CH631813A5 - Moteur a courant continu avec dispositif de mesure tachymetrique. - Google Patents

Description

La présente invention se rapporte au domaine des moteurs électriques à courant continu équipés de dispositifs d'asservissement de position.

Ces dispositifs font appel, pour l'alimentation électrique de tels moteurs, à un amplificateur de puissance commandé par un signal d'entrée, auquel le signal d'asservissement nécessaire est appliqué en parallèle, à partir d'un capteur sensible à la position de la partie tournante du moteur.

Pour augmenter la précision sur la position, on met, de plus, fréquemment en œuvre un dispositif supplémentaire tenant compte de la vitesse du déplacement, conduisant à un dispositif d'asservissement de position à correction tachymétrique. L'élément supplémentaire de création d'un signal électrique lié à la vitesse est le plus souvent constitué par une machine tournante désignée sous le nom de dynamo tachymétrique.

Un tel dispositif d'asservissement amélioré présente l'inconvénient de nécessiter des organes mécaniques coûteux et encombrants fixés sur l'arbre moteur, et qui de plus perturbent son fonctionnement dynamique. Enfin les caractéristiques des dynamos ou génératrices tachymétriques dépendent de la température ambiante, ce qui nuit à la stabilité des asservissements obtenus. C'est pourquoi, en particulier lorsque les moteurs sont du type dit à «débattement angulaire limité», on préfère souvent, au lieu de faire appel à une génératrice séparée pour créer un signal proportionnel à la vitesse de rotation du moteur, mettre en œuvre un signal électrique existant dans tous les moteurs à 5 courant continu, à savoir une tension apparaissant aux bornes du moteur par l'effet direct de sa rotation, et proportionnelle à la vitesse de rotation de celui-ci. Cette tension sera dans toute la suite, par simplification, désignée sous le nom de tension tachymétrique du rotor.

io Bien que cette tension puisse être exploitée de diverses manières pour créer un signal d'asservissement, elle est, selon une solution connue, utilisée en opposition avec d'autres tensions, dans un circuit en pont dont le moteur à asservir occupe une des branches. Le pont étant équilibré à l'arrêt du moteur, la rotation 15 de ce dernier fait apparaître ime tension tachymétrique du rotor qui déséquilibre le pont, et fait naître aux bornes d'une de ses diagonales, le signal de correction tachymétrique nécessaire.

Cependant, un des problèmes de fonctionnement optimal du dispositif est lié à sa sensibilité aux variations de température. 20 Pour que ce fonctionnement reste correct dans un domaine étendu de températures, il est nécessaire qu'au moins ceux des éléments du pont dont dépend l'équilibre de celui-ci aient leurs caractéristiques qui varient suivant la même loi en fonction de la température. C'est une caractéristique principale de l'invention 2s que l'apporter ime solution à ce problème, par un mode de réalisation avantageux de la résistance du pont électrique qui est associé au moteur à asservir.

Plus précisément la présente invention se rapporte à un moteur à courant continu muni d'un stator et d'un rotor et équipé 30 d'un dispositif de mesure tachymétrique, constitué par un circuit en pont d'impédances à deux branches, le moteur étant inséré dans une branche, et à deux diagonales, l'énergie électrique d'alimentation du moteur étant appliquée aux extrémités de l'une, et le signal électrique lié à la vitesse étant disponible aux 35 extrémités de l'autre, caractérisé en ce que, dans la branche du moteur, l'impédance qui liu est associée dans le pont est constituée, au moins partiellement, par un enroulement en contact thermique avec le moteur.

L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description ci-40 après, en s'appuyant sur les figures annexées, où:

- la figure 1 représente suivant un diagramme schématique, un dispositif d'asservissement en position et en vitesse selon l'art connu, comportant une génératrice tachymétrique;

- les figures 2 et 3 représentent, suivant des diagrammes

45 schématiques, des dispositifs d'asservissement à circuit en pont, de type connu;

- les figures 4,5 et 6 représentent trois modes de réalisation, selon l'invention, d'une résistance pour un circuit en pont.

La figure 1 représente, suivant un diagramme schématique, 50 l'ensemble d'un dispositif d'aservissement de position de type connu, pour un moteur à courant continu. Ce moteur est habituellement du type dit «à débattement angulaire limité» ; dans un tel cas, le rotor tourne entre deux limites angulaires données, ce qui dispense d'alimenter ses enroulements par un dispositif 55 du type collecteur-balais. Dans ce dispositif, le moteur M est alimenté par un amplificateur A à l'entrée duquel est appliqué un signal de commande, correspondant à la position désirée du rotor. Sur l'axe de rotation du moteur est fixé un capteur de position angulaire C créant un signal de position, appliqué en 2 à 60 l'entrée de l'amplificateur A.

Le moteur tourne jusqu'à ce que les deux signaux appliquées aux bornes 1 et 2 soient égaux en grandeur, et de signes opposés. L'asservissement en position est bien obtenu, mais, comme déjà indiqué plus haut, l'inertie des pièces en mouve-65 ment risque d'introduire une certaine instabilité dans la position ainsi obtenue ; habituellement, on fixe alors sur l'axe du moteur une génératrice tachymétrique G délivrant à la borne 3 un signal proportionnel à la vitesse de rotation de celui-ci. Dans les

3

631813

mêmes conditions que pour le signal de position, le signal tachymétrique est appliqué simultanément avec le signal asservi en position provenant du capteur C, à l'entrée de l'amplificateur A alimentant le moteur. Un élément d'ajustement de la phase CP y est habituellement inséré. Ainsi est obtenu simultanément un asservissement de position du rotor, et une correction tachymétrique sur l'erreur due au retard en vitesse. Cependant, comme déjà expliqué plus haut, c'est une solution compliquée, encombrante et coûteuse, et de plus, les caractéristiques des génératrices tachymétriques dépendent largement de la température ambiante.

La figure 2 représente, selon un diagramme schématique, le dispositif d'asservissement de position à circuit en pont, le pont comportant 4 brins groupés en deux branches.

La génératrice G de la figure 1 y est remplacée par le circuit G'. Le moteur M, de résistance Rm, est inséré dans un des brins PX d'une des branches du pont, l'autre brin de cette branche XQ comportant un élément résistif Ra ; l'autre branche du pont comprend, dans le brin PY une résistance RI et dans son autre brin une résistance R2. Il est alors connu que, suivant les lois générales qui régissent les circuits en pont, le pont est «à l'équilibre» si des relations simples ci-après sont satisfaites:

RI Rm R2~ ~ "Ra"

Dans ce cas, une tension électrique étant appliquée aux bornes de la diagonale PQ du pont, aucune tension n'est recueillie aux bornes de l'autre diagonale XY.

Lorsque le moteur M rentre en rotation, une tension électrique proportionnelle à la vitesse y prend naissance, et cette tension «tachymétrique» déséquilibre le pont; aux bornes XY apparaît alors une tension qui est appliquée aux bornes d'un amplificateur différentiel D 16, à la sortie duquel un signal électrique est disponible, représentant le signal de correction de vitesse applicable, à travers l'élément correcteur de phase CP, à la borene 3 du circuit de la figure 1.

Sur la figure 2, il a été ajouté, en série avec la résistance Ra, une auto-inductance La, dont le rôle est de compenser dans l'équilibre du pont l'auto-inductance Lm du moteur.

La figure 3 représente une variante de réalisation du dispositif d'asservissement de la figure 2. Selon cette variante on élimine du circuit en pont l'inductance La qui assurait la compensation de la force contre-électromotrice induite par la variation du courant dans l'inductance Lm du moteur, et dont le rôle était d'assurer l'égalité

La _ Lm Ra Rm

Cette solution est en effet d'une mise en œuvre délicate car elle nécessite une bonne connaissance de l'inductance Lm et la construction d'un ensemble de composants Ra La adapté à chaque moteur.

Suivant la variante de la figure 3, on élimine par un filtre Z le signal indésirable Lm .

La fréquence de coupure de ce filtre, de type «passe-bas», doit être égale ou supérieure à la fréquence correspondant à la vitesse angulaire amximale du moteur lors du fonctionnement de l'asservissement de position, elle doit être d'autre part inférieure à la fréquence correspondant à la fréquence de coupure de l'amplificateur de commande, double condition aisée à satisfaire, car cette dernière fréquence est beaucoup plus élevée. Dans ces conditions, il est à remarquer que le circuit en pont ne comporte plus, en plus du moteur lui-même, que trois composants purement résistifs peu onéreux.

La figure 4 représente un mode de réalisation, caractéristique du dispositif de mesure tachymétrique, de la résistance du circuit en pont associée au moteur dans l'une des branches de ce pont.

En effet, le maintien de l'équilibre d'un pont en fonction de la temérature exige que tous les éléments homologues voient 5 leur valeur varier suivant des rapports de même ordre de grandeur. Il en résulte que la résistance Rm du moteur étant essentiellement variable avec la température, la résistance Ra du pont qui lui est associée, doit présenter des variations proportionnelles, ce qui conduit à maintenir celle-ci à la même température 20 que le moteur.

Une solution avantageuse, assurant le meilleur contact thermique, consiste à fixer directement cette résistance sur celui-ci.

Il est, de plus, particulièrement indiqué, pour obtenir une même loi de variation thermique de résistivité, de la réaliser 15 dans le même matériau que les enroulements du moteur, c'est-à-dire habituellement le cuivre. La résistance réalisée affecte alors la forme d'un enroulement de fil de cuivre, directement bobiné sur le corps du moteur. Mais une telle forme peut entraîner alors l'apparition de plusieurs phénomènes néfastes. 20 Le premier est lié à la proximité même du moteur, qui rayonne un champ magnétique alternatif extérieur, champ parasite dû à la fois aux bobinages du stator tels que T, et à l'aimant D du rotor. Les lignes de force telles que H en sont orientées parallèlement au tore magnétique T que constitue le stator. 25 La figure 4 représente un mode de réalisation ne comportant pas ce phénomène néfaste.

Pour cela, la résistance est réalisée sous la forme d'un enroulement directement bobiné sur le corps cylindrique T du moteur, 30 mais avec la direction de chaque spire, comme représenté sur la figure 4, parallèle à celle des lignes de force du champ magnétique extérieur dans lequel elle est plongée.

Avec une telle orientation relative, aucune tension ne peut être induite par le moteur dans l'enroulement. Il est cependant à 35 remarquer que l'enroulement ainsi réalisé sur un noyau ferromagnétique, présente une certaine auto-inductance.

On fait appel à l'auto-inductance ainsi obtenue, dont la valeur peut être choisie indépendamment de la résistance, pour constituer l'auto-inductance La nécessaire à la réalisation du 40 circuit en pont d'impédances décrit sur la figure 2.

La figure 5 représente une variante de réalisation de la résistance, lorsque, soit la fréquence maximale du champ magnétique alternatif, soit la résistance à obtenir dépasse une certaine valeur. Dans ce cas en effet, l'auto-inductance L de I'enroule-45 ment consistuant la résistance, ce valeur d'ailleurs notable par suite de la présence du noyau ferro-magnétique, peut déterminer, pour les fréquences élevées, une impédance parasite de valeur suffisante pour perturber et même rendre difficile l'équilibrage du pont. Dans ce cas, comme représenté sur la figure 5, 50 le bobinage est constitué par un ensemble de deux enroulements 50 et 51 connectés en série, avec leur sens d'enroulement respectivement de signe inverse, conduisant le bobinage total à une inductance nulle.

La figure 6 représente une variante de réalisation particuliè-55 rement avantageuse du bobinage de la figure 5. Cette variante fait appel au procédé de bobinage souvent désigné sous le nom de bobinage «avec deux fils en main». La réalisation 52 en est effectuée simultanément avec deux fils isolés, reliés ensemble à une de leurs extrémités, les deux autres extrémités étant connec-60 tées aux bornes d'entrée et de sortie du bobinage. Le flux magnétique traversant une spire donnée est effectivement compensé par celui qui traverse la spire complémentaire adjacente de sens inverse. Il est à remarquer que, dans le cas où la résistance est réalisée selon ce procédé à deux enroulements de sens 65 inverse, l'influence des champs magnétiques rayonnés par le moteur conduit à de tensions induites en opposition dans les deux enroulements; l'exigence sur le parallélisme entre les spires et les lignes de force des champs magnétiques parasites est

631813

4

alors dans ce cas moins sévère, et aboutit à une réalisation industrielle plus facile.

Le dispositif de mesure tachymétrique selon l'invention conduit ainsi, à titre de produit industriel particulier, à un moteur électrique comportant un enroulement fixé sur lui, et directement réalisé lors de la fabrication, procurant les facilités d'adaptation et de réglages précis, géométriquement et électriquement, de ce enroulement sur le moteur, sans nécessité de travail ultérieur lors de son incorporation dans le dispositif d'asservissement.

Bien que la description de l'invention ait été faite pour un moteur à débattement angulaire limité, le champ d'application 5 de celle-ci s'étend, avec les éventuelles modifications nécessaires connues de l'homme de l'art, à tous les moteurs à courant continu dont les caractéristiques autorisent leur commande par un amplificateur asservi.

C

2 feuilles dessins

Claims (9)

631813

1. Moteur à courant continu muni d'un stator et d'un rotor et équipé d'un dispositif de mesure tachymétrique, constitué par un circuit en pont d'impédances à deux branches (PXQ) et (PYQ), le moteur étant inséré dans une branche, et à deux diagonales, l'énergie électrique d'alimentation du moteur étant appliquée aux extrémités (PQ) de l'ime, et le signal électrique lié à la vitesse étant disponible aux extrémités (XY) de l'autre, caractérisé en ce que, dans la branche (PXQ) du moteur, l'impédance qui lui est associée dans le pont est constituée, au moins partiellement, par un enroulement en contact thermique avec le moteur.

2. Moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit enroulement est non inductif, constitué par un bobinage en deux moitiés disposées côte à côte, de sens de bobinages inverses, et connectées en série.

2

REVENDICATIONS

3. Moteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdites moitiés de l'enroulement sont imbriquées, les spires respectives de chacune d'elle étant respectivement disposées deux à deux, côte à côte, dans la disposition dite à deux fils en main.

4. Moteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit enroulement est constitué par un bobinage dont le plan de chaque spire est confondu avec le plan contenant les lignes de force du champ magnétique du moteur régnant au voisinage de ladite spire.

5. Moteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit enroulement est directement bobiné sur le stator du moteur.

6. Moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit enroulement est doté d'une auto-inductance de valeur prédétermine.

7. Moteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit enroulement est réalisé dans le même matériau que les parties électriquement conductrices du moteur.

8. Moteur selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que la diagonale de mesure de la vitesse alimente un amplificateur différentiel (D16) dont la sortie est appliquée à travers un circuit correcteur de phase (Cp) à un filtre (2) qui élimine la composante indésirable due à l'inductance du moteur.

9. Moteur selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il est à débattement angulaire limité et à bobinage statorique toroïdal.