CH620062A5

CH620062A5 -

Info

Publication number: CH620062A5
Application number: CH517578A
Authority: CH
Inventors: Claude Oudet; Yves Guerin
Original assignee: Portescap
Priority date: 1978-05-12
Filing date: 1978-05-12
Publication date: 1980-10-31
Also published as: FR2425756B3; GB2026793B; JPS54153220A; DE2918508A1; US4242623A; GB2026793A; FR2425756A1; DE2918508C2

Description

La présente invention concerne un micromoteur électrique pas à pas comportant un rotor aimanté, un circuit magnétique stationnaire, une bobine d'excitation électrique couplée audit circuit magnétique stationnaire et un dispositif de commande connecté à la bobine d'excitation, le circuit magnétique stationnaire présentant des parties polaires espacées définissant un entrefer et le rotor aimanté étant supporté de façon rotative dans cet entrefer de manière que ses pôles coopèrent avec les parties polaires du circuit magnétique stationnaire, l'aimantation du rotor et la forme des parties polaires étant telles que le rotor possède au moins une position d'équilibre stable placée de façon à précéder, par rapport à un premier sens de rotation, la position dans laquelle le couple dû à un courant permanent dans la bobine d'excitation atteindrait son maximum, et le dispositif de commande comportant des moyens pour fournir à la bobine d'excitation, à partir de chaque position d'équilibre stable, une impulsion d'entraînement d'une première polarité, d'une amplitude et d'une durée telles que le rotor avance dans ledit premier sens de rotation jusqu'à la prochaine position d'équilibre stable.

Un moteur de ce type est, de par sa nature, capable de fonctionner dans les deux sens de rotation, selon la polarité des impulsions appliquées à la bobine d'excitation. Toutefois, en raison des tolérances de fabrication, et des variations de certains paramètres tels que charge mécanique, température, tension d'alimentation, en cours de fonctionnement, on renonce généralement à la possibilité de faire fonctionner le moteur au choix dans l'un ou l'autre sens de rotation et l'on choisit la position d'équilibre stable de façon à favoriser nettement un sens de rotation, c'est-à-dire de façon à accroître le travail engendré par l'impulsion d'entraînement dans ce sens par rapport à une position dans laquelle les deux impulsions engendreraient des énergies quasi-identiques.

L'invention vise principalement à faciliter le dimensionne-ment et la fabrication, ainsi qu'à accroître la sécurité de fonctionnement d'un moteur à deux sens de rotation du type précité.

A cet effet, le micromoteur selon l'invention est caractérisé en ce que le dispositif de commande comporte des moyens pour fournir à la bobine d'excitation, sur une commande extérieure, à partir de chaque position d'équilibre stable, d'abord une préimpulsion de ladite première polarité, d'une amplitude et d'une durée telles que le rotor avance dans le premier sens de rotation mais ne pourrait pas atteindre la prochaine position d'équilibre stable dans ce sens de rotation, puis une impulsion d'entraînement dans le sens inverse, de la polarité opposée à ladite première polarité et d'une amplitude et d'une durée telles que le rotor, après avoir renversé son sens de rotation, tourne dans le sens de rotation inverse jusqu'à la position d'équilibre stable suivant celle à laquelle ladite préimpulsion a été délivrée.

De cette manière, tout en favorisant par les mesures con-structives habituelles un sens de rotation du moteur, on fournit au rotor une impulsion de rotation dans le sens inverse également suffisamment grande, compte tenu de toutes les tolérances et variations acceptables, pour lui permettre de franchir un pas dans le sens de rotation inverse. Dans le fonctionnement, la mesure indiquée se traduit par le fait que le rotor, pour tourner dans le sens de rotation inverse par rapport au sens de marche normal, entame d'abord une rotation dans le sens normal pour revenir ensuite en arrière, l'impulsion d'entraînement dans le sens inverse, lui permettant d'accumuler une énergie suffisante pour atteindre la position d'équilibre stable suivante dans le sens inverse.

D'autres avantages et caractéristiques de la présente invention ressortiront de la description d'exemples de réalisation

5

Ht

[5

20

25

30

35

40

45

50

55

f>0

fi5

3

620 062

donnés ci-après et illustrés par les dessins annexés. Dans ces dessins: La figure 1 est une vue de dessus d'un moteur connu auquel s'applique la présente invention ;

La figure 2 est un coupe selon la ligne A, A' de la figure 1 ;

La figure 3 est un schéma électrique du moteur selon la présente invention ;

La figure 4 est un graphique montrant la variation des principales composantes du couple s'exerçant sur le rotor en fonction de son angle de rotation et du temps ;

La figure 5 est un graphique montrant la variation dans le temps de la tension aux bornes de la bobine et de la position angulaire du rotor pour une impulsion d'entraînement dans le sens normal, sans freinage, et la figure 6 est un graphique similaire à celui de la figure 5 illustrant l'entraînement dans le sens inverse suivi d'un freinage selon une caractéristique de la présente invention.

Les figures 1 et 2 montrent un micromoteur pas à pas comportant un rotor en forme de disque 1, aimanté axialement dans une première zone annulaire extérieure du disque de façon à présenter N = 6 paires de ~ôles, les pôles étant alternativement positifs et négatifs sur chaque surface du disque. Ce disque comporte par ailleurs de façon connue (brevet suisse No 581 920) une deuxième zone annulaire aimantée, située à l'intérieur de la première et présentant N/2 paires de pôles similaires à celles de la première zone mais décalées angulairement par rapport aux pôles de cette première zone.

L'axe du rotor 1 est logé dans des paliers non représentés de façon à supporter le rotor dans un entrefer formé entre les parties polaires de deux pièces de stator 2, 3 disposées et fixées par des vis 4,5 sur un support 6 magnétiquement non conducteur. Par ces mêmes vis, les pièces 2 et 3 sont connectées à un noyau 7 d'une bobine d'excitation M. Les parties 2,3 et 4 forment ainsi un circuit magnétique stationnaire dont la polarité respective des parties polaires est fonction de la polarité du courant d'excitation parcourant la bobine M. Les bornes m,, m2 de la bobine M sont connectées à un dispositif de commande 8 qui sera décrit plus en détail en relation avec la figure 3.

Les parties polaires des pièces 2 et 3 présentent chacune des dents découpées disposées en regard, telles que 2', 3', ces dents étant espacées angulairement entre elles par exemple d'un angle ß, ainsi qu'une partie centrale crantée désignée par 2" ou 3" respectivement. Les deux zones aimantées du rotor se trouvent ainsi chacune dans un entrefer d'épaisseur variable, l'agencement de l'ensemble étant tel que le rotor présente sur un tour complet N=6 positions d'équilibre stable placées de la manière qui sera indiquée en rapport avec la figure 4.

La figure 3 est un schéma électrique montrant le dispositif de commande désigné dans son ensemble par 8, connecté aux bornes m] et m2 de la bobine M. Ce dispositif comporte notamment une source de courant continu sous forme d'une pile 9 et quatre transistors MOS T, à T4 dont les chemins de conduction sont connectés d'un côté à un pôle correspondant de la pile 9 et de l'autre côté à l'une ou l'autre des bornes m2 de la façon montrée à la figure 3. Les grilles des transistors T] à T4 sont commandées par le potentiel des points respectifs tj à t4 connectés à un dispositif de déclenchement 10.

Les impulsions d'entraînement correspondant un à premier sens de rotation du rotor, qui sera désigné par sens normal, sont fournies à la bobine M en rendant les transistors T, et T4 conducteurs et les transistors T2 et T3 non conducteurs au moyen de potentiels appropriés appliqués pendant une durée déterminée aux points tj à t4 par le dispositif de déclenchement 10. Pendant cette durée la bobine M se trouve ainsi branchée par l'intermédiaire des faibles résistances des chemins de condu-tion des transistors MOS Tj et T4 aux bornes de la pile 9, la borne m] étant reliée à la borne positive (+) de la pile et m2 à la borne négative (—) de celle-ci.

De façon analogue, les impulsions d'entraînement pour la rotation dans le sens inverse du sens de rotation normal sont fournies à la bobine M en rendant les transistors T2 et T3 conducteurs et Tj et T 4 non conducteurs. La bobine se trouve -, dans ce cas branchée à la pile 9 avec la borne m! reliée au pôle négatif et la borne m2 au pôle positif de celle-ci, de sorte que M est parcourue par un courant en sens inverse par rapport à celui du cas précédent.

La tension aux bornes m! et m2 de la bobine est désignée par m u. Comme le montre le schéma de la figure 3, le circuit est protégée de façon usuelle par des diodes telles que D[ et D2 connectées respectivement dans des sens opposés, en parallèle à la bobine, de façon à limiter la tension u dans les deux sens.

Le dispositif de commande 8 comporte un transistor MOS 1S additionnel T5 dont le chemin de conduction est connecté en série avec une résistance R entre la borne m | et la borne positive de la pile 9. La valeur de la résistance R est nettement plus grande que la résistance du chemin de conduction d'un transistor MOS en état de conduction. La grille du transistor T5 est -1" commandée par le potentiel régnant au point t5 connecté au dispositif de déclenchement 10.

Lorsque le transistor T5 est rendu conducteur simultanément avec le transistor T4, les transistors T,, T2 et T3 étant maintenus non conducteurs, la bobine M est branchée en série avec la résistance R entre les bornes de la pile 9 dans le sens qui correspond au sens de rotation normal du rotor.

D'autre part, il ressort du schéma de la figure 3 que la bobine M est court-circuitée au cas où les transistors T, et T3 ou T2 et T4 sont simultanément rendus conducteurs.

Le dispositif de déclenchement 10 comporte par exemple un oscillateur à quartz dont le résonateur a été représenté symboliquement par la référence 11. Cet oscillateur à quartz fournit des impulsions d'horloge traitées par exemple dans un circuit logique diviseur et utilisé pour déterminer les instants et les durées is del'applicationdespotentielsvoulus au point t, à ,t5, c'est-à-dire des potentiels assurant la conduction ou la non-conduction des transistors T ! à T5, conformément au programme de fonctionnement du moteur. Celui-ci sera expliqué plus en détail ci-après en relation avec la figure 4.

411 Le schéma de la figure 3 montre, en outre, un dispositif de commande extérieure 12, connecté au dispositif de déclenchement et destiné à permettre par son actionnement de faire tourner le moteur dans le sens inverse du sens de marche normal, conformément au programme de focntionnement cor-45 respondant auquel le dispositif 10 est alors commuté.

Enfin, le schéma de la figure 3 indique que les bornes de la bobine M sont reliées également directement au dispositif 10. Ce dernier comporte en effet un dispositif de détection permettant de détecter la force électromotrice induite dans la bobine, et plus particulièrement de détecter par exemple au moyen d'une bascule de SCHMITT le dépassement d'un seuil déterminé suivant le passage par zéro de la tension u après une impulsion d'entraînement. Le dispositif 10 est, dans ce cas, par exemple agencé de façon à déclencher à la suite de cette détection la conduction des transistors T[ et T3 ou T2 et T4 de façon à court-circuiter la bobine dans le but qui sera exposé plus loin.

La figure 4 illustre le fonctionnement du présent moteur par la représentation de différentes composantes du couple s'exerçant sur le rotor, d'une part en fonction de l'angle électrique Na, aétant l'angle de rotation et N le nombre de pas du rotor par tour complet, correspondant au nombre N mentionné en rapport avec les figures 1 et 2, et, d'autre part, en fonction du i,5 temps t.

En absence d'un courant dans la bobine M, le rotor est soumis à un couple magnétique, dit couple de verrouillage, dont la composante fondamentale est désignée par Cm.

620 062

4

Si la bobine est parcourue par un courant permanent I dans le sens m,, m2, le couple correspondant, exercé sur le rotor,

varie proportionnellement à I.sin (Na). Une demie période de ce couple a été représentée en pointillé dans la figure 4 et désignée par Cj (+). Pour une valeur de courant permanent plus s faible on obtient par exemple la variation du couple correspondant représentée par cjq, pour un courant — I la variation du couple correspondant est notamment représentée par Cj (—).

La composante C01 du couple de verrouillage qui varie avec la même périodicité que le couple dû à un courant permanent m est déphasée par rapport à celui-ci, de manière connue, au moyen de la disposition des pôles sur le rotor. Ce couple de verrouillage définit une position d'équilibre stable du rotor par période de Na, deux positions d'équilibre stable successives étant représentées dans le dessin et désignées par Sj et S2. Le i > point F correspond à une position d'équilibre instable du rotor.

Pour permettre à un moteur de ce type de tourner en fonction de la polarité du courant d'excitation dans un sens ou dans l'autre, on place normalement le point S! à 90°, de sorte que l'énergie des impulsions dans les deux sens est pratiquement :n la même. Toutefois, en raison des tolérances de fabrication et des variations de conditions de fonctionnement, on préfère généralement favoriser un sens de rotation en avançant le point S, par rapport à 90° , de façon à augmenter le travail engedré par l'impulsion d'entraînement pour un sens de rotation. Dans les moteurs utilisés jusqu'à présent, cela revenait à abandonner la possibilité de faire fonctionner le moteur dans le sens inverse, puisque le travail engendré par les impulsions correspondantes, compte tenu notamment des conditions de fonctionnement généralement imposées,n'est plus suffisant pour assurer une m marche correcte en sens inverse.

Dans la figure 4, le couple dû à une impulsion de courant délivrée à la bobine lorsque le rotor se trouve au départ dans la position d'équilibre stable S,, placé à Na = 80° , est représenté par Cj (+). L'impulsion d'entraînement a, par exemple, une ts durée de 3,9 msec, correspondant à la rotation du rotor jursqu'à Nos 180°.

La figure 5 montre, à titre d'illustration, la tension u de l'impulsion d'entraînement et l'angle de rotation a en fonction du temps. L'énergie cinétique conférée au rotor par l'impulsion -d'entraînement lui permet de franchir le point F jusqu'auquel CU1 est négatif et à partir duquel le couple de verrouillage agit dans le sens de la marche jusqu'à la position d'équilibre stable suivante S2. Il est donc souhaitable de ne pas amortir le mouvement par court-circuit de la bobine entre la fin de l'impulsion d'entraînement et F. Les transistors T[ à T5 sont donc non conducteurs dans cet intervalle.

Pour améliorer le fonctionnement du moteur, notamment dans les conditions de cet exemple, il s'est avéré utile de fraîner Ml le rotor en court-circuitant la bobine à l'aide du dispositif de déclenchement, par exemple à la fin d'un intervalle de temps déterminé suivant la fin de l'impulsion Cj (+). Cet intervalle est dans ce cas, déterminé par le circuit diviseur du dispositif de déchenchement et correspond à un angle de rotation légèrement ^ plus grand que celui auquel se situe le point F. Une autre solution pour la commande du freinage sera expliquée en rapport avec la figure 6.

Le rotor s'arrête ainsi dans la position correspondant au Wl point S2 avec un fort amortissement de son oscilliation autour de cette position. Il a franchi un pas dans le sens de rotation normal.

Si le dispositif de commande extérieure de rotation en sens inverse est actionné, de façon par exemple que la rotation en fl5 sens inverse doit commencer à partir de la position d'équilibre stable S2, le programme de fonctionnement du dispositif de déclenchement 10, c'est-à-dire les instants d'établissement et les durées des potentiels appliqués aux points t( à t5, se présente comme suit:

A partir de la position d'équilibre stable, une impulsion Cjp,

appelée préimpulsion, est appliquée au rotor par la conduction simultanée des transistors T5 et T4, alors que les transistors T ! à T3 sont non conducteurs. L'amplitude du courant d'excitation correspondant est limitée par la résistance R connectée en série avec la bobine M. Cette amplitude et la durée de l'impulsion définie par le dispositif de déclenchement sont choisies telles que le rotor soit accéléré et avance dans le sens de marche normal, mais que l'énergie de cette préimpulsion serait insuffisante pour lui permettre de franchir un pas dans le sens normal. Cette énergie est par contre suffisante pour assurer une rotation du rotor au moins jusque dans une zone de positions angulaires se situant autour d'une position symétrique à la position d'équilibre stable par rapport à la position où l'effet d'un courant permanent présente son maximum. Dans l'exemple illustré par la figure 4, cette zone se situe entre 460° et 480°.

A la fin de la durée de la préimpulsion, le rotor se trouvant alors dans la zone susmentionnée, une impulsion d'entraînement en sens inverse est déclenchée par le dispositif 10, c'est-à-dire les transistors T2 et T3 sont rendus simultanément conducteurs et les transistors Tl5 T4 et T5 non conducteurs. Le couple correspondant est indiqué par Q (—) dans la figure 4, l'échelle des temps s'inversant au point de départ de cette impulsion. Cette échelle indiquée dans la figure 4, est bien entendu non linéaire face à l'échelle linéaire des positions angulaires du rotor. Un exemple des durées des différentes phases susmentionnées est indiqué dans la figure 4.

La figure 6 montre la variation de la tension u aux bornes de la bobine M et l'angle de rotation a en fonction du temps à partir d'un instant qui correspond, dans cette représentation, à l'instant où la préimpulsion est donnée dans la position d'équilibre stable S2. Dans l'exemple illustré à la figure 6, l'amplitude et la durée de la préimpulsion sont telles que le rotor avance dans le sens normal jusqu'à une position où son mouvement s'inverse sous l'influence du couple pour revenir en direction de la position d'équilibré stable S2. A la fin de la durée de la préimpulsion, soit après 3,17 msec dans l'exemple choisi, une impulsion d'entraînement dans le sens inverse, par exemple d'une amplitude égale à celle de l'impulsion d'entraînement dans le sens normal et d'une durée de 3,9 msec, agit sur le rotor et lui confère une énergie cinétique suffisante pour franchir un pas en sens inverse c'est-à-dire pour arriver jusqu'à la position d'équilibre stable S^

Comme le montrent les figures 5 et 6, le rotor oscille autour de la position d'équilibre stable avant de s'y immobiliser. Ainsi que cela a déjà été mentionné plus haut, il est utile de freiner le rotor en court-circuitant la bobine M à partir d'un instant déterminé situé après la fin de l'impulsion d'entraînement. Une première solution mentionnée était de prévoir un intervalle de temps fixe défini par rapport à l'impulsion d'entraînement.

La figure 6 illustre une autre possibilité basée sur la détection de la variation de la tension u aux bornes de la bobine M après l'impulsion d'entraînement dans le sens normal ou dans le sens inverse comme dans la phase représentée à la figure 6. A cet effet, la bobine M est connectée à un dispositif de détection faisant partie du dispositif de déclenchement 10 et agencée de façon à détecter le passage par un seuil déterminé, après le passage par zéro, de la force contre-électromotrice induite dans la bobine. A ce moment, le dispositif de détection fournit un signal qui provoque, dans le dispositif de déclenchement, l'établissement de potentiels aux points tt à t5 tels que la bobine M soit court-circuitée. Le mouvement du rotor est alors fortement amorti et le rotor s'immobilise de façon optimale dans la position d'équilibre stable.

La présente invention permet ainsi d'adapter un moteur du type mentionné au début, à un fonctionnement correct dans les deux sens de marche compte tenu des tolérances de fabrication et des variations des conditions de fonctionnement du moteur,

5 620 062

tout en assurant un très bon rendement de la conversion énergie électrique en énergie mécanique et une très grande sécurité de fonctionnement telle qu'elle est exigée dans la plupart des applications d'un tel moteur.

C

3 feuilles dessins

Claims

620 062

2

REVENDICATIONS

1. Micromoteur électrique pas à pas comportant un rotor aimanté, un circuit magnétique stationnaire, une bobine d'excitation électrique couplée au circuit magnétique stationnaire et un dispositif de commande connecté à la bobine d'excitation, le circuit magnétique stationnaire présentant des parties polaires espacées définissant un entrefer et le rotor aimanté étant supporté de façon rotative dans cet entrefer de manière que ses pôles coopèrent avec les parties polaires du circuit magnétique stationnaire, l'aimantation du rotor et la forme des pièces polaires étant telles que le rotor possède au moins une position d'équilibre stable placée de façon à précéder, par rapport à un premier sens de rotation, la position dans laquelle le couple dû à un courant permanent dans la bobine atteindrait son maximum, et le dispositif de commande comportant des moyens pour fournir à la bobine d'excitation, à partir de chaque position d'équilibre stable du rotor, une impulsion d'entraînement d'une première polarité, d'une amplitude et d'une durée telles que le rotor avance dans ledit premier sens de rotation jusqu'à la prochaine position d'équilibre stable, caractérisé en ce que le dispositif de commande comporte des moyens pour fournir à la bobine d'excitation, sur une commande extérieure, à partir de chaque position d'équilibre stable, d'abord une préimpulsion de ladite première polarité, d'une amplitude et d'une durée telles que le rotor avance dans le premier sens de rotation mais ne pourrait pas atteindre la prochaine position d'équilibre stable dans ce sens de rotation, puis une impulsion d'entraînement dans le sens inverse, de la polarité opposée à ladite première polarité et d'une amplitude et d'une durée telles que le rotor, après avoir renversé son sens de rotation, tourne dans le sens de rotation inverse jusqu'à la position d'équilibre stable suivant celle à laquelle ladite préimpulsion a été délivrée.
2. Micromoteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif de commande comporte des moyens pour délivrer ladite impulsion d'entraînement dans le sens inverse à un instant où le rotor a avancé sous l'effet de la préimpulsion jusqu'à une position approximativement symétrique à la position d'équilibre stable par rapport à la position dans laquelle le couple dû à un courant permanent atteindrait son maximum.
3. Micromoteur selon la revendication 1, dans lequel le dispositif de commande comprend une source de courant continu, une source de signaux d'horloge et des dispositifs interrupteurs électroniques connectés à la bobine d'excitation et à laditë source de courant et commandés en fonction des signaux d'horloge de façon à brancher la bobine d'excitation à des instants et pour des durées déterminées à la source de courant continu, caractérisé en ce que le dispositif de commande comporte en outre des moyens de commande extérieurs pour la rotation dans le sens inverse dudit premier sens de rotation, ces moyens étant agencés pour commander, en fonction des signaux d'horloge, un dispositif interrupteur électronique additionnel agencé de façon à appliquer à la bobine d'excitation la préimpulsion d'amplitude et de durée déterminées.
4. Micromoteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif de commande comporte des moyens pour court-circuiter la bobine d'excitation après un intervalle de temps déterminé, consécutif à chaque impulsion d'entraînement.
5. Micromoteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif de commande comporte des moyens pour court-circuiter la bobine d'excitation après chaque impulsion d'entraînement sous la commande d'un circuit de détection connecté à la bobine d'excitation pour détecter la force électromotrice induite par le rotor aimanté dans cette bobine.
6. Micromoteur selon la revendication 5, caractérisé en ce que le circuit de détection est agencé pour détecter le dépassement d'un seuil déterminé se présentant après un premier passage par zéro de ladite force électromotrice.