FR2478398A1 - Controle numerique de la vitesse d'un moteur - Google Patents

Abstract

A.CONTROLE NUMERIQUE DE LA VITESSE D'UN MOTEUR. B.UN CIRCUIT DE COMMUTATION 22 EST DEBLOQUE PAR LE DEBUT D'UN SIGNAL D'UNE PREMIERE HORLOGE ET EST BLOQUE EN REPONSE A UN SIGNAL D'UN DETECTEUR DE ROTATION D'UN ARBRE DE GYROSCOPE. PENDANT LA PERIODE OU LE CIRCUIT DE COMMUTATION RESTE DEBLOQUE, UN COMPTEUR COMPTE LES CYCLES DES SIGNAUX D'UNE SECONDE HORLOGE. CE COMPTE SERT DE SIGNAL D'ERREUR POUR AJUSTER LA FREQUENCE DE SORTIE D'UN GENERATEUR D'IMPULSIONS RELIE A UN MOTEUR DE GYROSCOPE. UNE BOUCLE DE RETRO-ACTION SE CREE ENTRE CES ELEMENTS POUR ASSURER UNE VITESSE CONSTANTE PRESELECTIONNEE DU MOTEUR DE GYROSCOPE. C.APPLICATION: GYROSCOPES.

Description

La présente invention concerne les systèmes de contrôle de la vitesse d'un

moteur et a trait notamment à un système de contrôle numérique

propre à maintenir constante la vitesse d'un moteur de gyroscope.

Le contr8le précis de la vitesse d'une toupie de gyroscope à deux axes est nécessaire pour obtenir des données de précision. On a constaté que les performan- ces endérive d'un gyroscope peuvent être optimisées en synchronisant la position de la toupie selon une orientation reproductible par rapport à une référence afin d'éliminer les effets aléatoires des champs magnétiques parasites, de vibrations et d'effets isoélastiques dus à la vibration du moteur qui sont associés à un angle aléatoire de verrouillage de synchronisation. Ce dernier angle peut être défini comme l'angle entre le flanc montant d'un signal d'excitation d'un moteur

de gyroscope et un signal périmétrique prélevé sur l'arbre dumoteurde gyroscope.

Diverses solutions ont été proposées pour commander le moteur d'un

gyroscope à deux axes, telles que l'utilisation d'un moteur d'entraînement à induc-

tion et d'un servo-mécanisme en boucle fermée qui commande à la fois la vitesse d'un gyroscope et l'angle de "verrouillage". Divers systèmes de l'art antérieur ont fait appel à la démodulation, à la mise en forme, à la conversion analogique-numérique et au tamponnage de l'alimentation. Bien que ces solutions permettent une meilleure

commande de la vitesse d'un gyroscope, un inconvénient majeur réside dans la géné-

ration de signaux d'attaque synchronesde modulation en fréquences harmoniques qui sont imprimées au moteur par les ondulations de la tension d'alimentation et par les effets de mise à la masse dans les sections de conversion analogique et analogique-numérique d'un servo- mécanisme associé. Ces effets de modulation en fréquence créent à leur tour des corrections importantes de dérive lorsqu'on opère de manière synchrone en raison de la cinématique d'un mécanisme à

d'un moteur accordé qui fait souvent partie d'un gyroscope à deux axes.

La présente invention a donc pour but de réaliser un système de contrôle numérique de la vitesse d'un moteur de gyroscope qui permet de contrôler avec précision la vitesse et de synchroniser en outre la toupie par rapport à une horloge de référence tout en éliminant le mécanisme majeur de création d'effets- de

modulationen fréquence auniveaudesharmoniquesdela vitesse de la toupie.

En outre, la mise en oeuvre numérique de la présente invention

permet la réalisation d'un circuit plus fiable, en utilisant des circuits in-

trégrés qui apportent l'avantage d'une consommation de courant inférieur à

celle du système à base de l'art antérieur.

Bien que l'on décrive le système de contrôle de vitesse par rapport à un moteur de gyroscope, il va de soi que ce système peut s'appliquer à d'autres types de moteur.

Une forme d'exécution de la présente invention est décrite ci-

après à titre d'exemple, en référence aux dessins annexés dans lesquels la figure 1 est un schéma synoptique du système de contrôle de la vitesse d'un moteur conforme à la présente invention; - la figure 2 est un schéma détaillé des circuits représentés sur la figure]; et - la figure 3 est un schéma de synchronisation représentant des

signaux en divers points des circuits du système de contrôle.

Sur la figure I on voit un schéma synoptique du système de

contrôle de la vitesse d'un moteur conforme à la présente invention. Un con-

ducteur 12 est relié à l'entrée d'un moteur 10, un moteur de gyroscope par exemple, pour mettre le moteur sous tension. Un arbre de sortie 13 du moteur

comporte une toupie 14. L'arbre ou la toupie peut comporter un élément magné-

tique ou un élément incorporé (non représenté) permettant à un détecteur ma-

gnétique 16 de détecter chaque tour de l'arbre 13. Bien entendu, on peut uti-

liser un système de détection optique ou d'autres dispositifs tachymétriques

bien connus dans la technique. Chaque tour de l'arbre du moteur a pour consé-

quence d'envoyer une impulsion sur le conducteur 18 du détecteur et fournit une première entrée du circuit de contrôle de vitesse conforme à l'invention, indiqué en 20. Le circuit de contr6le de vitesse 20 émet une sortie à ondes carrées qui sert à contrôler la vitesse du moteur 10. La sortie du circuit sur le conducteur 12 est une onde carrée d'une fréquence nominale plus ou moins une valeur proportionnelle à la différence dans le temps entre le flanc montant d'une onde carrée d'horloge de référence et la production d'une impulsion par

le détecteur 16. L'impulsion fournie par le détecteur est un signal de rétro-

action produit une fois par tour de l'arbre 13 du moteur. Lorsque cette impul-

sion fournie par le détecteur se produit au même rythme que la référence d'hor-

loge, la vitesse du moteur a été correctement synchronisée. Une différence entre le rythme de l'entrée de référence d'horloge et le rythme des impulsions

du détecteur produit une modification de la fréquence de sortie qui sert subsé-

quemment pour corriger les rythmes afin de maintenir constante la vitesse du moteur. S'il s'agit d'un moteur 10 d'un gyroscope à deux axes, le circuit 20 conforme à l'invention optimise les performances en dérive en synchronisant la

position de la toupie selon une orientation reproductible par rapport à la ré-

férence d'horloge. Il est à noter que, dans la description suivante de l'inven-

tion, certains points de circuit sont désignés par une lettre alphabétique qui

se réfère au schéma de synchronisation de la figure 3.

Pour revenir au circuit 20, le signal d'entrée impulsionnelle apparaissant sur le conducteur 18 est appliqué à une première borne 24 (point B) d'un circuit de commutation marche/arrêt 22. Un signal d'horloge est envoyé sur le conducteur 26 à une seconde entrée (point A) du circuit 22. Pour une application typique de la présente invention à un gyroscope à deux axes, le signal d'horloge peut être de 150 Hz. Le flanc montant d'un signal d'horloge débloque le circuit de commutation 22 pour envoyer un signal "marche" sur le

conducteur 28 (Point C) qui est relié à la première entrée d'un compteur/dé-

compteur à 12 bits 30. Une entrée impulsionnelle présente en 24 produit un signal "arrêt" sur le conducteur de sortie 32 (Point C), signal qui interdit le compteur 30 de compter. Une seconde horloge est prévue sur le conducteur 42, cette horloge ayant une fréquence différente de celle de la première. Dans l'application de la présente invention à un moteur de gyroscope à deux axes, la seconde horloge peut avoir une fréquence de 9,8 MHz alors que celle de la

première horloge est de 150 Hz. Le signal d'horloge est envoyé dans un divi-

seur de fréquence 31, qui produit une série d'impulsions d'une fréquence d'environ trois ordres de grandeur supérieure à celle du signal de la première

horloge. Dans l'application à un moteur de gyroscope à deux axes,cette fréquen-

ce peut être de 154 IHz résultant d'une opération de "division par 64". Le cir-

cuit de commutation 22 reste débloqué pendant la période comprise entre le flanc montant du signal d'horloge sur le conducteur 26 (Point A) et le flanc

montant de l'entrée impulsionnelle (Point B) sur la borne 24, ce qui corres-

pond à l'angle de "verrouillage". Le compteur 30 traduit la durée de déblocage

du circuit de commutation et, par conséquent, l'angle de "verrouillage" est me-

suré selon le nombre de cycles de la sortie du diviseur 31 arrivant sur le compteur 30. Un registre de maintien 36 est relié par un conducteur 34 au

compteur 30 de façon à stocker le compte en vue de son traitement ultérieur.

En d'autres termes, un "signal d'erreur" produit par suite de la commutation marche/arrêt du circuit 22, est converti. en un compte qui est stocké dans le

registre 36. Ce compte, correspondant à un compte nominal chargé par l'inter-

médiaire de la ligne 70 plus ou moins un signal d'erreur, détermine un pré-

réglage d'un compteur 40 qui est relié au registre de maintien 36 par le con-

ducteur 38. Ce préréglage détermine le nombre de cycles d'un signal impulsion-

nel sur la borne 47 arrivant sur le compteur 40 pour produire une série d'im-

pulsions de débordement sur le conducteur de sortie 48 (Point D) du compteur 40. Le signal sur la borne 47 est dérivé du signal de la seconde horloge sur le conducteur 42 par un diviseur de fréquence 44. Un conducteur de sortie 46 amène la sortie du diviseur 44 à la borne 47 du compteur 40. D'une manière typique, pour l'application du moteur du gyroscope évoqué comme exemple, le

diviseur 44 peut être un circuit de division par deux de conception classique.

Le compteur 40 incrémente à partir du chiffre chargé jusqu'à débordement et produit des impulsions de débordement sur le conducteur 48 qui connecte la

sortie du conducteur 40 à l'entrée d'un contr8le de compteur/générateur d'im-

pulsions 50. Le contrôle de compteur/générateur d'impulsions 50 produit en sortie une série d'impulsions sur le conducteur de sortie 12 (Point F) d'une fréquence égale à la moitié de la fréquence des impulsions de débordement sur

le conducteur 48. Le contrôle de compteur/générateur d'impulsions 50 synchro-

nise en outre le fonctionnement du circuit 22, du compteur 30, du registre 36

et du compteur 40 comme on va le décrire maintenant.

Un signal "charge" est envoyé sur un conducteur de sortie 52

(Point E) du contr8le de compteur/générateur d'impulsions 50 pour chaque imr-

pulsion de débordament apparaissant sur le conducteur 48. Le r6le du signal "charge" est de permettre le transfert d'un compte stocké dans le registre 36 au compteur 40 pour amorcer la synchronisation du demi cycle suivant de la

fréquence de sortie.

Une sortie supplémentaire du contrôle compteur/générateur d'im-

pulsions 50 est présente sur le conducteur 62 (Poing G) et sert de signal

sprêt pour le circuit de contrôle de transfert 60. En fonctionnement du cir-

cuit, il y a une seule impulsion "pr8t" pour deux impulsions de débordement

pendant chaque période d'un signal de sortie. Cela permet d'éviter l'appari-

tion d'une composante continue dans l'enroulement du moteur 10. Lors de la réception des signaux "prêt" sur les deux entrées du circuit de contr6le de transfert 60, celui-ci émet un signal de "déblocage" sur le conducteur 65 (Point a) qui permet le transfert d'un compte du compteur 30 au registre de

maintien 36. Un conducteur de sortie 64, connecté en parallèle avec le conduc-

teur 65, applique un signal "effacement" au circuit de contrôle de transfert 56, ce signal "effacement" étant nécessaire pour effacer le circuit 22 ( par

l'intermédiaire du conducteur 66 et de l'entrée 68, et pour achever le trans-

fert d'un compte du compteur 30 au registre de maintien 36. Le conducteur 70 est connecté en parallèle avec le conducteur 64, de sorte que la présence d'un signal "charge" sur le conducteur 70 se traduit par le chargement d'un compte préréglé interne dans le compteur 30 pour chaque cycle du signal de référence de la première horloge. Le circuit de cont3le de transfert 56 comprend une

première entrée 67 reliée à la première horloge pour synchroniser le fonction-

nement du circuit de contrôle de transfert 56. En synchronisme avec la première horloge, le circuit de contrôle de transfert 56 envoie sur le conducteur 58

(Point I) le signal "prêtt" qui est reçu par le circuit de contrôle de trans-

fert 60 précité. Lors de la réception des deux signaux "prêt" en 58 et 62 (points G et I), le signal "déblocage" 65 est appliqué sur le registre de main-

tien 36.

En fonctionnement normal des circuits représentés sur la figure

1, la vitesse de rotation de l'arbre 13 du moteur se synchronise sur la fré-

quence de la référence fournie par la première horloge.

Ainsi, il ressort de la description de la figure I que le dé-

tecteur 16 produit une impulsion pour chaque tour du moteur 10. L'instant o s'est produit cette impulsion est comparé avec l'instant d'apparition du flanc

montant de la référence à fréquence fixe de la première horloge. La différen-

ce dans le temps est incrémentée dans le compteur 30 par la fréquence beaucoup plus élevée fournie par le diviseur 31. Pour chaque cycle de la fréquence fixe, le compteur 30 reçoit un compte préréglé en réponse à un signal "charge" sur

, la charge présélectionnée correspond donc à la vitesse nominale du moteur.

Le compteur 30 est ensuite incrémenté en augmentant ou en diminuant son conte-

nu d'une valeur proportionnelle à la différence détectée dans le temps fournie par la série 22. Le chiffre binaire résultant présent dans le compteur 30 est

transféré et stocké dans le registre de maintien 36, une fois par cycle du si-

gnal de la première horloge. Le chiffre stocké est transféré du registre 36 au compteur 40, comme l'entrée préréglée. Le compteur 40 compte ainsi à partir de cette valeur préréglée jusqu'au compte maximal pour établir la fréquence du signal de sortie du contrôle compteur/générateur d'impulsions 50, signal qui est proportionnel à la différence dans le temps entre l'impulsion d'entrée sur

la borne 24 et le flanc montant de la référence de la première horloge. Le si-

gnal de sortie sur le conducteur 12 fait passer cette différence de position

vers une condition nulle.

La figure 2 représente la logique du circuit 20. Il est à noter que les conducteurs fléchés indiquent la connection de conducteurs inutilisés à une polarisition commune, laquelle peut être une borne d'alimentation de 5 V,

par l'intermédiaire d'une résistance d'abaissement de tension. L'entrée impul-

sionnelle sur la borne 24 met à l'état "1" une bascule 74, par l'intermédiaire d'une porte NON-ET 72. Le flanc montant de l'onde carrée de référence de la

première horloge met à l'état "I" la bascule 76 par l'intermédiaire du conduc-

teur 78. Lorsque les deux bascules 74 et 76 sont à l'état "1", les signaux ré-

sultants traversent les trois portes NON-ET indiquées en 84. Le flanc montant du premier signal d'horloge qui se produit a pour conséquence de faire passer la borne 82 de la porte NON-ET au niveau "haut" et l'entrée impulsionnelle

sur la borne 24 ramène cette borne au niveau "bas". La séquence de l'appari-

tion des signaux appliqués aux portes NON-ET 84 détermine l'augmentation ou

la diminution de la fréquence de sortie du circuit 20.

Le compteur/décompteur 30 comprend un certain nombre de modules

de comptage 31, 32 et 33, réalisés normalement sous forme de circuit intégré.

Un tel circuit intégré est commercialisé par plusieurs fabricants de semi-

conducteurs tels que Motorola, National Semiconductor et Texas Instrument, et est désigné par le numéro de référence standard LS669. Le compteur 30 produit

un chiffre numérique nominal plus ou moins une valeur proportionnelle au si-

gnal d'erreur présent sur la borne 82. Le chiffre nominal est chargé dans le compteur 30 à un instant donné après le flanc descendant de l'onde carrée de référence de la première horloge. Le signal d'erreur se produit près du flanc montant du signal de référence de la première horloge et permet au compteur 30 de compter ou de décompter à partir de la valeur qui a été préchargée. Le comptage ira en augmentant si le signal de référence de la première horloge est "haut" ou si la référence de la première horloge met à l'état "I" la bascule 76 avant qu'il n'apparaisse une impulsion sur la borne 24. Lorsque le signal erreur passe au niveau "bas", le comptage s'arrête et le compte est stocké jusqu'au prochain chargement. Le signal d'erreur provenant de la borne 82 est

appliqué au compteur 30 par l'intermédiaire d'une porte NON-ET 86 qui est syn-

chronisée avec le signal de référence de la première horloge, pour empêcher

le verrouillage sur le mauvais flanc du premier signal d'horloge.

La sortie du compteur 30 est transférée à des bascules 88 et 90.

Ces bascules peuvent être réalisées en circuit intégré et sont commercialisées sous le numéro LS 174 par les fabricants précités. Le transfert du compte aux

bascules se produit simultanément avec le chargement du compteur 30 pour com-

mencer un nouveau cycle de mesure d'erreur.

Le compteur 40 peut comprendre 3 composants de comptage 92, 94 et 96 montés en circuit intégré et commercialisés sous le numéro LS163A par les fabricants mentionnés ci-dessus. Le compteur 40 reçoit le compte stocké

dans le registre 36 à une fréquence deux fois celle du signal de sortie appa-

raissant sur le conducteur 12. Le signal envoyé par l'horloge au compteur 40 est le signal présent sur la borne 47 (figure 1). Le pilotage du compteur 40 par l'horloge est continu et n'est jamais interrompu. Plus le chiffre chargé dans le compteur 40 est élevé, plus la fréquence de sortie sera élevée. Le

compteur 40 incrémente à partir du chiffre préchargé, comme on l'a déjà expli-

qué, jusqu'à débordement du compteur, auquel instant un signal de chargement est produit en sortie par la bascule 93 et transmis par le conducteur 52 pour recharger le compteur 40 à partir du registre de maintien 36. La sortie 100 de la bascule 95 pilote des bascules 102 et 104

reliées entre elles qui constituent le circuit de contr8le de transfert 60.

La sortie 106 de la bascule 104 sert à synchroniser l'effacement des bascules 74 et 76 ainsi que le chargement du compteur/décompteur 30 et le transfert d'un compte au registre de maintien 36. Ces fonctions se produisent la première fois de la sortie 100 de la bascule 95 passent au niveau "haut" à la suite d'une transition du niveau "haut" au niveau "bas" du signal de référence de la première horloge. Les fonctions d'effacement de chargement et de transfert se produisent sur la forme d'onde de référence de la première horloge à environ

180 à partir de là o le signal d'erreur est en cours d'élaboration, une con-

dition requise étant que la fréquence de sortie ne change que par rapport à des cycles complets pour éviter l'apparition du composant continu dans

l'enroulement du moteur 10.

Pour être complets on précise que le circuit de contrôle de transfert 56 comprend une porte NON-ET 57 et une bascule 58, la porte NON-ET étant commercialisée sous forme de circuit intégré portant la référence LSOO

par les fabricants précités.

Lorsqu'un signal d'interdiction est présent surle conducteur 108, le système se trouve en phase initiale permettant d'entraîner en rotation le moteur 10 à une vitesse supérieure à la vitesse de synchronisation. Lorsque le signal d'interdiction sur le conducteur 180 est maintenu au niveau "haut", l'effet d'une entrée impulsionnelle sur la bande 24 est bloqué et la fréquence

de sortie est portée à une valeur légèrement supérieure à la fréquence nomina-

le en chargeant un chiffre supérieur au chiffre nominal dans le compteur! décompteur 30. Lorsque le signal sur le conducteur 108 est au niveau "bas", la boucle entre l'entrée et la sortie est fermée et la vitesse du moteur se

synchronise sur le signal de référence de la première horloge.

Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être appor-

tées au dispositif décrit et représenté sans pour autant sortir du cadre de

l'invention.

Claims (10)

REVENDICATIONS

1. Système de contrôle de vitesse d'un moteur, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de détection (16) destinés à produire des signaux en réponse à la rotation cyclique d'un arbre d'un moteur (13); des moyens pour mesurer le temps s'écoulant entre un point de référence d'un signal d'horloge et les signaux des moyens de détection (16); des moyens ayant son entrée connectée au moyen de mesure de temps pour produire en sortie un signal proportionnel au temps mesuré; et des moyens de génération reliés entre la sortie des moyens de production des signals et un moteur (10) pour faire passer le temps mesuré à

une condition nulle afin de maintenir la vitesse et la phase du moteur cons-

tantes par rapport à une référence.

2. Procédé de contr6le de vitesse de moteur, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes:

détection de la rotation cyclique d'un point d'un arbre de mo-

teur (13); mesure du temps s'écoulant entre le point détecté et un signal de référence; conversion du temps mesuré en un signal impulsionnel dont la fréquence est proportionnelle au temps mesuré; et contrôle du moteur (10) par le signal impulsionnel pour faire passer le temps mesuré à une condition nulle afin de maintenir la vitesse et

la phase du moteur constantes par rapport à une référence.

3. Système de contrôle de vitesse d'un moteur, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de détection (16) destinés à produire des signaux en réponse à la rotation cyclique d'un arbre de moteur (13); des premiers moyens (30) destinés à compter pendant une durée

comprise entre le début d'un signal d'horloge et un signal des moyens de dé-

tection (16), le compte correspondant à ladite durée;

des seconds moyens de comptage (40) reçevant le compte des pre-

miers moyens de comptage et étant incrémentés à partir de celui-ci pour pro-

duire des impulsions de débordement d'une fréquence proportionnelle à ladite durée; et

des moyens (50) reliés à la sortie des seconds moyens de compta-

ge pour commander un moteur, ladite durée étant amenée à une valeur nulle pour maintenir la vitesse et la phase du moteur constantes par rapport à une révérence.

4. Le système selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens (36) reliés entre les premiers et seconds moyens de comptage pour stocker le compte des premiers moyens de comptage (30) pen- dant un cycle d'horloge et pour transférer le compte auxseconds moyens de

comptage (40) à la fin d'un cycle d'horloge.

5. Système selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens de commutation (22) reliés entre les moyens de détection (16) et les premiers moyens de comptage (30) pour initialiser un

compte lors de l'apparition du flanc montant du signal d'horloge et pour ter-

miner le compte lors de l'apparition du signal des moyens de détection (16).

6. Le système selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens (60) reliés à la sortie des seconds moyens de comptage (40) pour contrôler le transfert du compte aux seconds moyens de

comptage (40).

7. Système selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il

comprend en outre des moyens pour charger un compte prédéterminé dans les pre-

miers moyens de comptage pour établir une fréquence nominale prédéterminée des

impulsions de débordement.

8. Système selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un signal d'une seconde horloge; et une pluralité de moyens de division de fréquence (31) reçevant sur leurs entrées le signal de la seconde horloge, les sorties des moyens de division de fréquence commandant respectivement les premiers et seconds moyens

de comptage.

9. Système selon la revendication 8, caractérisé en ce que les

premiers moyens de comptage sont constitués par un compteur/décompteur.

10. Système de contrôle de vitesse d'un moteur caractérisé en ce qu'il comprend: des moyens de détection (16) destinés à produire des signaux en réponse à la rotation cyclique d'un arbre de moteur (13),

des moyens de commutation (22) dont les entrées sont reliées res-

pectivement à un signal d'horloge et auxmoyens de détection (16), les moyens de commutation étant débloqués pendant une certaine durée, en réponse à un flanc montant du signal d'horloge et bloqués en réponse à l'apparition du signal des moyens de détection (16);

un premier compteur (30) débloqué pendant ladite durée pour in-

crémenter son contenu jusqu'à un compte correspondant à ladite durée;

un second compte (40) destiné à produire en sortie des impul-

sions après le compte qu'il contient a provoqué son débordement; des moyens (36) reliés entre les premiers et seconds compteurs

pour stocker le compte du premier compteur pendant la durée d'un cycle d'hor-

loge et pour transférer le compte au second compteur (40);

des moyens reliés à la sortie du second compteur (40) pour pro-

duire un signal impulsionnel dont la fréquence, dérivée du second compteur, est celle des impulsions de débordement;

des moyens reliant la sortie des moyens de génération d'impul-

sion à un moteur pour réduire ladite durée à une valeur nulle pour que le moteur (10) maintienne une vitesse et une phase constantes par rapport à une référence. Il. Le système selon la revendication 10, caractérisé en ce que

le moteur fait partie d'un gyroscope.