EP2937180B1 - Système de commande d'un outil industriel en modifiant les signaux de commandes lors de défauts d'utilisation - Google Patents

Système de commande d'un outil industriel en modifiant les signaux de commandes lors de défauts d'utilisation Download PDF

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EP2937180B1
EP2937180B1 EP15164666.8A EP15164666A EP2937180B1 EP 2937180 B1 EP2937180 B1 EP 2937180B1 EP 15164666 A EP15164666 A EP 15164666A EP 2937180 B1 EP2937180 B1 EP 2937180B1
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EP
European Patent Office
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tool
motor
voltage
electrical
detector
Prior art date
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Not-in-force
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EP15164666.8A
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German (de)
English (en)
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EP2937180A1 (fr
Inventor
Clément Beautes
Benoit Allenou
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Georges Renault SAS
Original Assignee
Georges Renault SAS
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Filing date
Publication date
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25B—TOOLS OR BENCH DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR, FOR FASTENING, CONNECTING, DISENGAGING, OR HOLDING
    • B25B21/00—Portable power-driven screw or nut setting or loosening tools; Attachments for drilling apparatus serving the same purpose
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25B—TOOLS OR BENCH DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR, FOR FASTENING, CONNECTING, DISENGAGING, OR HOLDING
    • B25B23/00—Details of, or accessories for, spanners, wrenches, screwdrivers
    • B25B23/14—Arrangement of torque limiters or torque indicators in wrenches or screwdrivers
    • B25B23/147—Arrangement of torque limiters or torque indicators in wrenches or screwdrivers specially adapted for electrically operated wrenches or screwdrivers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25F—COMBINATION OR MULTI-PURPOSE TOOLS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; DETAILS OR COMPONENTS OF PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS NOT PARTICULARLY RELATED TO THE OPERATIONS PERFORMED AND NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B25F5/00—Details or components of portable power-driven tools not particularly related to the operations performed and not otherwise provided for

Definitions

  • the invention relates to the control of an industrial portable tool intended to perform a certain job as a function of a predetermined set point. More specifically, the invention relates to the fact that the signals transmitted to the tool motor are modified when said tool is outside of a determined operating range.
  • the invention relates to the control of an electro-mechanical tool, such as a screwdriver, in the context of industrial production and in particular in that of the automobile industry.
  • an electro-mechanical tool such as a screwdriver
  • This type of industry uses screwing systems allowing the quality of all production operations to be traced.
  • Such a tool generally comprises an electric motor, a reduction, a user interface for entering parameters, such as screwing parameters, an electronic control card, connected to the motor and to a power supply source.
  • the tool also includes sensors to assess the proper functioning of the tool, such as torque and angle sensors in the case of a screwdriver.
  • a regulation loop is put in place in the electronic card to analyze the signals emitted by the sensors and control the motor according to a work instruction entered on the user interface, this work instruction is for example a screwing strategy .
  • the tool operates at a speed close to the maximum of the screwdriver to minimize the tightening time, until reaching a torque level corresponding to a predefined percentage of the target torque (of the order of a few tens of%).
  • the speed is lower, around 10% of the maximum speed of the screwdriver.
  • Passive braking consists in short-circuiting the phases of the motor and using its own ohmic resistance to transform the kinetic energy of the motor into heat (Joules effect).
  • the disadvantage of passive braking is that the braking speed is not controlled, but this control depends on the regularity of the "overshoot" and therefore the dispersion of the tightening torque.
  • Active braking consists in controlling the motor in such a way that it produces a controlled torque in the opposite direction to that of the rotation of the tool. Active braking induces a production of energy which must be dissipated immediately or stored somewhere, in capacitors at the input of the inverter for example. Active braking allows braking speed to be controlled, but it presents the risk of overcharging the capacitors, and of damaging them by excess energy.
  • the document WO 2011/116452 published September 29, 2011 , discloses a torque control system for rotary tools by specifying a final torque which, when reached, determines the end of the tightening.
  • the tool has a regulating means to keep the motor voltage close to a calibrated value. If a fault is detected, then the engine is stopped.
  • the instantaneous power by a screwdriver results from the product of the instantaneous torque applied to the screw by the instantaneous speed of rotation.
  • the power required from the power supply is equal to the mechanical power supplied by the tool increased by the efficiency of transformation of electrical energy by said tool. This power is required for a period of time which is all the longer the greater the angle traveled by the tool to reach the objective torque.
  • the force transmission chain of a tool subjected to a torque increase is deformed by storing potential energy.
  • the reduction relaxes and if the tool body is immobilized, either because it is held by the operator or is fixed on a frame, then the motor rotor is driven in the unscrewing direction.
  • the engine must then be braked to prevent it from reaching a speed that is too great and destructive to mechanics. During this braking, the engine operates as a generator and returns through the inverter an energy likely to deteriorate the capacitors located upstream of the inverter.
  • stator magnetic field In a motor control mode aiming to transform electrical energy into mechanical energy (motor) or aiming to transform mechanical energy into electric energy (generator), the stator magnetic field is controlled so that its orientation is perpendicular to the rotor magnetic field. Depending on the operating mode, whether motor or generator, the direction of the stator magnetic field is controlled so as to produce a torque in the direction of rotation or opposite to this direction.
  • a deviation from this perpendicular angle leads to degrading the efficiency of the engine or generator by transforming part of the energy consumed (electrical in the case of the engine or mechanical in the case of the generator) into heat generated by the Joule effect in the motor winding.
  • the tool performs work in accordance with a determined instruction (screwing strategy).
  • screw strategy a determined instruction
  • strict compliance with the operating parameters can affect the proper functioning of the tool.
  • the invention particularly aims to overcome at least one of the drawbacks of the prior art listed above, so as to protect the power supply means of the tool and its control electronics.
  • the tool supply means and / or its electronics is better protected when certain circumstances arise during the operation of the tool.
  • the cycle of use is carried out with modified and degraded parameters of use, but at least it ends without damaging the tool.
  • the tool comprises a means for measuring the torque exerted by the motor, the supply of the motor being stopped when the measured torque reaches a target torque value specified in the parameters of use.
  • the power supply to the motor is stopped when the tightening time specified in the operating parameters is reached.
  • the power supply means comprise an electrical source, a rectifier, a detector measuring the voltage supplied by the rectifier, said voltage thus detected being compared to a voltage range.
  • the malfunction detection means is particularly simple.
  • the electromechanical tool comprises means for transmitting an alarm signal when said detector operation of the power supply detects at least one electrical quantity outside said determined operating window. In this way, an operator handling the tool is warned of a malfunction.
  • the present invention relates to an electromechanical tool comprising a synchronous motor provided with a rotor and connected to an electronic control card, an interface for entering usage parameters and a power supply, the electronic card delivering suitable signals to the motor. to order it according to the user parameters entered.
  • Said tool comprises an operating detector of the electrical power supply capable of detecting at least one electrical quantity outside a determined operating window, the detection of electrical levels outside said window triggering a modification of the signals emitted by the card. command different from those calculated according to the usage parameters.
  • the detector is designed to detect that a voltage across the capacitors exceeds a predefined voltage threshold, the detection of this excess triggering the modification of the motor control angle with a phase shift different from 90 °.
  • the electromechanical tool is a screwdriver.
  • the present invention relates to an electromechanical tool according to claim 1.
  • the means for supplying the tool and / or its electronics is better protected during excessive consumption of the motor or when the latter produces an increase in energy. during braking phases.
  • the Fig. 1 describes an example of a control system for controlling the operation of a tool.
  • the system includes an industrial tool 1 communicating by radio with a controller 10 intended to control the operation of this tool.
  • the tool has its own power supply, preferably by a battery.
  • An industrial tool is for example an electric screwdriver with controlled tightening which is conventionally used to ensure, during a screwing operation, the tightening of an assembly, that is to say the connection of several parts for example to the by means of a screw tightened to a torque, the value of which is chosen so that the assembly is sufficiently rigid but with maximum torque so as not to damage said screw. Therefore, the target tightening torque is an example of parameters for using the tool. Other operating parameters can be defined such as the rise curve towards the target tightening torque or the maximum intensity value of the tool motorization.
  • the tool 1 is connected by a cable to the controller 10, the latter providing inter alia the source of electrical power.
  • the Fig. 2 shows a block diagram of a controller 10 intended to supply and control a tool 1 such as a screwdriver.
  • the controller 10 comprises a central unit 11 associated with an execution program stored in a memory 12, and an input-output interface 13, a user interface for managing a command input means 14 (keyboard, touch screen, mouse, ...), a display means 15 (screen, display, indicator light) and possibly, a means of transmitting an audible signal on an audible frequency.
  • the controller also includes a radio communication means 16 with the tool.
  • the controller has a connector for the power supply of tool 1 and wired communication. In this case, the controller does not need a radio module 16.
  • the Fig. 3 presents an example of the mechanical and electrical elements of a tool with its controller according to the prior art.
  • the tool is supplied by a set of elements comprising a power source 20 (battery, transformer, etc.), a unidirectional converter 21 (diode, voltage rectifier) and an energy storage means 22 (typical capacitors).
  • the synchronous motor 23 provided with a rotor is supplied by a bidirectional converter 24 which receives control signals in order to transmit power signals for controlling the motor between the storage means 22 and the motor 23.
  • the converter control signals are supplied by a PWM generator 25 from digital signals delivered by a central unit 26 executing an engine control algorithm 26.
  • This engine control algorithm 26 receives from a user interface usage parameters, for example a tightening strategy, and measurement signals emitted by sensors 27 analyzing the behavior of the motor 23.
  • Elements 22, 24, 25 and 26 can be physically embedded in the tool (in the case where the tool includes a battery 8) or be deported in the controller 10.
  • the engine control algorithm adjusts the control signals produced by the PWM generator 25 so that the engine transmits to the mechanical elements 28 of the tool, actions as close as possible to those fixed by the operating parameters.
  • the Fig. 4 presents an example of a block diagram of the mechanical and electrical elements of a tool with its controller according to a preferred embodiment of the invention.
  • the elements added compared to the Fig. 3 appear in bold.
  • An electrical signal measurement module 30 is added at the power source to measure the voltage and current present after the unidirectional converter.
  • This hardware module transmits the measurements to the central unit 26, the program of which has been modified to add two software blocks, one for controlling the amplitude of the control signals as a function of the voltage and / or the current measured. , the other for controlling the angle applied to the motor 23 by the control signals as a function of the voltage and / or the current measured.
  • the first software block 31 includes a test consisting in comparing the voltage Vin at the output of the converter 21 with a determined threshold Vthl. If Vin is less than the threshold value Vthl, then the amplitude of PWM is reduced, which decreases the speed of rotation of the motor. This case occurs when the power required from the motor is too large and the supply voltage collapses. The reduction in the speed of rotation of the motor without however stopping its rotation, causes a lower power to be supplied, and therefore a supply voltage which then returns to an acceptable level.
  • the test carried out by this first software block consists in comparing the intensity Iin at the output of the converter 21 to a determined threshold Ith. If Iin is greater than the threshold value Ith, then the amplitude of PWM is reduced, which decreases the speed of rotation of the motor 23.
  • the reduction in speed without however canceling it, enables the use cycle to be terminated, the cycle being terminated when the motor is stopped and the voltage applied to its terminals is zero.
  • the torque is measured continuously and using a lower speed
  • the screwing that is to say, the rotation of the motor
  • the tightening time is extended.
  • the tightening duration specified in the operating parameters is maintained but using a lower speed.
  • the second software block 32 includes a test consisting in comparing the voltage Vin at the output of the converter 21 to another determined threshold Vthh. If Vin is greater than the threshold value Vthh, then the angle value between the rotor magnetic field and the stator magnetic field controlled by the PWM generator is removed from the optimum angle of 90 °. This case occurs when the engine 23 is used as a generator. For example, during a tightening involving a significant twist in the transmission; at the end of the cycle, twisting can drive the tool motor in the direction of unscrewing at high speed.
  • the motor control algorithm controls braking using the motor as a generator, which has the effect of producing energy in the form of energy stored in the capacitors 22. If this energy becomes too high, the voltage rises and exceeds the Vthh threshold.
  • This high voltage can damage the capacitors and / or the converter 21.
  • Changing the angle between the rotor magnetic field and the stator magnetic field by making it different from 90 ° degrades the performance of the motor 23 and avoids applying too much large voltage across the capacitors.
  • the voltage Vin does not increase to reach dangerous values. Energy mechanical is then transformed into heat by the Joule effect in the motor windings, rather than by generating a voltage across the capacitors.
  • the tool according to a preferred embodiment of the invention also includes a detector measuring the electrical signals supplied by the power supply of the tool and a second control loop.
  • the second control loop When said detector measures electrical signals whose values lie outside a normal operating window, then the second control loop, connected to the detector, generates control signals from the PWM generator so as to bring the values electrical signals in the normal operating window. These control signals replace those produced by the first regulation loop for controlling the PWM generator. This situation occurs as long as the values of the signals generated by the first software block 31 are less than the amplitude of the signals generated by the first loop or as long as the signals generated by the second software block 32 cause a difference between different rotor and stator field 90 °.
  • the Fig. 5 illustrates the preferred embodiment consisting in using a tool powered by a battery 40, at least one protective diode 41, and capacitors 42.
  • a module 43 measures the voltage across the capacitors.
  • This hardware module transmits the measurements to the two software blocks 45 and 46 managing the modification of the amplitude of the control signals and of the angle between the rotor magnetic field and the stator magnetic field of the motor 47.
  • the engine control algorithm 44 transmits digital command values to a PWM signal generator 48 via the two software blocks 45 and 46, this generator 48 delivering control signals to a control module 49 of the motor 47.
  • the motor 47 is controlled by a polyphase rotary field , using three phases for example.
  • Sensors 50 analyze the behavior of the engine 47 and transmit measurements to the engine control algorithm 44. Depending on the difference between the operating parameters and the situation of the engine, the engine control algorithm adjusts the signals. control produced by the PWM generator 48 so that the engine transmits to the mechanical elements 51 of the tool actions as close as possible to those fixed by the operating parameters.
  • the first software block 45 includes a test consisting in comparing the voltage Vin across the terminals of the capacitors 42 at a determined threshold Vthl , for example 12 volts. If Vin is less than 12 volts, the battery is too stressed, then the software block 45 modifies the amplitude of the signals emitted by the PWM generator 48. This modification is made by a conventional regulation algorithm, of the PID type for example.
  • the second software block 46 includes a test consisting in comparing the voltage Vin across the terminals of the capacitors 42 to a determined threshold Vthh, for example 48 volts. If Vin is greater than 48 volts, then the angle value between the rotor magnetic field and the stator magnetic field controlled by the PWM generator is modified and becomes different from 90 °. This case occurs when the engine becomes a generator. Changing the angle between the rotor magnetic field and the stator magnetic field by making it less than 90 ° degrades the performance of the motor and avoids providing too much energy to the capacitors. As the energy is less stored in the capacitors, the voltage Vin does not increase any more to reach dangerous values. This modification is made by a conventional regulation algorithm, of the PID type for example. The mechanical energy is then transformed into heat by the Joule effect, rather than by generating a tension.
  • Vthh for example 48 volts.
  • the tool and / or its controller comprises means for transmitting an alarm signal when the operation detector of the power supply detects at least one electrical quantity outside the normal operation window.
  • the invention is not limited to the embodiments which have just been described.
  • the invention can be implemented on different types of engine control, in particular for making screw connections or drilling.
  • the invention is characterized by the following claims.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Details Of Spanners, Wrenches, And Screw Drivers And Accessories (AREA)
  • Control Of Electric Motors In General (AREA)

Description

    1. Domaine de l'invention
  • L'invention concerne le contrôle d'outil portable industriel destiné à réaliser un certain travail en fonction d'une consigne prédéterminée. Plus précisément, l'invention concerne le fait que les signaux transmis au moteur de l'outil sont modifiés lorsque ledit outil se trouve en dehors d'une plage de fonctionnement déterminée.
    • 2. Art antérieur
  • L'invention concerne la commande d'un outil électro-mécanique, tel qu'une visseuse, dans le cadre de la production industrielle et en particulier dans celui de l'industrie automobile. Ce type d'industrie utilise des systèmes de vissage permettant un traçage de la qualité de toutes les opérations de production.
  • Un tel outil comporte généralement un moteur électrique, une réduction, une interface utilisateur pour introduire des paramètres, tels que des paramètres de vissage, une carte électronique de commande, relié au moteur et à une source d'alimentation électrique. L'outil comporte également des capteurs pour évaluer le bon fonctionnement de l'outil, comme par exemple des capteurs de couple et d'angle dans le cas d'une visseuse. Une boucle de régulation est mise en place dans la carte électronique pour analyser les signaux émis par les capteurs et commander le moteur en fonction d'une consigne de travail introduite sur l'interface utilisateur, cette consigne de travail est par exemple une stratégie de vissage.
  • Une stratégie de vissage définit les étapes du vissage et les paramètres de contrôle de l'outil qui y sont associés. En général une stratégie comprend 2 étapes, un prévissage et une montée en couple :
    • la phase de prévissage consiste à amener la tête de vis en contact avec la pièce à assembler.
    • la phase de monté en couple jusqu'à un couple objectif (ou éventuellement un angle objectif) consiste à installer une tension mécanique dans le corps de vis pour assembler fortement les pièces de l'assemblage.
  • Lors de la phase de prévissage, l'outil fonctionne à une vitesse proche du maximum de la visseuse pour minimiser le temps de vissage, ceci jusqu'à atteindre un niveau de couple correspondant à un pourcentage prédéfini du couple objectif (de l'ordre de quelques dizaines de %).
  • Durant la phase de montée en couple la vitesse est plus faible, de l'ordre de 10% de la vitesse maximum de la visseuse.
  • Lorsque la visseuse détecte un niveau de couple résistant de la vis du niveau du couple objectif de vissage, alors le moteur est freiné de la façon la plus forte possible, ceci pour arrêter la rotation de la vis et stopper la montée en couple.
  • Le freinage du moteur ne pouvant s'opérer en un temps nul, le couple objectif peut être dépassé d'une valeur communément appelée « overshoot » en langue anglo-saxonne, que l'on essaye de minimiser.
  • Deux techniques de freinage existent, le freinage passif et le freinage actif. Le freinage passif consiste à court-circuiter les phases du moteur et à utiliser sa résistance ohmique propre pour transformer l'énergie cinétique du moteur en chaleur (effet Joules). L'inconvénient du freinage passif est que la vitesse de freinage n'est pas maitrisée, or de cette maitrise dépend la régularité de l'« overshoot » et donc la dispersion du couple de serrage. Le freinage actif consiste à piloter le moteur de telle sorte à ce qu'il produise un couple maitrisé dans un sens inverse de celui la rotation de l'outil. Le freinage actif induit une production d'énergie qui doit être dissipée immédiatement ou stockée quelque part, dans des condensateurs en entrée de l'onduleur par exemple. Le freinage actif permet un contrôle de la vitesse de freinage mais il présente le risque de surcharger les condensateurs, et de les détériorer par un surplus d'énergie.
  • Le document WO 2011/116452, publié le 29 septembre 2011 , divulgue un système de commande de couple pour des outils rotatifs en spécifiant un couple final qui, lorsqu'il est atteint, détermine la fin du vissage. L'outil dispose d'un moyen de régulation pour maintenir la tension du moteur proche d'une valeur calibrée. Si un défaut est détecté, alors le moteur est arrêté.
  • Le document EP 1 666 905 A2, publié le 7 Juin 2006 , décrit une visseuse dotée de capteurs de courant et de tension aux bornes du moteur. Si la tension est inférieure à une certaine valeur, la perceuse ne sera pas démarrée, et si au cours du serrage la tension passe en dessous du seuil, alors le moteur est arrêté.
  • Le document WO 2013/147324, publié le 13 Décembre 2007 , décrit une visseuse alimentée par un courant alternatif qui est redressé par un pont de diodes et filtré, pour fournir un courant continu.
  • Le document EP 2 623 268 A1, publié le 7 Juillet 2013 , décrit une visseuse dotée d'un voltmètre pour détecter la tension de la batterie.
  • Ces documents montrent que lors d'un disfonctionnement détecté par des capteurs de courant et/ou de tension, le travail de l'outil est interrompu et l'opération n'a pas été menée à bien.
  • Il importe donc de bien gérer les puissances développée et consommée. La puissance instantanée par une visseuse résulte du produit du couple instantanée appliqué sur la vis par la vitesse instantanée de rotation. La puissance demandée à l'alimentation électrique est égale à la puissance mécanique fournie par l'outil augmentée du rendement de transformation de l'énergie électrique par ledit outil. Cette puissance est requise pendant une période de temps d'autant plus longue que l'angle parcouru par l'outil pour atteindre le couple objectif est grand.
  • La chaîne de transmission des efforts d'un outil soumis à une montée en couple se déforme en stockant de l'énergie potentielle. Une fois la montée en couple achevée, la réduction se détend et si le corps de l'outil est immobilisé, soit parce que tenu par l'opérateur ou soit fixé sur bâti, alors le rotor du moteur est entraîné dans le sens du dévissage. Le moteur doit être alors freiné pour éviter qu'il n'atteigne une vitesse trop importante et destructrice pour la mécanique. Lors de ce freinage, le moteur fonctionne en génératrice et renvoi au travers de l'onduleur une énergie susceptible de détériorer les condensateurs situés en amont de l'onduleur.
  • Dans un mode de pilotage du moteur visant à transformer de l'énergie électrique en énergie mécanique (moteur) ou visant à transformer de l'énergie mécanique en énergie électrique (génératrice), le champ magnétique statorique est piloté de telle sorte à ce que son orientation soit perpendiculaire au champ magnétique rotorique. Selon le mode de fonctionnement, en moteur ou en génératrice, le sens du champ magnétique statorique est piloté de façon à produire un couple dans le sens de rotation ou à l'opposé de ce sens.
  • Un écart par rapport à cet angle perpendiculaire conduit à dégrader le rendement du moteur ou de la génératrice en transformant une partie de l'énergie consommée (électrique dans le cas du moteur ou mécanique dans le cas de la génératrice) en chaleur générée par effet Joule dans le bobinage du moteur.
  • Il est connu des outils comportant une boucle de régulation consistant à effectuer les taches suivantes :
    • mesurer le comportement du moteur,
    • déterminer les écarts de ce comportement par rapport à une consigne fixée par des paramètres d'utilisation,
    • corriger les écarts en modifiant des paramètres de commande générés par une carte électronique.
  • De cette manière, l'outil effectue un travail conformément à une consigne déterminée (stratégie de vissage). Mais dans certaines circonstances, le strict respect des paramètres d'utilisation peut nuire au bon fonctionnement de l'outil.
    • 3. Inconvénient de l'art antérieur
  • Voici quatre situations associées à des inconvénients particuliers qui peuvent intervenir et nuire au bon fonctionnement de l'outil :
    • Le moteur est sous charge et la batterie alimentant l'outil est sous dimensionnée par rapport au travail à réaliser. Dans ce cas, la tension délivrée par la batterie descend en dessous d'une valeur pour laquelle la carte électronique de l'outil ne fonctionne plus. La carte n'est pas détériorée, mais n'a plus assez de tension pour fonctionner et le cycle de travail est interrompu.
    • Le moteur est sous charge et l'alimentation externe de l'outil est limitée par un disjoncteur sous-dimensionné. Dans ce cas, au cours d'un cycle de travail, l'intensité demandée à l'alimentation externe est excessive et déclenche l'ouverture du disjoncteur.
    • Le moteur est utilisé comme génératrice pour freiner le moteur, l'outil est alimenté par batterie ou par une alimentation externe. A la fin du travail, la chaîne de transmission mécanique de l'outil, ayant accumulée de l'énergie potentielle à cause de la déformation, se détend en entrainant le moteur dans un sens inverse à celui du travail à réaliser. Le moteur fonctionnant alors en génératrice, renvoie à son moyen d'alimentation une énergie susceptible d'endommager les condensateurs situés en amont dudit moyen.
    • Le moteur est utilisé comme génératrice pour freiner le moteur, l'outil est alimenté par batterie ou par une alimentation externe. Une fois le couple le couple objectif atteint, si le freinage est passif, alors le couple de freinage n'est pas contrôlable.
    4. Objectifs de l'invention
  • L'invention a notamment pour objectif de pallier au moins un des inconvénients de l'art antérieur listé ci-dessus, de façon à protéger le moyen d'alimentation de l'outil et son électronique de régulation.
    • 5. Exposé de l'invention
  • Ces objectifs, ainsi que d'autres qui apparaîtront par la suite, sont atteints par un outil électromécanique comprenant un moteur synchrone doté d'un rotor et connecté à une carte de commande électronique, une interface pour l'introduction de paramètres d'utilisation et une alimentation électrique, la carte électronique délivrant au moteur des signaux aptes à le commander selon les paramètres d'utilisation introduits. L'outil comporte en outre un détecteur de fonctionnement de l'alimentation électrique apte à détecter au moins une grandeur électrique en dehors d'une fenêtre de fonctionnement déterminée. La détection de l'une quelconque des situations prises dans l'ensemble suivant :
    • la valeur de la tension de l'alimentation électrique passe en dessous d'un seuil minimum de tension,
    • la valeur de l'intensité délivrée par l'alimentation électrique dépasse un seuil nominal d'intensité,
    • déclenche une modification des valeurs de signaux de commande calculés à partir des paramètres d'utilisation et transmis au moteur de façon à diminuer sa vitesse de rotation jusqu'à une valeur non nulle et à consommer moins de puissance à l'outil.
  • De cette manière, le moyen d'alimentation de l'outil et/ou son électronique est mieux protégé lorsque certaines circonstances interviennent lors du fonctionnement de l'outil. Certes, le cycle d'utilisation s'effectue avec des paramètres d'utilisation modifiés et dégradés, mais au moins il se termine sans détériorer l'outil.
  • Selon un premier mode de réalisation, l'outil comporte un moyen de mesure du couple exercé par le moteur, l'alimentation du moteur étant arrêtée lorsque le couple mesuré atteint une valeur de couple objectif spécifiée dans les paramètres d'utilisation.
  • Selon un autre mode de réalisation, l'alimentation du moteur est arrêtée lorsque la durée de vissage spécifiée dans les paramètres d'utilisation est atteinte.
  • Selon un autre mode de réalisation, les moyens d'alimentation comportent une source électrique un redresseur, un détecteur mesurant la tension fournie par le redresseur, la dite tension ainsi détectée étant comparée à une plage de tension. De cette manière, le moyen de détection de défaut de fonctionnement est particulièrement simple.
  • Selon un autre mode de réalisation, l'outil électromécanique comporte un moyen d'émission d'un signal d'alarme lorsque ledit détecteur de fonctionnement de l'alimentation électrique détecte au moins une grandeur électrique en dehors de ladite fenêtre de fonctionnement déterminée. De cette manière, un opérateur manipulant l'outil est averti d'un défaut de son fonctionnement. La présente invention concerne un outil électromécanique comprenant un moteur synchrone doté d'un rotor et connecté à une carte de commande électronique, une interface pour l'introduction de paramètres d'utilisation et une alimentation électrique, la carte électronique délivrant au moteur des signaux aptes à le commander selon les paramètres d'utilisation introduits. Ledit outil comporte un détecteur de fonctionnement de l'alimentation électrique apte à détecter au moins une grandeur électrique en dehors d'une fenêtre de fonctionnement déterminée, la détection de niveaux électriques en dehors de ladite fenêtre déclenchant une modification des signaux émis par la carte de commande différents de ceux calculés selon les paramètres d'utilisation. Le détecteur est conçu pour détecter qu'une tension aux bornes des condensateurs dépasse un seuil de tension prédéfini, la détection de ce dépassement déclenchant la modification de l'angle de commande du moteur avec un déphasage différent de 90°.
  • De cette manière, une surtension générée par le moteur qui pourrait détériorer l'alimentation de l'outil et en particulier les condensateurs, est limitée.
  • Selon un autre mode de réalisation, l'outil électromécanique est une visseuse.
    • 6. Liste des figures
  • D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante d'un mode de réalisation particulier, donné à titre de simple exemple illustratif et non-limitatif, et des dessins annexés, parmi lesquels :
    • la figure 1 montre un exemple d'un système de commande d'un outil industriel comprenant un batterie,
    • la figure 2 présente un exemple de synoptique de contrôleur communiquant par radio avec un outil,
    • la figure 3 présente un exemple de synoptique des éléments mécaniques et électriques d'un outil avec son contrôleur selon l'art antérieur,
    • la figure 4 présente un exemple de synoptique des éléments mécaniques et électriques d'un outil avec son contrôleur selon un exemple préféré de réalisation de l'invention,
    • la figure 5 présente un exemple de synoptique des éléments mécaniques et électriques d'un outil alimenté par une batterie selon une variante de réalisation.
    7. Description d'un mode de réalisation de l'invention 7.1 Principe général
  • La présente invention concerne un outil électromécanique selon la revendication 1. De cette manière, le moyen d'alimentation de l'outil et/ou son électronique est mieux protégé lors des consommations excessives du moteur ou lorsque celui-ci produit un surcroit d'énergie lors des phases de freinage.
    • 7.2 Description d'un système de commande d'un outil industriel
  • La Fig.1 décrit un exemple d'un système de commande permettant de contrôler le fonctionnement d'un outil. Selon un mode préféré de réalisation, le système comporte un outil industriel 1 communiquant par radio avec un contrôleur 10 destiné à contrôler le fonctionnement de cet outil. Dans ce mode de réalisation, l'outil dispose de sa propre alimentation, par une batterie de préférence.
  • Un outil industriel est par exemple une visseuse électrique à serrage asservi qui est classiquement mise en oeuvre pour assurer, au cours d'une opération de vissage, le serrage d'un assemblage, c'est à dire la liaison de plusieurs pièces par exemple au moyen d'une vis serrée à un couple dont la valeur est choisie de façon que l'assemblage soit suffisamment rigide mais avec un couple maximal pour ne pas endommager ladite vis. De ce fait, le couple de serrage cible est un exemple de paramètres d'utilisation de l'outil. D'autres paramètres d'utilisation peuvent être définis tels que la courbe de montée vers le couple de serrage cible ou la valeur maximale d'intensité de la motorisation de l'outil.
  • Une telle visseuse comprend généralement un carter 2 comprenant une poignée 3 et contenant notamment les éléments suivants :
    • un moteur 4 synchrone muni d'un rotor,
    • une transmission intégrant une réduction,
    • un organe terminal susceptible de porter un embout de vissage,
    • un capteur de couple destiné à détecter l'atteinte d'un couple objectif,
    • un capteur d'angle destiné à mesurer l'angle entre le rotor et le stator du motor,
    • un moyen de contrôle 6 commandant en continu le moteur et recevant des capteurs 4 des informations sur l'opération en cours,
    • un moyen de commande de l'outil 7 permettant à un opérateur d'utiliser cet outil, ce moyen de commande est typiquement une gâchette électrique,
    • au moins une batterie 8 constituant la source d'énergie électrique,
    • un module émetteur récepteur 9 permettant la communication radio (réseau Wifi par exemple) de façon bidirectionnelle avec son contrôleur 10 pour recevoir notamment les paramètres d'utilisation.
  • Selon un autre mode de réalisation, non représenté sur la Fig. 1 , l'outil 1 est relié par un câble au contrôleur 10, ce dernier fournissant entre autre la source de puissance électrique.
  • La Fig. 2 représente un synoptique d'un contrôleur 10 destiné à alimenter et commander un outil 1 tel qu'une visseuse. Selon l'exemple illustré de réalisation, le contrôleur 10 comporte une unité centrale 11 associée à un programme d'exécution enregistré dans une mémoire 12, et une interface d'entrée sortie 13, une interface utilisateur pour gérer un moyen d'introduction de commande 14 (clavier, écran tactile, souris, ...), un moyen d'affichage 15 (écran, afficheur, voyant lumineux) et éventuellement, un moyen d'émission d'un signal sonore sur une fréquence audible. Le contrôleur comporte également un moyen de communication radio 16 avec l'outil. Selon un autre mode de réalisation, non représenté sur la Fig. 2, le contrôleur dispose d'un connecteur pour l'alimentation électrique de l'outil 1 et la communication filaire. Dans ce cas, le contrôleur n'a pas besoin d'un module radio 16.
  • La Fig. 3 présente un exemple de synoptique des éléments mécaniques et électriques d'un outil avec son contrôleur selon l'art antérieur. L'outil est alimenté par un ensemble d'éléments comprenant une source d'alimentation 20 (batterie, transformateur, ...), un convertisseur unidirectionnel 21 (diode, redresseur de tension) et un moyen de stockage de l'énergie 22 (typiquement des condensateurs). Le moteur 23 synchrone doté d'un rotor est alimenté par un convertisseur bidirectionnel 24 qui reçoit des signaux de commandes en vue de faire transiter des signaux de puissance pour le contrôle du moteur entre le moyen de stockage 22 et le moteur 23. Selon un exemple préféré de réalisation, les signaux de commande du convertisseur sont fournis par un générateur de PWM 25 à partir de signaux numériques délivrés par une unité centrale 26 exécutant un algorithme de pilotage moteur 26. Cet algorithme de pilotage moteur 26 reçoit d'une interface utilisateur des paramètres d'utilisation, par exemple une stratégie de vissage, et des signaux de mesure émis par des capteurs 27 analysant le comportement du moteur 23. Les éléments 22, 24, 25 et 26 peuvent être physiquement embarqués dans l'outil (dans le cas où l'outil comporte une batterie 8) ou être déportés dans le contrôleur 10. En fonction de l'écart existant entre les paramètres d'utilisation et la situation du moteur, l'algorithme de pilotage moteur ajuste les signaux de commande produits par le générateur de PWM 25 pour que le moteur transmette aux éléments mécaniques 28 de l'outil, des actions aussi proches possible que celles fixées par les paramètres d'utilisation.
  • Ce qui vient d'être décrit correspondant à l'art antérieur qui présente, comme cela a été longuement décrit dans le préambule de la présente demande, plusieurs inconvénients.
  • La Fig. 4 présente un exemple de synoptique des éléments mécaniques et électriques d'un outil avec son contrôleur selon un exemple préféré de réalisation de l'invention. Les éléments rajoutés par rapport à la Fig. 3 apparaissent en gras. Un module de mesure de signaux électriques 30 est rajouté au niveau de la source d'alimentation pour mesurer la tension et le courant présents après le convertisseur unidirectionnel. Ce module matériel transmet les mesures à l'unité centrale 26 dont le programme a été modifié pour y rajouter deux blocs logiciel, l'un pour le contrôle de l'amplitude des signaux de contrôle en fonction de la tension et/ou du courant mesuré, l'autre pour le contrôle de l'angle appliqué au moteur 23 par les signaux de contrôle en fonction de la tension et/ou du courant mesuré.
  • Le premier bloc logiciel 31 comporte un test consistant à comparer la tension Vin en sortie du convertisseur 21 à un seuil déterminé Vthl. Si Vin est inférieure à la valeur de seuil Vthl, alors l'amplitude de PWM est réduite, ce qui diminue la vitesse de rotation du moteur. Ce cas intervient lorsque la puissance demandée au moteur est trop importante et écroule la tension d'alimentation. La diminution de la vitesse de rotation du moteur sans toutefois arrêter sa rotation, entraine une puissance plus faible à fournir, et de ce fait une tension d'alimentation qui retrouve alors un niveau acceptable.
  • Selon une variante de réalisation, le test effectué par ce premier bloc logiciel consiste à comparer l'intensité Iin en sortie du convertisseur 21 à un seuil déterminé Ith. Si Iin est supérieure à la valeur de seuil Ith, alors l'amplitude de PWM est réduite, ce qui diminue la vitesse de rotation du moteur 23.
  • Quelle que soit la variante, la diminution de la vitesse, sans toutefois l'annuler, permet de terminer le cycle d'utilisation, le cycle étant terminé lorsque le moteur est arrêté et que la tension appliquée à ses bornes est nulle. Selon un premier mode de réalisation, le couple est mesuré en permanence et en utilisant une vitesse inférieure, le vissage (c'est à dire, la rotation du moteur) est arrêté lorsque le couple cible est atteint. Dans ce mode, la durée du vissage est rallongée. Selon un autre mode de réalisation, la durée de vissage spécifiée dans les paramètres d'utilisation est maintenue mais en utilisant une vitesse inférieure.
  • Le second bloc logiciel 32 comporte un test consistant à comparer la tension Vin en sortie du convertisseur 21 à un autre seuil déterminé Vthh. Si Vin est supérieure à la valeur de seuil Vthh, alors la valeur d'angle entre le champ magnétique rotorique et le champ magnétique statorique commandé par le générateur de PWM est écartée de l'angle optimum de 90°. Ce cas intervient lorsque le moteur 23 est utilisé comme une génératrice. Par exemple, lors d'un vissage impliquant une torsion importante dans la transmission ; à la fin du cycle, la torsion peut entraîner le moteur de l'outil dans le sens du dévissage à forte vitesse. L'algorithme de pilotage moteur commande un freinage en utilisant le moteur en génératrice, ce qui a pour effet de produire de l'énergie sous la forme d'une énergie stockée dans les condensateurs 22. Si cette énergie devient trop importante, la tension monte et dépasse le seuil Vthh. Cette tension importante peut détériorer les condensateurs et/ou le convertisseur 21. La modification de l'angle entre le champ magnétique rotorique et le champ magnétique statorique en le rendant différent de 90° dégrade la performance du moteur 23 et évite d'appliquer une trop grande tension aux bornes des condensateurs. L'énergie étant moins stockée dans les condensateurs, la tension Vin n'augmente pas pour atteindre des valeurs dangereuses. L'énergie mécanique est alors transformée en chaleur par effet joule dans les bobinages du moteur, plutôt qu'en générant une tension aux bornes des condensateurs.
  • Les variantes décrites précédemment peuvent être utilisées indépendamment l'une de l'autre au sein d'un appareil, ou en combinaison dans le même bloc logiciel. Quelque que soit le ou les variantes utilisées, on constate que le cycle d'utilisation de l'outil n'est pas alors celui défini par les paramètres d'utilisation. En effet, ce cycle s'effectue avec des paramètres d'utilisation modifiés et dégradés. Mais l'utilisation de l'une de ces variantes permet de terminer le cycle d'utilisation sans détériorer l'outil.
  • En d'autres termes, il est connu d'installer une première boucle d'asservissement consistant à commander un moteur en fonction de l'écart entre la mesure de son comportement et un ensemble de paramètres d'utilisation. Comme il est décrit précédemment, l'outil selon un mode préféré de réalisation de l'invention comporte également un détecteur mesurant les signaux électriques fournis par l'alimentation de l'outil et une seconde boucle d'asservissement.
  • Lorsque le ledit détecteur mesure des signaux électriques dont les valeurs se situent en dehors d'une fenêtre de fonctionnement normal, alors la seconde boucle d'asservissement, reliée au détecteur, génère des signaux de commande du générateur de PWM de façon à ramener les valeurs des signaux électriques dans la fenêtre de fonctionnement normal. Ces signaux de commande se substituent à ceux produits par la première boucle de régulation pour la commande du générateur de PWM. Cette situation intervient tant que les valeurs des signaux générés par le premier bloc logiciel 31 sont inférieures à l'amplitude des signaux générés par la première boucle ou tant que les signaux générés par le second bloc logiciel 32 entraînent un écart entre champ rotorique et statorique différent de 90°.
  • On constate donc que pendant cette période où les signaux de commande ne sont pas ceux permettant de respecter les paramètres d'utilisation introduits, le comportement de l'outil s'écarte de celui définit par lesdits paramètres d'utilisation, dans le but de terminer son cycle de travail ou de ne pas le détériorer.
  • La Fig.5 illustre le mode préféré de réalisation consistant à utiliser un outil alimenté par une batterie 40, au moins une diode 41 de protection, et des condensateurs 42. Un module 43 mesure la tension aux bornes des condensateurs. Ce module matériel transmet les mesures aux deux blocs logiciels 45 et 46 gérant la modification de l'amplitude des signaux de commande et de l'angle entre le champ magnétique rotorique et le champ magnétique statorique du moteur 47. L'algorithme de pilotage moteur 44 transmet des valeurs numériques de commandes à un générateur de signaux PWM 48 via les deux blocs logiciel 45 et 46, ce générateur 48 délivrant des signaux de commande à un module de commande 49 du moteur 47. Le moteur 47 est contrôlé par un champ tournant polyphasé, en utilisant trois phases par exemple. Des capteurs 50 analysent le comportement du moteur 47 et transmettent des mesures à l'algorithme de pilotage moteur 44. En fonction de l'écart existant entre les paramètres d'utilisation et la situation du moteur, l'algorithme de pilotage moteur ajuste les signaux de commande produits par le générateur de PWM 48 pour que le moteur transmette aux éléments mécaniques 51 de l'outil des actions aussi proches possibles que celles fixées par les paramètres d'utilisation.
  • Pour un outil ayant une batterie de 36 volts, voici les tests et les actions réalisés par les deux blocs logiciel 45 et 46. Le premier bloc logiciel 45 comporte un test consistant à comparer la tension Vin aux bornes des condensateurs 42 à un seuil déterminé Vthl, par exemple 12 volts. Si Vin est inférieure à 12 volts, la batterie est trop sollicitée, alors le bloc logiciel 45 modifie l'amplitude des signaux émis par le générateur de PWM 48. Cette modification est opérée par un algorithme de régulation classique, de type PID par exemple.
  • Le second bloc logiciel 46 comporte un test consistant à comparer la tension Vin aux bornes des condensateurs 42 à un seuil déterminé Vthh, par exemple 48 volts. Si Vin est supérieure à 48 volts, alors la valeur d'angle entre le champ magnétique rotorique et le champ magnétique statorique commandé par le générateur de PWM est modifiée et devient différente de 90°. Ce cas intervient lorsque le moteur devient une génératrice. La modification de l'angle entre le champ magnétique rotorique et le champ magnétique statorique en le rendant inférieur à 90° dégrade la performance du moteur et évite de fournir une trop grande énergie aux condensateurs. L'énergie étant moins stockée dans les condensateurs, la tension Vin n'augmente alors plus pour atteindre des valeurs dangereuses. Cette modification est opérée par un algorithme de régulation classique, de type PID par exemple. L'énergie mécanique est alors transformée en chaleur par effet joule, plutôt qu'en générant une tension.
  • Selon un perfectionnement, l'outil et/ou son contrôleur comporte un moyen d'émission d'un signal d'alarme lorsque le détecteur de fonctionnement de l'alimentation électrique détecte au moins une grandeur électrique en dehors de fenêtre de fonctionnement normal.
  • L'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation qui viennent d'être décrits. En particulier, l'invention peut être implémentée sur différents types de pilotage moteur, notamment pour réaliser des vissages ou des perçages. L'invention se caractérise par les revendications suivantes.

Claims (4)

  1. Outil électromécanique (1) comprenant un moteur synchrone (4) doté d'un rotor et connecté à une carte de commande électronique, une interface pour l'introduction de paramètres d'utilisation et une alimentation électrique, la carte électronique délivrant au moteur des signaux aptes à le commander selon les paramètres d'utilisation introduits, ledit outil comportant un détecteur (30) de fonctionnement de l'alimentation électrique apte à détecter au moins une grandeur électrique en dehors d'une fenêtre de fonctionnement déterminée, la détection de niveaux électriques en dehors de ladite fenêtre déclenchant une modification des signaux émis par la carte de commande différents de ceux calculés selon les paramètres d'utilisation, ledit outil étant caractérisé en ce que le détecteur (30) étant conçu pour détecter qu'une tension aux bornes des condensateurs dépasse un seuil de tension prédéfini, la détection de ce dépassement déclenche la modification de l'angle de commande du moteur avec un déphasage différent de 90°.
  2. Outil électromécanique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens d'alimentation de l'outil comportent une source électrique (20 ; 40), un redresseur, un détecteur mesurant la tension fournie par le redresseur, la dite tension ainsi détectée étant comparée à une plage de tension.
  3. Outil électromécanique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte un moyen d'émission d'un signal d'alarme lorsque ledit détecteur de fonctionnement de l'alimentation électrique détecte au moins une grandeur électrique en dehors de ladite fenêtre de fonctionnement déterminée.
  4. Outil électromécanique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'outil est une visseuse.
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