FR2495856A1 - Amplificateur pour servomoteur - Google Patents

Abstract

L'INVENTION CONCERNE UN AMPLIFICATEUR LINEAIRE A SEMICONDUCTEUR, DESTINE A LA COMMANDE D'UN SERVOMOTEUR. CET AMPLIFICATEUR APPLIQUE AUX BORNES DU SERVOMOTEUR 11 UNE TENSION EGALE A LA TENSION D'UNE SOURCE D'ALIMENTATION A BASSE TENSION, DIMINUEE UNIQUEMENT DES TENSIONS DE SATURATION DE DEUX DE SES TRANSISTORS DE SORTIE 14, 15, 16, 17. CET AMPLIFICATEUR COMPORTE UN ETAGE DE SORTIE CONSTITUE D'UN PONT DE TRANSISTOR COMPLEMENTAIRE 14, 15, 16, 17, ET UN ETAGE D'ATTAQUE CONSTITUE D'UN PONT DE TRANSISTORS COMPLEMENTAIRES 20, 21, 22, 23, EN MONTAGE DARLINGTON, DONT LA CHARGE EST CONSTITUEE PAR UNE RESISTANCE PREDETERMINEE 30. DOMAINE D'APPLICATION: COMMANDE DE SERVOMOTEURS A BASSE TENSION.

Description

L'invention concerne les amplificateurs asservis à semiconducteurs

destinés à un dispositif de commande de position d'un moteur à courant continu, et plus particulièrement à un tel dispositif alimenté par une ligne commune de courant continu sous basse tension, par exemple une ligne commune partant d'une batterie

de 12 volts.

Il existe <epuis longtemps le besoin d'un servo-

amplificateur pouvan. être produit à bon marché, tout en étant de haute précision et pouvant délivrer un courant important à partir d'une source d'alimentation en courant continu à basse tension. Parmi les utilisations d'un tel servo-amplificateur, on peut citer les dispositifs électriques de commande à distance proportionnelle destinés

à l'hydraulique, ainsi que d'autres dispositifs.

Dans l'appareil selon l'invention, un moteur à courant continu constitue un dispositif générateur de couple dans lequel le couple d'un moteur est proportionnel au courant électrique circulant dans le moteur. Le couple est développé à la fEis dans le sens des aiguilles d'une montre et en sens coà:uraire par commande du courant du moteur afin qu'il circule dans un sens ou dans l'autre dans le circuit induit. Une façon classique de parvenir à ce résultat consiste, dans l'art antérieur, à construire l'étage de puissance sous la forme d'un pont de puissance utilisant un montage narlï.ngton de transistors. Dans ce montage, on fait arriver le courant a une première borne du moteur et on le f - sortir par la borne opposée du moteur en rendant la corne d'entrée, située sur un premier côté, plus positive que la borne d'entrée située sur le côté opposé. On pE!ut inverser le sens du courant dans le moteur en rendant plus positive la borne située sur ledit côté opposé. La tension maximale qui peut être appliquée aux bornes du moteur en provoquant la saturation d'une paire des branches du montage Darlington est d'environ 8,8 volts. Avec une source d'une tension de 12 volts, la tension maximale pouvant être atteinte aux bornes du moteur est d'environ 6 volts. Ceci correspond à un rendement d'entraînement d'environ 50 %' et limite

le couple maximal pouvant être développé par le moteur.

Pour réduire la chute de tension dans le moteur, on a

proposé de produire une impulsion à l'aide d'un amplifica-

teur de puissance du type à commutation modulée, utilisant des transistors de puissance (non en montage Darlington)

Il est possible, par une conception convenable, de dévelop-

per une tension pouvant atteindre 1i volts aux bornes du moteur à '':ide d'une source de 12 volts. Cependant, le dispositif à modulation par largeur d'impulsion présente de nombreux inconvénients. Tout d'abord, l'amplificateur

de commande est plus complexe et plus co teux. DeuxiAme-

ment, des "effets secondaires" indésirables de fonctionne-

ment, dus au fait que l'amplificateur travaille en comimu-

tation, s'avèrent indésirables. L'expérience a montré qu'un amplificateur de type linéaire, à faible tension de saturation, serait souhaitable pour les appareils pré--v_

Aucun dispositif de ce type, antérieur à la présente.nv..

tion, n' exister.

T. iinvention concerne donc un amplificateur perfoct o^.. -de puissance peu co.ûteux, très efficace fournissa:t une puissance suffisante pour la mise en oe:

rapide et:r4cise de moteurs dc commande.

- nven tion concerne donc un circuit d'am!i fl -

cateur de y*] iniaire se prsentant sous la forme mtu riont de: -::e a transistors compotant une sortie reiie

un servom her - -e fournir de Lénergie à ce ce..

un pont doemenr....e de transistors en montage

Darlington, connecte' en série au pont de sortie à transi-

tors et dogl la charge est constituée par une résistance

prédête....aee la %ort _ du pont Darlington et la résis-

tance de charge étant connectées à l'entrée du pont de transistors. L'invention sera décrite plus en détail en regard du dessin annexé à titre d'exemple nullement limitatif et sur lequel la figure unique est un schéma d'une forme

préférée de réalisation de l'amplificateur selon l'inven-

tion. La figure représente un servomoteur 1i monté entre les bornes 12 et 13 d'un pont de sortie comprenant des transistors pnp 14 et 16 montés en série avec des transistors npn 15 et 17, respectivement, les deux circuits en série étant mis en parallèle. Le servomoteur 11 forme une diagonale de ce pont. Les émetteurs des transistors 14 et 16 sont connectés à une borne 18 et les émetteurs

des transistors 15 et 17 sont connectés à une borne 19.

La source d'alimentation des transistors est montée entre les bornes 18 et 19 et elle forme l'autre diagonale du pont. Les transistors du pont de sortie sont commandés chacun par un transistor d'attaque complémentaire 20 ou

22, ces transistors d'attaque formant eux-mêmes un pont.

Les collecteurs des transistors d'attaque 20 et 22 sont connectés à la borne 18 par des résistances 24 et 26, respectivement. Les collecteurs de transistors d'attaque 21 et 23 sont connectés à la borne 19 par l'intermédiaire de résistances 25 et 27, respectivement. Les émetteurs des transistors 20 et 21 sont connectés l'un à l'autre et à la borne 12 par une résistance 28. Les émetteurs des transistors 22 et 23 sont connectés l'un à l'autre vers une borne 13 par une résistance 29. Les émetteurs des

transistors 20 et 21 sont connectés à une première extré-

mité d'une résistance de charge 30 dont l'autre extrémité

est connectée aux émetteurs des transistors 22 et 23.

Les bases des transistors de sortie 14, 15, 16 et 17 sont connectées aux collecteurs des transistors d'attaque

, 21, 22 et 23, respectivement. Les bases des transis-

tors d'attaque 20 et 21 sont connectées ensemble à une borne 31 et les bases des transistors d'attaque 22 et 23 sont connectées ensemble à une borne 32. Des diodes 34 et 36 sont montées entre la borne 18 et les bornes 12 et 13, respectivement, et des diodes 35 et 37 sont montées

entre la borne 19 et les bornes 12 et 13, respectivement.

Le couple produit par le servomoteur 11 est

proportionnel au courant circulant dans ce servomoteur.

Le sens de rotation du servomoteur 11 dépend du sens de ce courant. Lorsque la tension de commande présente à la borne 31 est positive par rapport à celle de la borne 32, le moteur 11 tourne dans un premier sens et, lorsque la tension de commande présente à la borne 32 est positive par rapport à celle de la borne 31, le moteur 11 tourne en sens opposé. L'amplificateur selon l'invention est conçu pour que le moteur 11 délivre un couple élevé sous une faible tension de fonctionnement appltiqée entre les bornes 18 et 19, par exemple la tension de 12 volts d'une batterie

ou d'une ligne commune. Un servomoteur typique, fonction-

nant sous une telle tension, présente une résistance d'en-

viron 1,12 ohm entre les bornes. Par conséquent, le courant maximal du moteur est de 10 ampères. L'amplification spécifiée minimale de courant réalisée par les transistors 14, 15, 16 et 17, avec un courant de collecteur de 10 ampères, est égale à 15. Ceci signifie que le courant maximal de base nécessaire pour fournir un courant de ampères au moteur est de 0,67 ampère. Il est apparu

que la valeur optimale a donner à la. résistance 30 lors-

qu'elle est utilisée avec les composants de circuit donnés dans le tableau qui suit est de 7,5 ohms. La chute maximale de tension se produisant dans la résistance 30 est donc de 7,5 x 0,67, soit 5 volts. Lorsque l'on soustrait cette tension de la tension d'alimentation de +12 volts, il reste 7 volts pour vaincre les chutes de

tension des transistors de sortie. La tension de satura-

tion collecteur-émetteur de chacun des transistors de sortie est de 0,50 volt, ce qui laisse 11 volts aux bornes

du servomoteur 11.

La tensionde saturation base-émetteur des transistors de sortie est de 1 volt pour chaque transistor et, si ces tensions, associées à la chute de tension de volts dans la résistance 30, sont soustraites des 12 volts de la source d'alimentation, il reste 5 volts pour les tensions collecteurémetteur des transistors d'attaque, soit 2,5 volts pour chaque transistor. La tension de saturation de chaque transistor 27et.raque est de.1,5 volt et il reste Onc.i -- dans la plage linéaire de chaque transistor. La chute de tension base-émetteur de chaque transistor d'attaque est de 2,5 volts. La tension entre les bornes 31 et 32 est de 10 volts. L'amplification

minimale de courant spécifiée pour les transistors d'atta-

que est de 10 000 et, par conséquent, le courant maximal de base nécessaire pour l'obtention d'un courant de

collecteur de 0,67 a.père est de 6? microamperes.

Un amplifi:ateur opérationnel convenant à la commande des bornes 31 et 32, par exemple le type "LM 324", produit par la firme National Semiconductor ou par la firme Motorola, peut délivrer un courant de sortie pouvant atteindre 5000 microampères à la borne 31, avec une chute de tension de 1,2 volt par rapport à la tension d'alimentation. Il peut produire une dissipation de courant de sortie pouvant atteindre 1000 microampères avec une

tension, par rapport à la masse, de 0,5 volt à la borne 32.

Par conséquent, à partir d'une alimentation à 12 volts, si l'on soustrait 1,4 + 0,5 volt, il reste 10,3 volts

disponibles pour la Commande de l'amplificateur opération-

nel par les bornes 3i et 32.

Les résistances 28 et 29 sont respectivement nécessaires pour étaDlir la réaction de tension des collecteurs des transistors de sortie 14 et 15 vers la base des transistors d'attaque 20 et 21, et des collecteurs des transistors de sortie 16 et 17 vers les bases des transistors d'attaqué} 22 et 23. Les valeurs de ces résistances ne peuvent être nulles car la tension de base des transistors d'attaque 20 et 2] serait alors

obligée de suivre le. tensions de collecteurs des transis-

tors de sortie 14 et 15, et ces transistors ne pourraient jamais être commandés en saturation, car la chute de tension collecteur-émetteur de 0, 5 volt serait inférieure à la somme de la chute base-émetteur de 1 volt et de la chute collecteur-émetteur de 1,5 volt en régime de saturation du transistor d'attaque. Il est apparu que les

valeurs optimales des résistances 28 et 29 dans les condi-

tions indiquées sont d'environ 50 ohms pour chaque résistance.

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TABLEAU DES COMPOSANTS

Référence numérique -Composant Désignation Fabricant 24, 25, 26 résistance 51 ohms

27, 28, 29

résistance 7,5 ohms 12 watts 14, 16 transistor pnp de sortie 2N4398 Motorola 15, 17 transistor npn de sortie 2N5310 Motorola , 22 transistor npn d'attaque D4OK1 Motorola, (Darlington) GE 21, 23 transistor pnp

d'attaque D41K1 Motoro!a.

(Darlington) GE 34, 35, 36 Diode MR500 Motorola il Servomoteur 13000 Pittma< Les résistances 24, 25, 26 et 27 sont en fait les résistances de retour vers la base cour les transistors de sortie 20. 21, 22 et 23, respectivement. La résistarnc base-&metteJ?2 devrait âtre aussi faible que possible af i3 de minimiser le courant de fuite collecteur-émetteur arc: temperatures de jonction e1rzvees et elle devrait être assez raiblA pour assurer que le cfurant maximal de fuite de c.. es tdaaque 14, 15, 16 et V7 rep __aF à la.ase du transistor ds sortie s é à c i cz transistors d'attaque. Ce courant ma<ima! de fuite provenapt_ des transistors d'att que iniquès dans le tableau est spécifié comme étant de

u:úcroaq3ees ek il provoque une chute de tension d'en-

viron 1 mlilivolt dans une resistance de 51 ohms, cette

valeur convenant pour les résistances 24, 25, 26 et 27.

Cette tension est insuffisante pour vaincre la tension

de coupure base-émetteur des transistors de sortie.

Les diodes 34, 35, 36 et 37 servent à protéger les transistors de sortie des tensions inverses pouvant être produites par I'nductance de l'induit du moteur 11 u0 lorsque la commande provocue un changement rapide du

courant du moteur.

Les avantages principaux de l'amplificateur selon l'invention sont qu'il est linéaire, c'est-à-dire sans commutation, qu'il fonctionne à partir d'une source unique d'alimentation à basse tension, et qu'il applique à la charge la tension d'alimentation, diminuée seulement des tensions de saturation de deux de ses transistors

de sortie.

Il va de soi que de nombreuses modifications

peuvent être apportées à l'amplificateur décrit et repré-

senté sans sortir du cadre de l'invention.

RE^^E:NDICATIOPS

I. Amplificateur pour servomoteur, caractérisé en ce qu'il comporte un pont de sortie constitué de transistors complémentaires de sortie (14, 16, ; 15, 17) commandés respectivement par un pont de transistors complémentaires d'attaque (20, 21, 22, 23) connectés chacun à une résistance séparée (24, 26, 25, 27)-de collecteur, les autres extrémités de ces résistances de collecteur étant connectées à l'émetteur du transistor de sortie associé, la diagonale du pont de sortie entre les collecteurs de chaque paire de transistors complémentaires de sortie constituant la sortie du pont, une connection séparée étant réalisée entre la base de chaque transistor de sortie et le collecteur du transistor d'attaque associé, une résistance (30) de charge étant montée suivant la diagonale du pont d'attaque, entre les jonctions des émetteurs des deux paires de transistors complémentaires d'attaque, une résistance séparée (28 ou 29) de réaction étant montée entre la jonction des émetteurs de chaque paire de transistors complémentaires d'attaque (20, 21; 22, 23) et la jonction (12 ou 13) des collecteurs des transistors associés (14, 15; 16, 17) de sortie, des

moyens étant destinés à connecter une source d'alimenta-

tion en courant continu suivant l'autre diagonale du pont de sortie, et des moyens étant destinés à connecter une entrée entre les bases connectées de chacune des paires

de transistors complémentaires d'attaque.

2. Amplificateur selon la revendication 1, en combinaison avec un servomoteur (11), caractérisé en ce que la valeur de la résistance de charge est supérieure à la résistance opposée par le servomoteur au courant continu. 3. Amplificateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la valeur de chaque résistance de

réaction est réglée afin que la chute de tension se pro-

duisant dans cette résistance soit supérieure à la tension de saturation émette=r-colectel- -in transistor de sortie.