EP0140089B1

EP0140089B1 - Procédé d'alimentation d'un moteur pas à pas

Info

Publication number: EP0140089B1
Application number: EP84110852A
Authority: EP
Inventors: Mohamed Mokdad; Mai Tu Xuan
Original assignee: Omega SA
Current assignee: Omega SA
Priority date: 1983-09-16
Filing date: 1984-09-12
Publication date: 1988-11-17
Also published as: JPH038712B2; CH653206GA3; EP0140089A1; JPS6088385A; US4590412A; DE3475236D1

Description

La présente invention est relative à un procédé d'alimentation d'un moteur pas à pas, notamment pour pièce d'horlogerie, procédé dans lequel on compare, pendant la durée de chaque impulsion de commande la quantité d'énergie E_i(t) fournie au moteur à une quantité d'énergie prédéterminée E;_o, puis on interrompt l'impulsion de commande dès que lesdites quantités d'énergie sont égales.
Dans les pièces d'horlogerie électroniques que l'on trouve aujourd'hui sur le marché, il est d'usage courant de trouver un moteur pas à pas pour convertir les impulsions électriques issues d'une base de temps à quartz en mouvement mécanique pour afficher l'heure. Le système est alimenté par une source d'énergie, généralement une pile de petites dimensions qu'il faudra remplacer périodiquement. Pour économiser l'énergie livrée par la pile et donc la faire durer le plus longtemps possible, on a déjà proposé des systèmes de réglage qui asservissent la durée de l'impulsion qui meut le moteur à la charge qu'il doit entraîner; en d'autres termes, on allonge l'impulsion si la charge augmente et on la réduit si cette même charge diminue. De tels systèmes sont décrits par exemple dans les documents US 4 323 834 et US 4 346 463.
On doit pourtant distinguer plusieurs sortes de charges agissant sur le rotor du moteur. Comme on veut une position angulaire bien déterminée du rotor entre les pas, il sera nécessaire d'exercer sur lui un couple de positionnement au repos qu'il faudra vaincre chaque fois qu'on voudra le faire progresser d'un pas. Le rotor aura également à vaincre les divers couples de frottement qui existent dans les paliers. Enfin le rotor aura à fournir un couple utile pour entraîner le mécanisme d'affichage de l'heure. L'énergie à fournir au moteur pour vaincre ces différents couples est généralement bien déterminée pour un type de montre donnée qui, lorsqu'elle marche normalement, consomme une énergie relativement constante. Toutefois, si la montre possède un calendrier, on comprendra qu'une fois par vingt-quatre heures le couple utile à fournir devra être plus important au changement de date. C'est alors que peut intervenir l'asservissement dont il a été question à l'alinéa ci-dessus et à condition bien sûr que la montre soit pourvue d'un tel système.
Les systèmes d'asservissement réagissant à la charge imposée au rotor supposent généralement que le moteur est alimenté à tension constante et ne tiennent donc pas compte des écarts entre la tension délivrée par la pile au début puis à la fin de sa durée de vie. A première vue, cette simplification pourrait paraître légitime pour une pile à l'argent dont les tensions de début et de fin de vie sont respectivement de l'ordre de 1,6 et 1,4 volts. Cependant, comme on le verra, l'écart indiqué conduit déjà à une surconsommation du système si des mesures ne sont pas prises pour asservir la longueur de l'impulsion motrice à la tension délivrée par la source d'alimentation de même que la résistance présentée par ladite source. Il est évident, d'autre part, que si cet écart augmente encore, comme c'est le cas par exemple dans les piles au lithium où les limites de fonctionnement peuvent être fixées entre 2,4 et 3,6 volts, la consommation en pure perte sera encore plus importante.
On a cité dans le rapport de recherche le document EP-A-0 057 663 (correspondant à US-A-4439717). Il s'agit d'un dispositif de commande pour moteur pas à pas dans lequel on compare l'énergie fournie au moteur à une énergie prédéterminée, puis on coupe l'impulsion de commande quand lesdites énergies sont égales. Ce dispositif évite l'inconvénient que présentent les dispositifs connus et qui tient au fait que si la tension de la source d'alimentation varie, la puissance fournie au moteur varie également comme on l'a indiqué à l'alinéa ci-dessus. Pour pallier cet inconvénient, le document cité propose des moyens qui consistent, d'une part, à alimenter le moteur en maintenant constant le courant dans la bobine dudit moteur et, d'autre part, à analyser le signal en tension présent sur la bobine puis à fournir une information sur la tension induite provoquée par le mouvement du rotor. La démarche proposée par la présente invention est totalement différente puisqu'elle ne fait pas appel à la tension induite pas plus qu'elle ne nécessite de maintenir constant le courant dans la bobine. On le verra plus bas, le procédé choisi ici se contente de mesurer la tension d'alimentation aux bornes du moteur et le courant qui circule dans sa bobine, d'intégrer le produit des deux mesures par rapport au temps puis de couper l'alimentation quand l'énergie ainsi mesurée est égale à une quantité d'énergie prédéterminée.
C'est le but de la présente invention d'adapter automatiquement la longueur d'impulsion de commande à la tension et à la résistance de la source d'alimentation par les moyens qui apparaissent dans la revendication.
L'invention sera mieux comprise maintenant à la lumière de la description qui suit et pour l'intelligence de laquelle on se référera, à titre d'exemple, au dessin dans lequel:

La figure 1 est un graphique illustrant le principe d'alimentation du moteur pas à pas selon l'invention.
La figure 2 est un graphique qui montre plus en détail comment varie la longueur d'impulsion d'alimentation du moteur quand la tension d'alimentation et la résistance de la source d'alimentation changent si l'on met à profit le procédé selon l'invention.
La figure 3 est un schéma bloc du circuit électronique de commande pour mettre en oeuvre le procédé selon l'invention.
La figure 4 est un exemple de réalisation possible du circuit électronique de principe donné en figure 3.

D'une manière générale, les courants et les tensions intervenant dans le fonctionnement du moteur sont donnés par l'équation électrique suivante:
dans laquelle:

U_o = tension aux bornes du moteur;
U; = tension induite de mouvement;
L = self de la bobine du moteur;
R = résistance de la bobine du moteur;
I = courant dans la bobine du moteur.

En multipliant l'équation [1] par le terme 1(t)dt et en intégrant par rapport au temps t, on obtient:

_o∫^tU_ol(t)dt _{= o}∫^tRI²(t)dt + _o∫^tLI(t)dl + _o∫^tU_iI(t)dt [2]

Dans cette équation:

_o∫^tU_oI(t)dt = Et = énergie totale fournie au système;
_o∫^tRI²(t)dt = E_th= énergie dissipée par effet Joule;
_o∫^tLI(t)dl = Es = énergie emmagasinée par la self;
_o∫^tU_iI(t)dt = E_m= énergie mécanique fournie par le moteur.

On désire fournir au moteur une énergie mécanique constante. Etant donné que E_s est généralement plus petite que E_m et pratiquement constante, le fait d'imposer E_m = constante revient à dire que E_m + E_s = constante. La somme E_m + E_s est définie dans le cas présent comme représentant l'énergie interne E; fournie au moteur. On peut donc écrire que:
ce qui signifie que l'énergie interne à fournir au moteur est égale à l'énergie totale fournie par le système (Et) moins l'énergie dissipée par effet Joule (Eth).
De l'équation [3] ci-dessus, on conclut qu'il existe une valeur E_i(t) pour laquelle on est assuré que le rotor fera son pas, cette valeur dépendant de la combinaison d'une certaine tension U_o aux bornes du moteur, d'un certain courant I circulant dans la bobine et ceci pendant un certain temps déterminé T_i. Soit E_io cette valeur qui s'exprime alors par l'équation:
Cette quantité d'énergie E_io peut être déterminée pour chaque calibre de montre auquel on a affaire et elle jouera le rôle de seuil pour limiter la durée de l'impulsion motrice envoyée au moteur. En d'autres termes, lorsque l'énergie interne E_i(t) fournie au moteur atteint la valeur de seuil E_io on coupe l'énergie. On aura ainsi envoyé au moteur une énergie juste suffisante pour que son rotor franchisse le pas en évitant une surconsommation inutile.
Le procédé qui vient d'être indiqué est illustré par le graphique de la figure 1. On a porté en abscisse le temps d'intégration t en secondes et, en ordonnée, l'énergie E_i(t) en microjoules ainsi qu'une valeur d'énergie E_io pour laquelle on est assuré que le rotor franchira son pas. Quand la valeur E_i(t) atteint la valeur de seuil E_io, on coupe l'impulsion ce qui donne une durée T; pour cette impulsion. La figure 1 montre aussi la variation de courant 1 dans la bobine du moteur. On a dessiné sur l'axe des temps une valeur t = T; max. Il peut arriver en effet, pour des cas de charge anormalement élevés, que l'énergie E_i(t) ne puisse jamais atteindre le seuil E_io. Il est alors préférable de limiter dans le temps la durée de l'impulsion de commande, durée qu'on choisira élevée, par exemple 10 ms.
Si l'on se réfère à nouveau à l'équation [4], on se rend compte que si la tension U_o aux bornes du moteur diminue (vieillissement de la pile) il faudra intégrer sur un temps T; plus long pour atteindre la valeur de seuil E_io, ce qui correspond à un allongement de l'impulsion motrice. De même, on constate qu'une augmentation de la résistance interne R_i de la pile occasionne une baisse de U_o et entraîne une augmentation de la durée d'impulsion T_i. Ainsi le procédé selon l'invention amène à un réglage continu de la longueur d'impulsion en fonction des variations de U_o et en conséquence de R_i.
La figure 2 montre un exemple de simulation de la réaction de cet asservissement lors d'une variation de la tension aux bornes du moteur ou lors d'une variation de la résistance interne de la pile d'alimentation. Dans cet exemple, on a supposé que l'énergie minimum nécessaire E_io à entraîner le rotor était de 1 µJ. On retrouve dans ce graphique les mêmes coordonnées que celles adoptées pour la figure 1.
Les courbes de courant I et d'énergie E_i référencées en 1 présentent un état dans lequel le moteur se trouve alimenté par une tension U_o valant 1,7 V (pile neuve). La longueur d'impulsion de commande est courte, soit environ 4,8 ms. L'état référencé 2 est celui pour lequel la pile se trouve à un niveau de décharge pour lequel la tension U_o vaut 1,5 V. La coïncidence de E; et de E_io n'intervient que lorsque la durée de l'impulsion atteint 6,2 ms. Enfin l'état 3 est relevé pour une tension U_o = 1,5V et pour une valeur de résistance R_i qui a passé de 100 Ω qu'elle avait pour les états 1 et 2 à 500 Ω. A ce moment, l'impulsion de commande a une durée de 6,8 ms.
En conclusion de ce qui précède et selon la présente invention, on voit qu'on fournit au moteur une quantité d'énergie prédéterminée d'où il résultera une adaptation automatique de la longueur d'impulsion de commande T; à la tension U_o et à la résistance R_i de la source d'alimentation.
On va indiquer maintenant un moyen pour mettre en oeuvre le procédé selon l'invention.
Il s'agit en fait de mesurer l'énergie interne E_i(t) fournie au moteur, de comparer cette énergie interne à une quantité d'énergie prédéterminée E_io pour laquelle on est assuré que le moteur fera son pas dans tous les cas de charges normales qui peuvent se présenter et de couper l'alimentation du moteur dès que E_i(t) = E_io. La valeur de l'énergie interne E_i(t) est connue de l'équation [3] d'où il résulte que:
On mesurera donc la valeur Uo-RI et la valeur du courant I(t) circulant dans la bobine. On fera le produit de ces deux valeurs qu'on intégrera par rapport au temps t.
Le schéma bloc de la figure 3 permet de réaliser toutes les opérations mentionnées ci-dessus. Le bloc de commande proprement dit 4 reçoit à son entrée les impulsions de commande (timing) de durée T; max et dont il s'agira de régler la largeur, la tension d'alimentation U_o, la quantité d'énergie prédéterminée E_io et l'énergie fournie au moteur E;(t). Cette commande 4 satisfait aux conditions de fonctionnement suivantes: couper l'impulsion si E_i(t) devient plus grand que E_io ou la maintenir jusqu'à une valeur préalablement définie T; max au cas où E_i(t) reste toujours inférieur à E_io. Le circuit 5 est un bloc capteur qui permet de lire la valeur du courant I(t) dans la bobine du moteur 8 et la valeur de la tension U_o à ses bornes et de faire la différence U_o-RI. Le circuit 6 est un multiplicateur qui réalise l'opération [5] citée ci-dessus. Enfin, le circuit 7 est un intégrateur qui intègre dans l'espace temps le produit (U_o―RI)I(t) d'où il résulte la valeur de l'énergie interne E_i(t).
Le schéma bloc de la figure 3 est un schéma de principe permettant la réalisation des opérations nécessaires à mettre en oeuvre le procédé selon l'invention. En pratique, il existe plusieurs façons de le réaliser et le schéma de la figure 4 décrit un mode de réalisation possible qui va être expliqué maintenant.
Le moteur M est alimenté à ses bornes par la tension U_o. Les impulsions de polarité alternées sont acheminées au moteur par un pont de transistors 31, 32, 33 et 34. Lorsque les transistors 31 et 32 sont conducteurs, le courant circule dans le sens de la flèche 35 alors qu'il circule dans le sens de la flèche 36 lorsque ce sont les transistors 33 et 34 qui conduisent. Entre la ligne 37 et la masse est intercalé un amplificateur opérationnel 38 à la sortie 42 duquel apparaît une tension proportionnelle au produit de la résistance R de la bobine et du courant 1 circulant dans cette bobine. Un second amplificateur opérationnel 39 combine par l'intermédiaire de trois résistances r d'égales valeurs la tension U_o et la tension R · pour fournir à sa sortie 40 une tension U_o-RI. Les tensions formées sur les lignes 40 et 42 sont envoyées respectivement aux entrées X et Y d'un multiplicateur 43 qui, à sa sortie 44, livre une tension U proportionnelle à (U_o―RI)I(t) à un facteur d'échelle près. Cette tension U attaque à son tour un circuit intégrateur composé de l'amplificateur opérationnel 45 auquel est appliqué un réseau formé par la résistance RM et le condensateur C. On trouve alors à la sortie de l'intégrateur, sur la ligne 46, une tension proportionnelle à la valeur de l'énergie interne E_i(t). Il faut noter aussi qu'un transistor 47 est connecté en parallèle sur le condensateur C, ce qui permet de court-circuiter ledit condensateur dès que l'impulsion de commande a cessé (remise à zéro de l'intégrateur). La commande du transistor 47 est donc liée par la ligne 48 au flanc descendant de l'impulsion de commande.
La figure 4 montre encore deux flip-flops du type D, 49 et 50 qui reçoivent chacun sur leur entrée d'horloge CP les impulsions de commande (timing) en provenant du diviseur de fréquence (non représenté) dont est équipée la montre. Ces flip-flops basculent sur le flanc montant de l'impulsion et attaquent par leurs sorties Q et Q deux portes NOR 51 et 52 et deux inverseurs 53 et 54 pour fournir finalement les signaux A, B, C et D qui commandent les transistors 31, 33, 34 et 32 respectivement. On trouve à la sortie Q du flip-flop 49 l'impulsion de commande 55 qui commence avec le flanc montant (timing) et qui se termine dès que l'entrée reset du même flip-flop est actionnée. Sur la sortie Q du même flip-flop, on trouvera la même impulsion 55 mais inversée. Le flip-flop 50, quant à lui, a pour but d'assurer la polarité alternée des impulsions de commande.
L'entrée reset du flip-flop 49 reçoit par la ligne 60 et via une porte OU 56 le signal issu d'un comparateur 57. Les entrées + et-de ce comparateur reçoivent respectivement les signaux E_i(t) dont il a été question plus haut et E_io qui est une quantité d'énergie prédéterminée fixée une fois pour toute et qui dépend du type de montre à régler. E_io se présente pratiquement sous la forme d'une tension stabilisée. Au moment où E_I(t) = E_io, et selon l'invention, le comparateur 57 fournit un signal 1 qui au travers de la porte OU 56 remet à zéro le flip-flop 49 et interrompt ainsi l'impulsion moteur 55 (flanc descendant T;).
Il peut cependant se présenter des situations où E_i(t) n'atteint jamais E_io, par exemple lorsqu'un couple extraordinairement élevé est appliqué au moteur. Dans ce cas, on comprendra qu'il est nécessaire de limiter dans le temps la durée de l'impulsion motrice. Dans le schéma de la figure 4, les impulsions de commande (timing) apparaissant aux entrées CP des flip-flops 49 et 50 sont limitées dans leur durée à une longueur T_i max. S'il n'apparaît aucun signal à la sortie du comparateur 57, c'est le flanc descendant de l'impulsion de commande qui, au temps T; max, provoquera, via l'inverseur 58 et la porte 56, un signal de remise à zéro du flip-flop 49, entraînant l'interruption de l'impulsion de commande à la sortie Q du même flip-flop.
Le circuit de la figure 4 est réalisé au moyen d'éléments logiques classiques en ce qui concerne les portes 51, 52, 53, 54, 56 et 58 et les flip-flops 49 et 50. Le multiplicateur 43 peut être du type AD 534 du fabricant Analog Devices. On pourra choisir comme amplificateurs opérationnels 38, 39 et 45 ceux portant la référence LF 355 N du fabricant National Semiconductor. Le comparateur 57 pourra être du type LM 311 du même fabricant National Semiconductor.
On fera remarquer pour terminer que le procédé qui vient d'être décrit ne réagit pas à la variation de charge qui peut se présenter sur l'arbre du moteur. Il est par conséquent nécessaire de choisir une valeur E_io qui soit suffisamment élevée pour que le moteur soit capable de faire son pas en toute circonstance. Ainsi, si l'asservissement de la longueur d'impulsion à l'énergie interne du moteur présente les avantages qui ont été décrits ici, on comprendra cependant que cet asservissement ne suffira pas si le moteur rate son pas en raison d'une forte surcharge passa- gère ou encore perd un pas à la suite d'un choc. Il peut donc être indiqué de combiner le système d'asservissement selon l'invention avec un système qui détecte les pas ratés et qui rattrape le retard accumulé comme cela est décrit par exemple dans la demande de brevet EP 0 022 270.

Claims

1. Procédé d'alimentation d'un moteur pas à pas notamment pour pièce d'horlogerie, dans lequel

-on détermine une quantité d'énergie prédéterminée E_io à fournir au moteur pour laquelle on est assuré qu'il franchira son pas dans tous les cas de charges normales qui peuvent se présenter,

- on fournit des impulsions de commande au moteur,

- on mesure la tension U_o aux bornes de la bobine du moteur ainsi que le courant I(t) qui circule dans ladite bobine pendant chacune desdites impulsions de commande,

- on forme la différence U_o―RI, la valeur R représentant la résistance de la bobine,

- on forme le produit (U_o―RI)I(t),

- on intègre ledit produit par rapport au temps t, la valeur de cette intégrale représentant l'énergie E_i(t) fournie au moteur et les limites de ladite intégrale étant prises entre un premier temps correspondant au début de l'impulsion de commande et un second temps correspondant à la fin de ladite impulsion de commande,

- on compare la valeur de l'énergie E_i(t) à l'énergie prédéterminée E_io, et

- on interrompt l'impulsion de commande dès que E_i(t) = E_io, procédé caractérisé par le fait que les impulsions de commande alimentant le moteur sont limitées quant à leur durée à une période prédéterminée T; max de telle façon que si l'énergie E_i(t) fournie au moteur n'est pas suffisante pour atteindre l'énergie prédéterminée E_io, l'alimentation du moteur est interrompue après ladite période prédéterminée T; max et qu'on vient ensuite détecter les pas ratés pour rattraper les retards accumulés.