EP1446520B1 - Procede de pilotage d'un moteur electrique integre dans un dispositif de bobinage de fil - Google Patents

Procede de pilotage d'un moteur electrique integre dans un dispositif de bobinage de fil Download PDF

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EP1446520B1
EP1446520B1 EP02801931A EP02801931A EP1446520B1 EP 1446520 B1 EP1446520 B1 EP 1446520B1 EP 02801931 A EP02801931 A EP 02801931A EP 02801931 A EP02801931 A EP 02801931A EP 1446520 B1 EP1446520 B1 EP 1446520B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
values
motor
voltage
moving part
current system
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP02801931A
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German (de)
English (en)
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EP1446520A1 (fr
Inventor
Phillppe Flechon
Cédric MILORD
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Maschinenfabrik Rieter AG
Original Assignee
Maschinenfabrik Rieter AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Maschinenfabrik Rieter AG filed Critical Maschinenfabrik Rieter AG
Publication of EP1446520A1 publication Critical patent/EP1446520A1/fr
Application granted granted Critical
Publication of EP1446520B1 publication Critical patent/EP1446520B1/fr
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Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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    • D—TEXTILES; PAPER
    • D01—NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
    • D01H—SPINNING OR TWISTING
    • D01H1/00—Spinning or twisting machines in which the product is wound-up continuously
    • D01H1/14—Details
    • D01H1/20—Driving or stopping arrangements
    • D01H1/24—Driving or stopping arrangements for twisting or spinning arrangements, e.g. spindles
    • D01H1/244—Driving or stopping arrangements for twisting or spinning arrangements, e.g. spindles each spindle driven by an electric motor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B65—CONVEYING; PACKING; STORING; HANDLING THIN OR FILAMENTARY MATERIAL
    • B65H—HANDLING THIN OR FILAMENTARY MATERIAL, e.g. SHEETS, WEBS, CABLES
    • B65H54/00—Winding, coiling, or depositing filamentary material
    • B65H54/02—Winding and traversing material on to reels, bobbins, tubes, or like package cores or formers
    • B65H54/28—Traversing devices; Package-shaping arrangements
    • B65H54/2884—Microprocessor-controlled traversing devices in so far the control is not special to one of the traversing devices of groups B65H54/2803 - B65H54/325 or group B65H54/38
    • B65H54/2887—Microprocessor-controlled traversing devices in so far the control is not special to one of the traversing devices of groups B65H54/2803 - B65H54/325 or group B65H54/38 detecting the position of the yarn guide
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B65—CONVEYING; PACKING; STORING; HANDLING THIN OR FILAMENTARY MATERIAL
    • B65H—HANDLING THIN OR FILAMENTARY MATERIAL, e.g. SHEETS, WEBS, CABLES
    • B65H2701/00—Handled material; Storage means
    • B65H2701/30—Handled filamentary material
    • B65H2701/31—Textiles threads or artificial strands of filaments

Definitions

  • the invention relates to the general field of the control of electric motors for obtaining cyclic and repetitive movements, and used in operating conditions (loads, inertia, resistant forces) reproducible from one cycle to another.
  • the invention relates more particularly to the field of the textile industry, and more specifically to machines used in the context of the production or processing of textile threads.
  • the invention therefore relates to the control of the electric motor which is associated with the guiding member integrated in the winding device and more specifically to a control method of this motor which ensures a great regularity of the winding characteristics, using electronics Simplified and reliable control.
  • the guide member or wire guide, is moved in a reciprocating movement opposite the coil on which the wire will be wound.
  • the wire guide is moved either directly, when mounted at the end of an oscillating arm integral with the axis of the motor, or indirectly when it is connected to the motor by a set of pulleys. or cables transforming the rotary motion into linear motion.
  • the wire guide can be mounted directly on the movable part of the motor, either at the end of a rod acting as that of a cylinder, or on the carriage also called “slider". It is also possible to design a wire guide which is directly integrated with the linear motor, and thus actuated by the driving force of the motor.
  • the movement used for depositing the wire on the coil is a reciprocating back and forth movement, comprising periods during which the speed of movement is constant. These constant speed periods are separated by cusp periods, which must be as short as possible in order to avoid excessive accumulation of wire in the ends of the coil.
  • the cusp must, however, be extremely precise, so that the layers of wire are superimposed perfectly, and that the sides of the coil do not have irregularities in the form of stairs, or defects most commonly called "tips fell" .
  • the movement of the guide wire simultaneously and jointly requires a control of the force of the engine, which determines the speed of cusp and a control of the position of the moving part of the engine.
  • the stepper type motors operate on the principle that each combination of coil power supply corresponds to a stable position of the motor, and that a cyclic switching sequence makes it possible to move from stable position to stable position.
  • the method is therefore relatively simple, but of limited performance, because the currents supported by a motor are relatively low.
  • the use of this type of motor necessarily limits the accuracy of the positioning of the motor.
  • These motors consisting of a plurality of generally mobile coils, immersed in a constant magnetic field, are most often supplied by a power supply device which makes it possible to create, in each coil, Laplace forces which can be controlled in orientation. and in intensity. The torque or the total force is then the resultant (addition) of the torques or forces received by each coil, which depend on the relative position of each relative to the local magnetic field.
  • the driving of these two types of motor is carried out by constantly analyzing the position of the moving part and applying to the winding the appropriate power supply combination to create the driving force or the desired torque.
  • This control requires the use of a means for precisely locating the position of the moving part, whether the rotor of a rotary motor, or slider of a linear motor.
  • a set of position sensors or magnetic fields are used, which detect, for example, the passage of the poles. magnets of the moving part, and which trigger the switching of the feeder accordingly.
  • This type of detector commonly called encoders or resolvers
  • This type of detector is generally arranged on the moving part of the motor, the rotary motor shaft or the linear motor carriage, or possibly on the mechanism driven by the motor. Signals from these sensors are taken into account by the closed loop servo system, which provides the engine, in real time, correction orders based on errors found between the received setpoint and the actual position. Regulatory algorithms of known type are then used. For example, corrections of the "Proportional Integral Derivative" (PID) type are known.
  • PID Proportional Integral Derivative
  • control of the motor then results from the combination of, on the one hand, control means on the precise position sensors arranged on the controlled mechanism, and secondly, motor-specific switching means, themselves controlled by sensors internal to the engine.
  • Another operating principle is known, which uses more sophisticated control circuits, which uses a single high-precision sensor directly placed on the moving part of the motor.
  • These control circuits provide, globally, the control of the position from the setpoint developed elsewhere, and the switching sequences specific to the operation of the engine. The control then results from the combination of two distinct algorithms, a first servo algorithm, and a second switching algorithm. These two algorithms operate on the basis of signals from the same very high precision sensor.
  • the problem to be solved by the invention is to obtain a good stability of the engine control, which allows both to ensure excellent precise positioning of the moving part of the motor and to vary the speed of the motor very quickly at the cusp points.
  • the voltage or current system is directly developed from the information representative of the position of the mobile part of the motor, according to a function or predefined values from the parameters of the winding device, and regardless of temporal variations of this position information.
  • control in accordance with the invention is original in that it does not include a real-time feedback control loop, but proceeds by generating and then cyclically executing a predetermined control sequence.
  • a sensor of the encoder or resolver type is used to know the exact position of the moving part with respect to the fixed part.
  • the measurements of this sensor are directly interpreted by a computer to determine at this position, which voltage (and / or current) must be applied to the motor winding to provide the predetermined forces and accelerations.
  • the torques or forces and accelerations thus created cause the movement of the motor, said movement being then detected by the sensors.
  • the detection of the successive positions which follow one another, thus creates the appropriate sequences of voltage and / or current control to be applied in the motor windings.
  • the voltage and / or current system adopts predetermined values for each value of the position of the moving part.
  • the predetermined values of the voltage or current system can be calculated from programmed parametric mathematical formulas giving the value to be applied as a function of the position of the moving part and the winding parameters (stroke, crease angle,. ..). These predetermined values can also be read in tables as illustrated in FIGS. 6 and 7 and in these particular cases, the values of the voltage or current can be interpolated between two values of successive positions.
  • the predetermined values of the voltage or current system can be modified from one cycle to the next, depending on the evolution of the parameters of the winding device during operation.
  • control can be associated with means for monitoring the current flowing in the coils.
  • the supply device can be inhibited in the case where the current values passing through the coils are greater than a predetermined threshold. It is also possible to monitor the linking times between successive steps, possibly in combination with a monitoring of the current flowing in the coils.
  • the detection of an anomaly can trigger the specific release sequences of security, or even a power failure of the coils.
  • the voltage or current values applied to the coils can adopt two predetermined values, namely the nominal value of a continuous supply source, and a zero value.
  • the coils therefore receive voltage slots during a fraction of the cycle.
  • the voltage or current values may adopt continuously selected values between a zero value and the nominal value of a DC power source, by applying 'impulse. In this way, it is possible to apply to each coil a voltage value which ensures better control of the torque, and better performance of the engine.
  • the invention relates to a driving method of an electric motor operating in a manner similar to a brushless type motor which is incorporated in a winding device equipping a textile machine.
  • the driving method according to the invention uses various elements as illustrated in FIG. 1, in which the motor (1), the power supply device (2) of the motor, a control unit can be identified. / control (3) as well as a module (4) for monitoring overcurrents.
  • the supply device (2) is connected to the three windings (6,7,8) of the motor, so as to deliver voltages or currents to each of the phases of the motor.
  • the supply device delivers its voltages to the motor according to the control commands received from the control / command unit (4).
  • the control unit (4) comprises a microprocessor in its widest expression, including digital signal processing (DSP) processors.
  • DSP digital signal processing
  • This control / command unit (4) receives information (10) from the engine, and more specifically from an encoder (11) for determining the position of the moving part of the engine.
  • the supply device (2) also generates information (12) relating to the intensity of the current flowing through each winding (6-8) to the current monitoring module (4).
  • the information of the position of the rotor is given by the encoder (11) which comprises in the illustrated example 250 notches.
  • the encoder (11) comprises two sensors (13, 14) each offset by half a notch space, so as to output two phase-shifted signals, the combination of which makes it possible to determine the direction of rotation of the encoder.
  • the encoder (11) also comprises another sensor (5) delivering a particular signal when it is facing a specific notch, meaning that the encoder has performed a complete revolution.
  • the motor (1) has three coils (6,7,8) identical, connected to a common point.
  • Each of the windings (6-8) has a terminal connected to the supply device (2), itself controlled by six signals (Ph1, Ph2, Ph3, ValP1, ValP2, ValP3) with which is associated a pulse width modulation signal (PWM):
  • the power supply device (2) comprises electronic power components (17), of the MOSFET or IGBT type, controlled by an appropriate module (18).
  • Each of these modules receives different signals from the control / command unit Ph1 is the polarity instruction (+ or -)
  • ValP1 is a logic validation signal allowing the PWM to be applied to the power stage.
  • such a circuit (20) compares the signal (21) delivered by a current sensor (not shown) with a predetermined threshold. When this measured value exceeds the threshold, a specific signal (22) is generated by a comparator (23) which is then processed by the supply device, for example to maintain the different static switches in a non-conductive position.
  • the driving method according to the invention is partly illustrated in FIG. 5, on which it can be observed that the encoder (11) delivers information (25) making it possible to determine the position of the mobile part of the engine.
  • This position developed by the control / command unit (4) is analyzed including the determination of the direction of rotation.
  • a calculator included in the control / command unit, thus determines the different voltage values (26) that can be applied to the winding, when the moving part is in a determined position.
  • the values of these different voltages are then processed by the control / command unit of to generate the signals necessary for the supply device (2), so that it delivers the determined voltages.
  • the voltages thus applied thus generate the appropriate forces or torques for the moving part of the motor to move by the distance or the angle provided.
  • the new position of the moving part is again determined by the sensor, to allow the application of a new series of voltages.
  • the resolution of the resolver must be determined according to the desired winding accuracy.
  • a specific task (30) can be implemented to modify the voltage values to be assigned for each position of the mobile part.
  • this function (30) can be adapted to adapt to new winding parameters, for example to the evolution of these parameters during winding.
  • This correction can also be the subject of a self-adaptive treatment which makes it possible to compensate for certain drifts, for example parts wear, temperature rises or other phenomena modifying the physical characteristics of the winding device.
  • Figures 6 and 7 give an example of a table gathering the different voltage values to be applied to the winding according to the position of the encoder.
  • the position values P are given taking into account that the signal from the encoder has 1000 transitions / complete turn, which means that, in the example presented, the reversal of meaning, corresponding to step 40, occurs substantially after three complete revolutions of the engine.
  • the unfilled cells correspond to periods when the corresponding coil is not powered (the corresponding ValPos signal is then set to zero to block the transmission of the PWM).
  • this table includes lines identifying the positions beyond the cusp, typically the steps referenced 39 and 390 in the forward direction of Figure 6, and step -1 of the return sequence.
  • the execution of these steps is a function of the capacity of the system to reverse the direction of operation, they are therefore typically related to the mechanical inertia of the system.
  • control algorithm monitors the crawl phase by detecting a return of the encoder to a previously detected position. He then chases the exploration of the table to scan the instructions on the movement back.
  • Figures 8 and 9 illustrate the variation of the different signals sent to the feeder, depending on the position of the movable part of the engine.
  • the invention is also not limited to motors operating with a three-phase power supply, but it can instead be generalized to multiphase motors, although they are less common on the market.
  • control principle according to the invention can also be applied to linear motors.
  • the sensor for determining the position of the moving part of the motor operates on a different mechanical profile, but functionally equivalent.
  • the driving method according to the invention has many advantages among which we can mention the concern to ensure a very high stability of the steering, while remaining compatible with a high accuracy in the engine speed in the constant speed phases, and a very high speed and high position accuracy for the phases of cusp.

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Description

  • L'invention se rattache au domaine général de la commande de moteurs électriques pour l'obtention de mouvements cycliques et répétitifs, et utilisés dans des conditions de fonctionnement (charges, inerties, efforts résistants) reproductibles d'un cycle sur l'autre.
  • L'invention se rattache plus particulièrement au domaine de l'industrie textile, et plus précisément aux machines utilisées dans le cadre de la production ou de la transformation de fils textiles.
  • Ces machines sont en effet équipées de dispositifs de bobinage, permettant de déposer un fil de façon régulière sur différents types de supports, que ce soient bobines, cônes ou autres.
  • L'invention concerne donc la commande du moteur électrique qui est associée à l'organe de guidage intégré dans le dispositif de bobinage et vise plus spécifiquement un procédé de pilotage de ce moteur qui assure une grande régularité des caractéristiques de bobinage, en utilisant une électronique de commande simplifiée et fiable.
  • Dans les dispositifs de bobinage connus, l'organe de guidage, ou guide-fil, est déplacé selon un mouvement de va-et-vient en regard de la bobine sur laquelle le fil sera enroulé.
  • Différents types de moteurs ont déjà été utilisés, et notamment des moteurs rotatifs, ou bien encore des moteurs linéaires, tels que notamment décrits dans les demandes de brevets déposés par le Demandeur sous les nos. FR 01.09048, O1.07428 et O1.08476, et non encore publiés à la date du présent dépôt.
  • Un exemple de moteur rotatif est aussi décrit dans la publication DE 199 14 865 A.
  • Dans le cas des moteurs rotatifs, le guide-fil est déplacé soit directement, lorsqu'il est monté au bout d'un bras oscillant solidaire de l'axe du moteur, soit indirectement lorsqu'il est relié au moteur par un jeu de poulies ou de câbles transformant le mouvement rotatif en mouvement linéaire.
  • Dans le cas des moteurs linéaires, le guide-fil peut être monté directement sur la partie mobile du moteur, soit à l'extrémité d'une tige agissant comme celle d'un vérin, soit encore sur le chariot également appelé "curseur". Il est également possible de concevoir un guide-fil qui soit directement intégré au moteur linéaire, et donc actionné par la force motrice du moteur.
  • Dans tous les cas exposés ci-avant, le mouvement utilisé pour le dépôt du fil sur la bobine est un mouvement alternatif de va-et-vient, comportant des périodes pendant lesquelles la vitesse de déplacement est constante. Ces périodes à vitesse constante sont séparées par des périodes de rebroussement, qui doivent être les plus courtes possible afin d'éviter d'accumuler du fil de manière trop importante dans les extrémités de la bobine. Le point de rebroussement doit toutefois être extrêmement précis, pour que les couches de fil se superposent parfaitement, et que les flancs de la bobine ne présentent pas d'irrégularités en forme d'escaliers, ou des défauts le plus généralement appelés "bouts tombés".
  • Autrement dit, le déplacement du guide-fil exige simultanément et conjointement un contrôle de la force du moteur, qui détermine la vitesse de rebroussement et un contrôle de la position de la partie mobile du moteur.
  • On connaît, pour la réalisation de ces fonctions, deux grands principes de moteurs qui peuvent être soit rotatifs, soit linéaires.
  • Les moteurs de type pas à pas fonctionnent sur le principe que chaque combinaison d'alimentation des bobines correspond à une position stable du moteur, et qu'une séquence cyclique de commutation permet d'évoluer de position stable en position stable.
  • A partir d'une position d'origine connue, et dans la limite du couple et de la force motrice maximum admissible par le moteur, il est alors possible d'imposer les déplacements souhaités simplement par application d'une séquence prédéterminée de commutation.
    Cette séquence de commutation, et donc de pas, permet de maîtriser les positions successives du moteur. La gestion des courants à un moteur permet, quant à elle, d'obtenir le couple ou la force motrice présupposé nécessaire à l'exécution de ces séquences. L'exécution du pas n'est pas nécessairement soumise à un contrôle en temps-réel. Un simple détecteur ou éventuellement le signal issu d'un codeur ou d'un résolveur, est le plus souvent utilisé pour vérifier que le moteur ait correctement effectué les pas qui lui ont été imposés.
  • Le procédé est donc relativement simple, mais de performances limitées, du fait que les courants supportés par un moteur sont relativement faibles. En outre, l'emploi de ce type de moteur limite obligatoirement la précision du positionnement au pas du moteur.
  • On connaît également, pour les dispositifs d'enroulage, l'emploi de moteurs linéaires ou rotatifs, commandés par l'alimentation en tension et/ou en courant de bobines. Il existe deux familles de ce type de moteur :
    • Ceux mus par des forces magnétiques qui tendent par attraction/répulsion à aligner des organes aimantés sur des champs magnétiques tout en cherchant à réduire la réluctance du circuit magnétique.
  • Ces moteurs, constitués de bobines fixes ou mobiles, placées autour du noyaux, sont le plus souvent alimentés par un dispositif d'alimentation, généralement triphasé, qui permet de créer un champ magnétique continûment variable en phase et en intensité, par application d'une tension ou d'un courant sur les bobines du moteur. Ces bobines sont généralement au nombre de trois (ou 6) lorsque le dispositif d'alimentation fonctionne en triphasé. Le couple ou la force motrice est déterminé par le déphasage entre la position de la partie mobile et le champ magnétique ainsi créé. La partie mobile du moteur peut être soit le rotor lorsqu'il s'agit d'un moteur rotatif, ou le chariot curseur lorsqu'il s'agit d'un moteur linéaire.
    • Ceux mus par des forces de Laplace, qui apparaissent dans tout conducteur parcouru par un courant lorsqu'il est placé dans un champ magnétique.
  • Ces moteurs, constitués d'une pluralité de bobines généralement mobiles, plongées dans un champ magnétique constant, sont le plus souvent alimentés par un dispositif d'alimentation qui permet de créer, dans chaque bobine, des forces de Laplace qui peuvent être contrôlées en orientation et en intensité. Le couple ou la force totale est alors la résultante (addition) des couples ou forces reçues par chaque bobine, lesquelles dépendent de la position relative de chacune par rapport au champ magnétique local.
  • Ainsi, de façon générale, le pilotage de ces deux types de moteur s'effectue en analysant en permanence la position de la partie mobile et en appliquant au bobinage la combinaison adéquate d'alimentation pour créer la force motrice ou le couple désiré.
  • Plus précisément, le pilotage de ces deux types de moteur est similaire dans son principe, et est connu pour la commande des moteurs dit « Brushless ». Dans la suite, nous désignerons donc ce type de moteur et ce type de commande par la désignation « de type Brushless ».
  • Ce pilotage impose l'utilisation d'un moyen permettant de localiser précisément la position de la partie mobile, que ce soit le rotor d'un moteur rotatif, ou curseur d'un moteur linéaire.
    Dans les applications connues, on utilise un ensemble de capteurs de position ou de champs magnétiques, qui détectent par exemple le passage des pôles magnétiques de la partie mobile, et qui déclenchent les commutations du dispositif d'alimentation en conséquence.
  • La précision de ce type de capteurs est en général relativement faible, et uniquement suffisante pour commander les commutations du dispositif d'alimentation.
    Si l'on veut imposer au moteur une loi de mouvement prédéterminée, et typiquement dans le cas d'espèce, une loi de mouvement en va-et-vient, établie sur la base de critères spécifiques au bobinage, le moteur doit alors être utilisé en servomoteur, c'est-à-dire utilisant un circuit d'asservissement. Ainsi, un circuit de commande, à base de microprocesseur, élabore, en fonction des paramètres spécifiques au bobinage, une consigne de positions du guide-fil en fonction du temps.
  • Etant donné que l'on souhaite une précision de positionnement élevée, il est nécessaire d'utiliser des moyens de détection de forte résolution au niveau de la position du moteur.
  • Ce type de détecteurs, couramment appelés codeurs ou résolveurs, sont généralement disposés sur la partie mobile du moteur, l'arbre du moteur rotatif ou le chariot du moteur linéaire, voire éventuellement sur le mécanisme entraîné par le moteur.
    Des signaux issus de ces capteurs sont pris en compte par le système d'asservissement en boucle fermée, qui fournit au moteur, en temps réel, des ordres de correction en fonction des erreurs constatées entre la consigne reçue et la position réelle.
    Des algorithmes de régulations de type connu sont alors employés. On connaît par exemple les corrections du type "Proportionnel Intégral Dérivé" (P.I.D.).
  • Ainsi, en utilisant une électronique de commutation traditionnelle, le pilotage du moteur résulte alors de la combinaison d'une part, de moyens d'asservissement sur les capteurs de positions précis disposés sur le mécanisme commandé, et d'autre part, des moyens de commutation spécifiques au moteur, eux-mêmes commandés par des capteurs internes au moteur.
  • On connaît également un autre principe de fonctionnement, qui fait appel à des circuits de commande plus sophistiqués, qui utilise un seul capteur de haute précision, directement placé sur la partie mobile du moteur. Ces circuits de commande assurent, de façon globale, l'asservissement de la position à partir de la consigne élaborée par ailleurs, ainsi que les séquences de commutation propres au fonctionnement du moteur. Le pilotage résulte alors de la combinaison de deux algorithmes distincts, un premier algorithme d'asservissement, et un second algorithme de commutation. Ces deux algorithmes fonctionnent sur la base de signaux d'un même capteur de précision très élevé.
  • Ainsi, de façon générale, on constate que sur les systèmes existants, la commande du moteur met en jeu deux niveaux de traitement en cascade. Cette combinaison de deux moyens distincts créée des temps de réponse élevés, qui peuvent conduire à des instabilités dans les conditions extrêmes d'utilisation où les exigences en couple ou en force motrice ainsi qu'en précision de positionnement, sont simultanément élevées.
  • La gestion des points de rebroussement dans les dispositifs de bobinage correspond typiquement à ce cas de figure. En effet, les algorithmes de régulation, et par exemple les algorithmes de type "P.I.D." doivent alors avoir dans ce cas des coefficients relatifs à la partie proportionnelle et à la partie dérivée qui sont relativement importants pour être suffisamment réactifs dans les zones transitoires qui constituent les points de rebroussement. L'utilisation de ces coefficients élevés peut conduire à des instabilités.
  • Le problème que se propose de résoudre l'invention est d'obtenir une bonne stabilité du pilotage du moteur, qui permet, à la fois d'assurer une excellente précision du positionnement de la partie mobile du moteur et de faire varier la vitesse du moteur de façon très rapide au niveau des points de rebroussement.
  • Pour résoudre un tel problème, il a été conçu et mis au point un procédé de pilotage d'un moteur électrique constitué par une pluralité de bobines et fonctionnant de façon similaire au moteur de type « Brushless », du type rotatif ou linéaire.
    Ce moteur est piloté en vue d'imposer un mouvement de va-et-vient à un organe de guidage lui-même intégré dans un dispositif de bobinage d'un fil.
  • De façon connue, le procédé de pilotage de ce type de moteur utilise :
    • un dispositif d'alimentation électrique qui génère un système de tension ou de courant afin d'alimenter un ensemble de bobinage, de manière à générer des forces magnétiques ou de Laplace variables, dont l'application sur la partie mobile du moteur provoque le déplacement de cette dernière ;
    • un codeur qui génère une information représentative de la position de la partie mobile du moteur par rapport à la partie fixe.
  • Conformément à l'invention, le système de tension ou de courant est directement élaboré à partir de l'information représentative de la position de la partie mobile du moteur, selon une fonction ou des valeurs prédéfinies à partir des paramètres du dispositif de bobinage, et indépendamment des variations temporelles de cette information de position.
  • Autrement dit, le pilotage conforme à l'invention est original en ce qu'il ne comporte pas de boucle d'asservissement en temps réel, mais procède par élaboration puis exécution cyclique d'une séquence de pilotage prédéterminée.
  • Ainsi, pour assurer ce pilotage, on établit préalablement, en fonction des paramètres de bobinage, une loi de tension et/ou de courant à appliquer aux bobines du moteur en fonction de sa position, pour que celui-ci fournisse, à chaque position, les couples ou forces et donc les accélérations qui génèrent le mouvement souhaité. Cette loi prédéterminée donne donc les tensions et/ou les courants à appliquer dans chaque bobine, et ceci à chaque position ou angle du moteur.
  • Pour l'exécution de ces séquences, on utilise un capteur du type codeur ou résolveur, suffisamment précis, pour connaître la position exacte de la partie mobile par rapport à la partie fixe. Les mesures de ce capteur sont directement interprétées par un calculateur pour déterminer à cette position, quelle tension (et/ou courant) doit être appliquée au bobinage du moteur pour fournir les forces et accélérations prédéterminées.
  • Les couples ou forces et accélérations ainsi créés provoquent le mouvement du moteur, ledit mouvement étant ensuite détecté par les capteurs. La détection des positions successives qui s'enchaînent, crée ainsi les séquences appropriées de commande de tension et/ou de courant à appliquer dans les bobinages du moteur.
  • De cette façon, l'enchaînement des étapes dans la séquence n'est pas déclenché par rapport à une base de temps, mais par la détection des positions successives du moteur, et ce sans l'utilisation d'algorithmes d'asservissement, ni par l'utilisation de l'étape de commutation qui détecterait par exemple le passage des pôles magnétiques dans le moteur.
  • Avantageusement, le système de tension et/ou de courant adopte des valeurs prédéterminées pour chaque valeur de la position de la partie mobile.
  • En pratique, les valeurs prédéterminées du système de tension ou de courant peuvent être calculées à partir de formules mathématiques paramétriques programmées donnant la valeur à appliquer en fonction de la position de la partie mobile et des paramètres de bobinage (course, angle de croisure, ...).
    Ces valeurs prédéterminées peuvent aussi être lues dans des tableaux tels qu'illustrés figures 6 et 7 et dans ces cas particuliers, les valeurs du système de tension ou de courant peuvent faire l'objet d'interpolations entre deux valeurs de positions successives.
  • Avantageusement, en pratique, les valeurs prédéterminées du système de tension ou de courant sont susceptibles d'être modifiées d'un cycle sur l'autre, en fonction de l'évolution des paramètres du dispositif de bobinage en cours d'exploitation.
  • Autrement dit, il est possible de faire évoluer le profil de vitesse d'un cycle à l'autre, en modifiant les valeurs prédéterminées, ou les paramètres des lois mathématiques permettant d'élaborer les valeurs des tensions et/ou courants. Ces modifications sont alors prises en compte lors de l'exécution de l'aller-retour suivant. Grâce à ces modifications, il est possible de faire varier la vitesse, l'amplitude de la course ainsi que le profil d'inversion au niveau du point de rebroussement. On peut ainsi contrôler l'angle de croisure, et par exemple exécuter des bobines bi-coniques, et ainsi se prémunir des problèmes d'empilement, en mettant en oeuvre des séquences de brouillage de zone et d'anti-bourrelet.
  • Selon une forme plus perfectionnée de l'invention, il est possible d'enregistrer les valeurs successives de la position de la partie mobile, puis de comparer ces dernières avec les valeurs théoriques, par mesure d'un écart. Les valeurs du système de tension ou de courant peuvent être alors corrigées pour réduire cet écart par rapport au cycle théorique. Ainsi, l'exploitation des mesures issues du capteur de position permet de vérifier s'il existe des écarts entre le cycle réellement obtenu et le cycle souhaité. Il est alors possible d'effectuer d'éventuelles corrections sur les valeurs prédéterminées, pour rapprocher la trajectoire réelle de la trajectoire optimale, en vue du cycle suivant.
  • Les corrections ainsi calculées peuvent être prises en compte dans les cycles suivants. Le pilotage séquentiel fonctionne alors de manière que l'on peut qualifier d'auto- adaptative.
  • Néanmoins, pour assurer la répétitivité du cycle et la stabilité du procédé, il convient que les charges appliquées au moteur soient très stables d'un cycle sur l'autre, ou évoluent très lentement, de manière à ce que les éventuelles corrections effectuées d'un cycle sur l'autre soient minimes. Cette méthode de pilotage séquentielle auto adaptative peut ainsi permettre notamment de compenser les dérives dues à des changements des conditions de fonctionnement, typiquement modification de la température ou du taux d'humidité, ainsi que les dérives dues à l'usure ou à l'encrassement de certaines parties du système, ou bien encore à la dégradation des lubrifiants.
  • Pour assurer la sécurité du moteur, et éviter les conséquences d'un éventuel blocage d'une surcharge mécanique inopinée, le pilotage peut être associé à des moyens de surveillance du courant circulant dans les bobines. Avantageusement, en pratique, le dispositif d'alimentation peut être inhibé dans le cas où les valeurs de courant parcourant les bobinages sont supérieures à un seuil prédéterminé. Il est également possible de surveiller les temps d'enchaînement entre des étapes successives, éventuellement en combinaison avec une surveillance du courant circulant dans les bobines.
  • La détection d'une anomalie, typiquement une augmentation anormale du courant dans les bobines, ou un allongement anormal des temps d'enchaînement, peut déclencher les séquences spécifiques de dégagement de mise en sécurité, voire une coupure de l'alimentation électrique des bobines.
  • Selon différentes variantes, les valeurs de tension ou de courant appliquées aux bobines peuvent adopter deux valeurs prédéterminées, à savoir la valeur nominale d'une source d'alimentation en continu, et une valeur nulle.
  • Dans ce cas, les bobines reçoivent donc des créneaux de tension pendant une fraction du cycle.
  • Dans une autre forme de réalisation, les valeurs de tension ou de courant peuvent adopter des valeurs choisies continûment entre une valeur nulle et la valeur nominale d'une source d'alimentation en continu, par l'application d'un signal modulé en largeur d'impulsion. De cette manière, il est possible d'appliquer à chaque bobine une valeur de tension qui assure une meilleure maîtrise du couple, et un meilleur rendement du moteur.
  • La manière de réaliser l'invention ainsi que les avantages qui en découlent ressortiront bien de la description du mode de réalisation qui suit, à l'appui des figures annexées dans lesquelles :
    • la figure 1 est un schéma général illustrant les interactions entre les différents éléments intervenant dans le procédé conforme à l'invention.
    • la figure 2 est un schéma de détail illustrant les différents échanges d'informations entre le moteur, le codeur et l'étage de commande.
    • la figure 3 est un schéma illustrant l'étage de commande des différents commutateurs statiques utilisés pour alimenter les bobinages du moteur.
    • la figure 4 est un schéma électrique d'un circuit de surveillance des surintensités d'un bobinage moteur.
    • la figure 5 est un organigramme illustrant le principe du procédé de pilotage conforme à l'invention.
    • les figures 6 et 7 sont des exemples indicatifs nullement limitatifs de deux tableaux donnant les valeurs de tension à appliquer à chacun des bobinages du moteur, en fonction de la position du rotor du moteur, et ce respectivement pour les deux sens de rotation du moteur.
    • les figures 8 et 9 sont des diagrammes illustrant l'évolution avec les positions du moteur de différents signaux utilisés au cours du procédé de pilotage, et ce pour les deux sens de rotation du moteur.
  • Comme déjà dit, l'invention concerne un procédé de pilotage d'un moteur électrique fonctionnent de façon similaire à un moteur de type Brushless qui est incorporé dans un dispositif de bobinage équipant une machine textile.
  • Le procédé de pilotage conforme à l'invention met en oeuvre différents éléments tels qu'illustrés à la figure 1, dans lesquels on peut identifier le moteur (1), le dispositif d'alimentation électrique (2) du moteur, une unité de contrôle/commande (3) ainsi qu'un module (4) de la surveillance des surintensités.
  • Le dispositif d'alimentation (2) est relié aux trois bobinages (6,7,8) du moteur, de manière à délivrer des tensions ou courants à chacune des phases du moteur. Le dispositif d'alimentation délivre ses tensions au moteur en fonction des ordres de commande reçus de l'unité de contrôle/commande (4). L'unité de contrôle commande (4) comprend un microprocesseur dans son expression la plus large, incluant les processeurs de traitement de signal numérique (DSP).
  • Cette unité de contrôle/commande (4) reçoit des informations (10) en provenance du moteur, et plus précisément d'un codeur (11) permettant de déterminer la position de la partie mobile du moteur.
  • Le dispositif d'alimentation (2) élabore également des informations (12) relatives à l'intensité du courant qui parcoure chaque bobinage (6-8), à destination du module de surveillance de courant (4).
  • Plus précisément, comme illustré à la figure 2, l'information de la position du rotor est donné par le codeur (11) qui comporte dans l'exemple illustré 250 encoches. Le codeur (11) comporte deux capteurs (13,14) décalés chacun de l'espace d'une demi-encoche, de manière à délivrer deux signaux déphasés, dont la combinaison permet de déterminer le sens de rotation du codeur. Le codeur (11) comprend également un autre capteur (5) délivrant un signal particulier lorsqu'il se trouve au regard d'une encoche spécifique, signifiant que le codeur a effectué un tour complet.
  • Comme illustré à la figure 2, le moteur (1) comporte trois bobinages (6,7,8) identiques, reliés à un point commun. Chacun des bobinages (6-8) possède une borne reliée au dispositif d'alimentation (2), lui-même commandé par six signaux (Ph1, Ph2, Ph3, ValP1, ValP2, ValP3) auxquels est associé un signal de modulation de la largeur d'impulsion (PWM):
  • Plus précisément, et comme illustré à la figure 3, le dispositif d'alimentation (2) comprend des composants électroniques de puissance (17), du type MOSFET ou IGBT, commandés par un module approprié (18). Chacun de ces modules reçoit différents signaux issus de l'unité de contrôle/commande
    Ph1 est la consigne de polarité (+ ou -)
    ValP1 est un signal logique de validation autorisant l'application du PWM à l'étage de puissance.
  • La surveillance des éventuelles surintensités dans les bobinages du moteur s'effectue par l'intermédiaire d'un circuit (20) illustré à la figure 4.
  • Plus précisément, un tel circuit (20) effectue la comparaison du signal (21) délivré par un capteur de courant non représenté, avec un seuil prédéterminé. Lorsque cette valeur mesurée dépasse le seuil, un signal spécifique (22) est généré par un comparateur (23) qui est ensuite traité par le dispositif d'alimentation, par exemple pour maintenir les différents interrupteurs statiques dans une position non conductrice.
  • Le procédé de pilotage conforme à l'invention est en partie illustré à la figure 5, sur laquelle on peut observer que le codeur (11) délivre une information (25) permettant de déterminer la position de la partie mobile du moteur. Cette position élaborée par l'unité de contrôle/commande (4) est analysée en incluant la détermination du sens de rotation.
  • Un calculateur, inclus dans l'unité de contrôle/commande, détermine ainsi les différentes valeurs de tension (26) qui peuvent être appliquées au bobinage, lorsque la partie mobile est dans une position déterminée. Les valeurs de ces différentes tensions sont ensuite traitées par l'unité de contrôle/commande de manière à générer les signaux nécessaires au dispositif d'alimentation (2), pour que celui-ci délivre les tensions déterminées. Les tensions ainsi appliquées engendrent donc les forces ou les couples appropriés pour que la partie mobile du moteur se déplace de la distance ou l'angle prévu. La nouvelle position de la partie mobile est alors à nouveau déterminée grâce au capteur, pour permettre l'application d'une nouvelle série de tensions.
  • La résolution du résolveur doit être déterminée en fonction de la précision de bobinage recherchée.
  • Comme illustré à la figure 5, une tâche spécifique (30) peut être mise en oeuvre pour modifier les valeurs de tension à affecter pour chaque position de la partie mobile.
  • Comme déjà évoqué, cette fonction (30) peut être destinée à s'adapter à de nouveaux paramètres de bobinage, par exemple à l'évolution de ces paramètres au cours du bobinage. On peut par exemple citer le bobinage de bobines coniques, qui nécessite la diminution de la course du fil.
  • Cette correction peut également être l'objet d'un traitement auto-adaptatif qui permet de compenser certaines dérives, par exemple des usures de pièces, des montées en température ou autres phénomènes modifiant les caractéristiques physiques du dispositif de bobinage.
  • Les figures 6 et 7 donnent un exemple d'un tableau rassemblant les différentes valeurs de tension à appliquer au bobinage en fonction de la position du codeur. Les valeurs de position P sont données en tenant compte que le signal issu du codeur possède 1000 transitions/tour complet, ce qui signifie que, dans l'exemple présenté, l'inversion de sens, correspondant à l'étape 40, intervient sensiblement après trois tours de rotation complets du moteur.
  • Dans les tableaux des figures 6 et 7, les cases non remplies correspondent à des périodes où la bobine correspondante n'est pas alimentée (le signal ValPos correspondant est alors mis à zéro pour bloquer la transmission du PWM).
  • On notera que ce tableau comporte des lignes identifiant les positions situées au-delà du point de rebroussement, typiquement les étapes référencées 39 et 390 dans le sens aller de la figure 6, et l'étape -1 de la séquence de retour. L'exécution de ces étapes est fonction de la capacité du système à inverser le sens de fonctionnement, elles sont donc typiquement reliées à l'inertie mécanique du système.
  • Toutefois, si l'inversion peut être suffisamment rapide, et quasiment instantanée, c'est-à-dire sur un pas du codeur, ces étapes particulières n'interviennent pas. L'algorithme de contrôle surveille la phase de rebroussement en détectant un retour du codeur à une position antérieurement détectée. Il enchaîne alors l'exploration du tableau pour balayer les consignes relatives au mouvement de retour.
  • Les figures 8 et 9 illustrent la variation des différents signaux envoyés au dispositif d'alimentation, en fonction de la position de la partie mobile du moteur.
  • Bien entendu, l'invention n'est pas limitée à cette seule forme de réalisation, mais couvre également les variantes dans lesquelles d'autres modules de commande des commutateurs statiques sont utilisés.
  • On peut envisager d'utiliser six signaux MLI synchronisés. Ceci permet notamment de pouvoir piloter le moteur en alimentant les trois bobinages de façon simultanée. On optimise ainsi le couple du moteur.
  • L'invention n'est pas non plus limitée aux moteurs fonctionnant par une alimentation triphasée, mais elle peut au contraire se généraliser à des moteurs polyphasés, bien que ceux-ci soient moins fréquents sur le marché.
  • Le principe de pilotage conforme à l'invention peut également s'appliquer aux moteurs linéaires. Dans ce cas, le capteur permettant de déterminer la position de la partie mobile du moteur fonctionne sur un profil mécanique différent, mais fonctionnellement équivalent.
  • Il ressort de ce qui précède que le procédé de pilotage conforme à l'invention présente de multiples avantages parmi lesquels on peut citer le souci d'assurer une très grande stabilité du pilotage, tout en restant compatible avec une grande précision dans la vitesse du moteur dans les phases à vitesse constante, et une très grande rapidité et grande précision de positions pour les phases de rebroussement.

Claims (8)

  1. Procédé de pilotage d'un moteur électrique Brushless (1), du type rotatif ou linéaire, en vue d'imposer un mouvement de va-et-vient à un organe de guidage intégré dans un dispositif de bobinage d'un fil, dans lequel :
    • on génère, par un dispositif d'alimentation électrique (2), un système de tension ou de courant afin d'alimenter un ensemble de bobinages (6-8) montés sur la partie fixe ou mobile du moteur, de manière à générer des forces variables, dont l'application sur la partie mobile du moteur provoque le déplacement de cette dernière ;
    • on génère, par un codeur (11), une information représentative de la position de la partie mobile du moteur par rapport à la partie fixe,
    caractérise en ce que
    - on détermine directement le système de tensions ou de courants, à partir de l'information représentative de la position de la partie mobile du moteur, selon une fonction ou des valeurs prédéfinies à partir des paramètres du dispositif de bobinage, ces valeurs ou fonctions étant indépendantes des variations temporelles de ladite information de position.
    - on adopte, pour le système de tension ou de courant, des valeurs prédéterminées pour chaque valeur de la position de la partie mobile.
  2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les valeurs prédéterminées du système de tension ou de courant sont des formules mathématiques paramétriques programmées donnant les valeurs à appliquer en fonction de la position mobile et des paramètres de bobinage.
  3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les valeurs prédéterminées du système de tension ou de courant sont constantes et lues et/ou interpolées dans des tableaux.
  4. Procède selon la revendication 1 , caractérisé en ce que les valeurs prédéterminées du système de tension ou de courant sont susceptibles d'être modifiées d'un cycle sur l'autre, en fonction de l'évolution des paramètres du dispositif de bobinage en cours d'exploitation
  5. Procédé selon la revendication 1, caractérise en ce que les valeurs successives de la position de la partie mobile sont enregistrées puis comparées avec des valeurs théoriques par la mesure d'un écart, les valeurs du système de tension ou de courant étant ensuite corrigées pour réduire ledit écart en vue du cycle suivant.
  6. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le dispositif d'alimentation est inhibé dans le cas où les valeurs de courant parcourant les bobinages sont supérieures à un seuil prédéterminé.
  7. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les valeurs de tension ou de courant adoptent deux valeurs prédéterminées, à savoir la valeur nominale d'une source d'alimentation en continu, et une valeur nulle.
  8. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les valeurs de tension ou de courant adoptent des valeurs choisies entre une valeur nulle et la valeur nominale d'une source d'alimentation en continu, par l'intermédiaire d'un signal modulé en largeur d'impulsion.
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