exécution du phasemètre asservi faisant l'objet de l'invention.
La fig. 1 représente une première forme d'exécution.
La fig. 2 représente une seconde forme d'exécution destinée à un asservissement suivant une loi quelconque.
La fig. 3 est un schéma du détecteur de phase de ces deux formes d'exécution.
Le phasemètre asservi, représenté schématiquement à la fig. 1, comprend un détecteur de phase 1, dont le signal de sortie est amplifié par l'amplificateur 2 qui alimente le moteur 3 lié à un organe d'affichage ou de télécommande 4. Une boucle de réaction comprend les éléments 5 et 6 qui seront décrits en détail ci-après. Les tensions de même fréquence
E1 et E2 à comparer en phase sont appliquées res pectivement sur le détecteur de phase 1 et sur l'élément 6 qui est un déphaseur électromécanique.
Le détecteur de phase 1 dont le circuit est représanté fig. 3, est constitué par un pont de redresseurs 11, dans lequel chaque bras du pont comporte en série avec le redresseur 12 une résistance non linéaire 13. La tension E1 est appliquée par l'intermédiaire d'un transformateur 14 sur l'une des diagonales.
Sur la seconde diagonale est appliquée, par l'intermédiaire d'un transformateur 15, 2a tension de sortie E'1 du déphaseur électromécanique 6. Le signal de sortie de ce détecteur est recueilli aux bornes d'une résistance 16 branchée entre les prises médianes des secondaires des transformateurs 14 et 15.
La tension Et est appliquée sur l'une des diagonales. Sur la seconde diagonale est appliquée la tension de sortie du déphaseur électromagnétique 6.
Celui-ci est, par exemple, du type selsyn, utilisé selon un montage classique avec un réseau à résistance-capacité consistant à alimenter le rotor par une tension alternative à phase de référence et à brancher entre les enroulements du stator un réseau à résistance-capacité de valeurs telles que RcoC=l ce qui a pour effet de produire à la sortie une tension alternative d'amplitude constante et dont la phase est égale à l'angle de rotation imposé au rotor, à une constante près.
Dans le cas présent, le rotor est alimenté par la tension E, et orienté par l'élément 5.
Le signal de sortie du détecteur de phase 1 est envoyé à l'amplificateur 2.
Celui-ci peut être du type à courant continu si l'on désire utiliser un moteur à courant continu, à commande par l'induit, par exemple.
Si l'on désire utiliser un moteur à courant alternatif, un moteur diphasé par exemple, la sortie du détecteur de phase pourra être branchée sur un modulateur d'un type quelconque dont la tension de sortie sera amplifiée dans un amplificateur à courant alternatif qui commandera le moteur.
L'élément 5, commandé également par l'arbre de sortie du moteur 3, est constitué, selon le cas, par une multiplication, une démultiplication ou simplement un accouplement reliant cet arbre au rotor du déphaseur 6.
Ce phasemètre asservi fonctionne d'après le principe suivant: le déphaseur 6 est alimenté par la tension E2 de phase rp,. I1 fournit une tension E'J de phase zip', qui est comparée dans le détecteur de phase 1 avec la tension Et de phase cp. Ce détecteur fournit alors aux bornes de la résistance 16 une tension continue dont l'amplitude est proportionnelle au cosinus du déphasage entre E1 et E'. L'utilisation d'une résistance non linéaire en série avec le redresseur dans chaque bras du pont donne au détecteur une grande sensibilité en permettant l'application sur celui-ci de tension d'entrée à un niveau plus élevé.
On dispose alors à la sortie du détecteur, d'un courant de commande qui agit sur le moteur - et celuici sur le déphaseur - pour le faire tourner dans un sens tel que le déphasage de E1 et E; tende à devenir égal à 2 radian.
2
Si l'on désire que le déphasage entre El et E'1 tende à s'annuler, on intercalera, par exemple, entre
E1 et le détecteur de phase, un organe fournissant un déphasage fixe de la tension E1 de 2 dans le sens convenable.
L'utilisation de résistances non linéaires en série avec les redressleurs dans le pont du détecteur de phase présente l'avantage d'admettre des niveaux de tensions d'attaque plus élevés et donner un signal résultant à des niveaux également plus élevés.
L'influence des parasites est alors considérablement diminuée et le signal peut être largement amplifié sans que la sensibilité de l'appareil soit compromise.
Le phasemètre asservi précédent peut être avantageusement utilisé, moyennant certaines modifications, pour entraîneur une charge mécanique quelconque, la position de cette charge présentant une relation déterminée avec le déphasage entre deux tensions sinusoïdales de même fréquence. En désignant par x la grandeur d'entrée, et y la grandeur de sortie, l'asservissement permet de réaliser entre ces deux grandeurs, une relation du genre y = k x k étant une fonction quelconque liant y à x.
On va décrire un exemple d'un tel asservissement à une transmission angulaire, mais il va de soi que cet exemple n'est en rien limitatif, et que la grandeur d'entrée x peut prendre toute autre forme.
Sur la fig. 2, représentant le schéma de cette transmission, les éléments analogues à ceux de la fig. 1 portent les mêmes références.
L'élément 10 est l'organe de transformation de la grandeur d'entrée x en un signal électrique périodique dont la phase du premier harmonique est variable linéairement (rapport de proportionnalité égal par exemple à 1) avec la grandeur x. Dans le cas actuel, cet organe peut être un déphaseur électromécanique du genre du déphaseur 6 précédemment représenté sur la fig. 1.
Sur ce déphaseur est appliquée une tension sinu soidale provenant d'un générateur auxiliaire (non représenté) dont la phase (p0 est considérée comme la phase zéro et sert de référence.
L'enroulement mobile du déphaseur est orienté par l'information angulaire d'entrée, et le signal de sortie appliqué sur le détecteur de phase 1.
L'élément 6 est le dispositif transformant la grandeur de sortie de l'élément 5 en signal électrique périodique dont la phase du premier harmonique est variable linéairement (rapport de proportionnalité par exemple, égal à 1) avec la grandeur de sortie de l'élément 5. Cet élément sera également constitué par un déphaseur électromécanique. Les autres éléments du dispositif sont reliés de manière analogue à ceux de la fig. 1. I1 existe toutefois une différence, c'est que la tension E2 de phase 3 qui alimentait l'enroulement mobile du déphaseur 6 de la fig. 1, est remplacée par le même signal à phase de référence (Po que celui qui est envoyé sur le déphaseur 10.
Les remarques faites sur les éléments 2 et 3 restent valables, la nature de la charge et d'autres considérations (précision, vitesse de réponse, sta bilité ...) pouvant influer sur le choix d'un moteur à courant alternatif ou continu.
I1 convient de noter que l'élément 5 qui ne jouait jusqu'ici que le rôle d'une simple multiplication mécanique, peut avoir une fonction plus complexe. Cet élément réalise la fonction inverse k (en écriture symbolique), de la fonction liant y à x, c'est-à-dire qu'il transforme la grandeur de sortie en une grandeur de même nature et de même forme que la grandeur d'entrée.
Si, par exemple, la relation à réaliser est une intégration y = Vx (t) dt , l'élément 5 devra effectuer l'opération inverse et délivrer à sa sortie une grandeur de la forme: x = dy De même,
dt
dx s'il s'agit d'une différenciation y = dt , on devra recueillir à la sortie de 5, la grandeur x= Sy(t) dt
Si, dans le cas de la transmission angulaire, on désire que la relation entre x et y soit x = y autrement dit: k=l , l'élément 5 se réduira à un axe rigide reliant la grandeur de sortie y à l'élément 6.
Ce phasemètre s'adapte facilement à la transmission à distance en se combinant avec un système à comparaison de phase, déjà connu. Les lignes en traits interrompus XX indiquent de quelle manière ledit système vient s'intercaler dans le schéma de la fig. 2 ; le signal de sortie du déphaseur 10 représente le signal d'information à phase variable, le signal provenant du générateur auxiliaire, le signai à phase de référence.
Ces deux signaux modulent des ondes porteuses de fréquence différente qui sont utilisées pour la transmission au récepteur éloigné. A la réception, des filtres sélectifs séparent les deux porteuses, qui sont alors démodulées, et les deux signaux de même fréquence ainsi obtenus sont respectivement appliqués sur les éléments 1 et 6 du phasemètre dont la constitution et le fonctionnement restent inchangés.
Slaved phase meter
Known phasemeters have various disadvantages; some are sensitive to the various harmonics of the signals. The phase measurement is then limited, in fact, to a measurement of the time interval which separates the passage of the two periodic signals by the same value.
The phasemeters which measure the phase shift between the fundamentals of the signals generally include a filtering element which limits their use to a well determined frequency. The two-phase motor, playing both the role of motor and phase detector, makes it possible to avoid this drawback, but its power output is low and makes it difficult to use it as a phase detector in a slave assembly.
The phasemeters based on the principle of the multiplication of the two signals are generally independent of the frequency. This multiplication provides a signal at zero frequency, the value of which is proportional to the cosine of the phase shift which exists between the two signals.
The component of the output signal at frequency 2f is easily removed by filtering if this is necessary. This type of phasemeter is less sensitive to harmonics than previous phasemeters.
The best known of the multiplication phasemeters is the bridge with four rectifying elements, commonly called the ring modulator. Its major drawback lies in the fact that the multiplication of the two signals only takes place under good conditions when they are of low level. In the vicinity of the phase shift D radian, although the sensitivity is maximum, the usable signal is very low in absolute value.
The controlled phasemeter according to the invention is characterized in that it comprises a phase detector constituted by a bridge whose arms each comprise at least one rectifier element and on the diagonals of which are applied, one directly, the other. by means of an electromechanical phase shifter, two input signals, the output signal of the phase detector serving to actuate a motor acting on the electromechanical phase shifter so as to make constantly equal to a predetermined value the phase shift of the signals applied to the phase detector.
The appended drawing represents, by way of examples, two embodiments of the controlled phasemeter which is the subject of the invention.
Fig. 1 represents a first embodiment.
Fig. 2 represents a second embodiment intended for a control according to any law.
Fig. 3 is a diagram of the phase detector of these two embodiments.
The slaved phasemeter, shown schematically in FIG. 1, comprises a phase detector 1, the output signal of which is amplified by amplifier 2 which supplies motor 3 linked to a display or remote control unit 4. A feedback loop comprises elements 5 and 6 which will be described in detail below. The same frequency voltages
E1 and E2 to be compared in phase are applied respectively to the phase detector 1 and to the element 6 which is an electromechanical phase shifter.
The phase detector 1, the circuit of which is shown in fig. 3, is constituted by a bridge of rectifiers 11, in which each arm of the bridge comprises in series with the rectifier 12 a non-linear resistor 13. The voltage E1 is applied by means of a transformer 14 on one of the diagonals. .
On the second diagonal is applied, via a transformer 15, 2a output voltage E'1 of the electromechanical phase shifter 6. The output signal of this detector is collected at the terminals of a resistor 16 connected between the middle taps. the secondaries of transformers 14 and 15.
The tension Et is applied on one of the diagonals. On the second diagonal is applied the output voltage of the electromagnetic phase shifter 6.
This is, for example, of the selsyn type, used according to a conventional assembly with a resistance-capacitor network consisting in supplying the rotor with an alternating voltage at reference phase and in connecting between the stator windings a resistance network. capacitance of values such as RcoC = 1 which has the effect of producing at the output an alternating voltage of constant amplitude and whose phase is equal to the angle of rotation imposed on the rotor, to a constant.
In the present case, the rotor is supplied by voltage E, and oriented by element 5.
The output signal from phase detector 1 is sent to amplifier 2.
This can be of the direct current type if it is desired to use a direct current motor, controlled by the armature, for example.
If one wishes to use an alternating current motor, a two-phase motor for example, the output of the phase detector can be connected to a modulator of any type whose output voltage will be amplified in an alternating current amplifier which will control engine.
The element 5, also controlled by the output shaft of the motor 3, is constituted, as the case may be, by a multiplication, a reduction or simply a coupling connecting this shaft to the rotor of the phase shifter 6.
This controlled phasemeter operates according to the following principle: the phase shifter 6 is supplied by the phase voltage E2 rp i. I1 supplies a voltage E'J of phase zip ', which is compared in the phase detector 1 with the phase voltage Et cp. This detector then supplies to the terminals of resistor 16 a direct voltage whose amplitude is proportional to the cosine of the phase shift between E1 and E '. The use of a nonlinear resistor in series with the rectifier in each arm of the bridge gives the detector great sensitivity by allowing the application of a higher level input voltage to it.
At the output of the detector, a control current is then available which acts on the motor - and this on the phase shifter - to cause it to rotate in a direction such as the phase shift of E1 and E; tends to become equal to 2 radians.
2
If we want the phase shift between El and E'1 to tend to cancel out, we will insert, for example, between
E1 and the phase detector, a device providing a fixed phase shift of the voltage E1 by 2 in the appropriate direction.
The use of non-linear resistors in series with the rectifiers in the phase detector bridge has the advantage of admitting higher driving voltage levels and giving a resulting signal at also higher levels.
The influence of interference is then considerably reduced and the signal can be greatly amplified without the sensitivity of the device being compromised.
The preceding slave phasemeter can advantageously be used, with certain modifications, to drive any mechanical load, the position of this load having a determined relationship with the phase shift between two sinusoidal voltages of the same frequency. By designating the input quantity by x, and the output quantity y, the control makes it possible to achieve between these two quantities, a relation of the type y = k x k being any function linking y to x.
An example of such a slaving to an angular transmission will be described, but it goes without saying that this example is in no way limiting, and that the input quantity x can take any other form.
In fig. 2, showing the diagram of this transmission, elements similar to those of FIG. 1 have the same references.
Element 10 is the device for transforming the input quantity x into a periodic electrical signal, the phase of the first harmonic of which is linearly variable (proportionality ratio equal for example to 1) with the quantity x. In the current case, this member can be an electromechanical phase shifter of the type of the phase shifter 6 previously shown in FIG. 1.
To this phase shifter is applied a sine wave voltage coming from an auxiliary generator (not shown) whose phase (p0 is considered to be phase zero and serves as a reference.
The moving winding of the phase shifter is oriented by the input angular information, and the output signal applied to the phase detector 1.
Element 6 is the device transforming the output quantity of element 5 into a periodic electrical signal whose phase of the first harmonic is linearly variable (proportionality ratio for example, equal to 1) with the output quantity of the element 5. This element will also be constituted by an electromechanical phase shifter. The other elements of the device are connected in a manner analogous to those of FIG. 1. There is however a difference, it is that the voltage E2 of phase 3 which supplied the mobile winding of the phase shifter 6 of FIG. 1, is replaced by the same reference phase signal (Po as that sent to phase shifter 10.
The remarks made on elements 2 and 3 remain valid, the nature of the load and other considerations (precision, response speed, stability, etc.) which may influence the choice of an AC or DC motor.
I1 should be noted that the element 5, which until now played only the role of a simple mechanical multiplication, may have a more complex function. This element performs the inverse function k (in symbolic writing), of the function linking y to x, i.e. it transforms the output quantity into a quantity of the same nature and of the same shape as the quantity d 'Entrance.
If, for example, the relation to be realized is an integration y = Vx (t) dt, element 5 will have to perform the opposite operation and deliver at its output a quantity of the form: x = dy Similarly,
dt
dx if it is a differentiation y = dt, we must collect at the output of 5, the quantity x = Sy (t) dt
If, in the case of angular transmission, we want the relation between x and y to be x = y in other words: k = l, the element 5 will be reduced to a rigid axis connecting the output quantity y to the element 6.
This phasemeter easily adapts to remote transmission by combining with a phase comparison system, already known. The dashed lines XX indicate how said system is inserted in the diagram of FIG. 2; the output signal of the phase shifter 10 represents the variable phase information signal, the signal coming from the auxiliary generator, the reference phase signal.
These two signals modulate carrier waves of different frequency which are used for transmission to the distant receiver. On reception, selective filters separate the two carriers, which are then demodulated, and the two signals of the same frequency thus obtained are respectively applied to the elements 1 and 6 of the phasemeter, the constitution and operation of which remain unchanged.