FR2608860A1 - Micromoteur synchrone autopilote - Google Patents

Abstract

MICROMOTEUR SYNCHRONE AUTOPILOTE DESTINE A ETRE ALIMENTE A PARTIR D'UNE SOURCE E DE BASSE-TENSION CONTINUE, PAR L'INTERMEDIAIRE D'UN ONDULEUR 9 PILOTE PAR DES CAPTEURS A EFFET HALL 10, 11, 12. POUR CHANGER LE SENS DE ROTATION DU MOTEUR, ON UTILISE DES CIRCUITS OU-EXCLUSIF 28, 29, 30 RELIES AUX CAPTEURS 10, 11, 12 ET A UN COMMUTATEUR 32 A AU MOINS DEUX POSITIONS A, B DE TENSION HAUTE E ET BASSE 0. UNE TROISIEME POSITION C PERMET DE BLOQUER L'ALIMENTATION DES CAPTEURS E, 41, 0, ET DONC DE BLOQUER LE MOTEUR.

Description

Micromoteur synchrone autopiloté.

La présente invention se rapporte à un micromoteur synchrone autopiloté, du type utilisant des capteurs de position, du genre capteurs à effet Hall,-pour déterminer la position du rotor et aiguiller en conséquence les; Courant dans les enroulements statoriques.

On connaît les micromoteurs à courant continu, qui sont couramment utilisés dans les industries du jouet et de l'automobile. Ces micromoteurs sont des machines qui, pour fixer les idées, ont une puissance utile de 5 à 10 watts pour une vitesse de rotation de 5000 à 12 000 tours par minute. Ces micromoteurs posent quelques problèmes liés essentiellement à la présence du collecteur et des balais: montage et rectification du collecteur, usure, fiabilité limitée, génération de parasites électriques par étincellage. Par ailleurs, en particulier pour l'application à ltindustrie automobile (commande de pompe à essence immergée, commande d'ouverture de capot, de custode, de portes, etc...), ces moteurs ont pour inconvénient d'entraîner une trop grosse augmentation en poids et coût de l'ensemble des fils électriques de câblage.

L'invention concerne un micromoteur ne présentant pas ce genre d'inconvénients. Elle se rapporte plus précisément à un micromoteur synchrone autopiloté destiné à être alimenté à partir d'une source de basse-tension Continue, du genre batterie d'accumulateurs ou pile, et par l'intermédiaire d'un onduleur dont la charge de sortie est constituée par le ou les enroulements statoriques du moteur et dont les interrupteurs électroniques d'entrée sont commandés par les signaux de sortie de capteur(s) de position rotorique d'autopilotage, du genre capteurs à effet Hall, fixes en position et répartis autour du rotor conformément au nombre de phases.

caractérisé en ce qu'il est équipé d'un dispositif de commande de changement de sens de rotation du moteur comportant un commutateur à au moins deux bornes d'entrée commutables sur une sortie unique, dont une borne d'entrée reliée à la borne positive de l'alimentation continue et une borne d'entrée reliée à sa borne négative, et comportant en outre un circuit logique 3U-EXCLUSIF par captepr, la première borne d'entrée de chaque circuit OU-EXCLUSIF étant reliée à la borne de sortie du capteur correspondant, sa seconde borne d'entrée étant reliée à la borne de sortie dudit commutateur à au moins deux entrée et une sortie, et sa borne de sortie étant reliée à la borne de commande, ou aux bornes de commande? du ou des interrupteurs électroniques normalement commandés par ce capteur.

Selon un point particulier très avantageux, le micromoteur de l'invention est en outre caractérisé en ce que ledit commutateur possède une troisième borne d'entrée permettant, lorsqu'elle est commutée sur sa sortie unique, la mise en oeuvre de moyens électroniques de bloquage du fonctionnement de l'onduleur, et donc du moteur.

Préférentiellement et de manière plus précise, lesdits moyens électroniques comportent, si l'on désigne par E la tension continue d'alimenstation
- un circuit assurant la présence sur la borne de sortie du commutateur, d'une tension e comprise entre O et E, de l'ordre de E/2 par exemple, lorsque cette sortie est commutée sur ladite troisième borne d'entrée,
- un premier comparateur dont la borne d'entrée (-) est connectée à ladite sortie du commutateur, et dont la borne d'entrée (+) est à une tension continue comprise entre e et E, par exemple de l'ordre de 3E/4,
- un second comparateur dont la borne d'entrée (+) est connectée à ladite sortie du commutateur et dont la borne d'entrée (-) est à une tension continue comprise entre 0 et e, par exemple de l'ordre de E/4 , la borne de sortie de ce comparateur étant connectée à ladite seconde borne d'entrée desdits circuits OU-EXCLUSIF,
- un circuit d'addition logique, NAND ou ET selon le cas, dont les deux bornes d'entrée sont respectivement connectées aux sorties du premier et du second comparateur, et dont la sortie est reliée à la borne de commande d'un interrupteur électronique de commande de l'alimentation desdits capteurs telle que, s'il s'agit d'un circuit NAND, la base d'un transistor NPN par exemple, ou analogue, dont l'émetteur est connecté à la borne négative d'alimentation et dont le collecteur est connecté auxdits capteurs, ou la base d'un transistor PNP, ou analogue, s'il s'agit d'un circuit
ET, I'émetteur de ce dernier étant alors connecté à la borne positive d'alimentation.

De manière à diminuer le nombre de transistors, ou analogue, utilisés, le micromoteur ci-dessus défini est en outre caractérisé en ce que l'onduleur est du type, connu en soi, comportant, par phase, un seul interrupteur électronique placé en série avec chaque enroulement statorique correspondant entre les deux bornes de l'alimentation continue.

En ce qui concerne sa réalisation mécanique, le micromoteur de l'invention est caractérisé en ce que la partie électronique de commande du moteur est fixée sur le fond du boîtier dudit moteur.

Avantageusement, pour de nombreuses applications pour lesquelles on souhaite obtenir un mouvement de translation, en particulier en technique automobile, un tel moteur est en outre caractérisé en ce que la partie axiale de sa partie tournante est bloquée en translation et est munie d'un taraudage, et en ce que son arbre est bloqué en rotation mais non en translation, et est muni d'un filetage permettant, par engrènement sur ledit taraudage, de transformer le mouvement de rotation du rotor du moteur en mouvement de translation de I' arbre.

L'invention sera de toutes façons mieux comprise au cours de la description suivante d'un exemple de réalisation, en référence aux dessins annexés dans lesquels
Figure 1 est un schéma électrique quelque peu simplifié du micromoteur synchrone autopiloté de l'invention, avec ses circuits associés,
Figure 2 est une coupe longitudinale très schématique d'un micromoteur synchrone autopiloté conforme à l'invention,
Figure 3 représente schématiquement une variante du moteur de la figure 2,
Figure 4 est une vue en bout, selon la direction F, du moteur de la figure 3.

En se référant tout d'abord à la figure 1, on a désigné très schématiquement par les références 1,2, et 3 les trois bobinages statoriques du micromoteur synchrone, triphasé dans cet exemple, de l'invention à bobinages réalisés par exemple en ancre de manière la plus simple. De manière à créer, à partir de la tension continue d'alimentation E = 12 volts par exemple, le champ tournant statorique triphasé nécessaire au fonctionnement du moteur synchrone, ces enroulements 1,2,3 sont chacun placés entre la borne positive 5 de la batterie et la borne à la masse 4, en série avec un interrupteur électronique 6,7,8, de manière à former un onduleur classique 9, comportant avantageusement un interrupteur électronique par enroulement. De manière massique également, les interrupteurs 6,7,8 sont commandés par trois capteurs de position à effet Hall,10,11,12 régulièrement répartis à 2 < /3 I'un de l'autre autour du rotor du moteur, et destinés, en captant la position du rotor à chaque instant, à commander les interrupteurs 6,7,8 de manière à créer un champ statorique tournant triphasé en avance de /2 par rapport au vecteur aimantation du rotor, permettant par suite l'entraînement de celui-ci en moteur synchrone.

Plus précisément, en ce qui concerne le schéma préférentiel de l'onduleur triphasé 9 représenté au dessin, on remarque que chaque interrupteur 6,7,8 est composé de deux transistors 60,61 pour le premier 70,71 pour le deuxième interrupteur, 80,81 pour le troisième, montés en cascade selon un montage de type Darlington. Les transistors 60,70,71 ont une résistance de charge d'émetteur 13 commune, et leur base est alimentée à partir de points a,b,c, chacune par un montage potentiométrique comportant une résistance 14,15,16 entre leur base et la masse, et deux diodes 17,18 ou 19,20 ou 20,21 respectivement en série avec une résistance 22,23,24 entre chacun des points a,b,c, et leur base. Le rôle de ces deux diodes en série sera explicité ultérieurement.

De manière à éviter que les surtensions, apparaissant dans les enroulements 1,2,3 au cours du fonctionnement de l'onduleur 9, ne soient répercutées sur l'espace collecteur-émetteur des transistors 61,70 et 81, et de manière à ne pas provoquer, comme ce serait le cas si l'on plaçait classiquement une diode en parallèle sur chaque enroulement, de court-circuit parasite qui aurait pour effet de ralentir le moteur, on a branché une diode Zener 25,26,27 entre le collecteur de chaque transistor 61,71,81; et sa base.

Dans les circuits connus, les entrées a,b,c de l'onduleur 9 sont alimentées directement par les sorties des capteurs de position 10,11,12 ce qui, pour une position donnée des capteurs, n'autorise qu'un seul sens de rotation pour le moteur. Pour changer ce sens de rotation il faudrait, avec l'art connu, décaler de < chacun des capteurs autour du rotor.

Conformément à l'invention, on simule des décalages de < des trois capteurs à l'aide de trois portes logiques OU-EXCLUSIF 28,29,30 dont la sortie est respectivement connectée à une des entrées a,b,c de l'onduleur 9, dont la première entrée est connectée comme représenté à la sortie de chacun des capteurs 10,11,12 et dont la deuxième entrée est connectée à un point commun dont le potentiel est, comme on le verra ci-après, soit égal à
E si un commutateur à trois positions 32 placé entre les deux bornes de la batterie est en sa position haute représentée A, soit égal à 0 si ce commutateur 32 est en sa position basse B.En plaçant ainsi le commutateur 32 en position A ou en position B, on obtient, grâce aux portes
OU-EXCLUSIF 28,29,30, les mêmes signaux en a,b,c, de commande de l'onduleur que l'on obtiendrait avec deux positions des capteurs décalées de l'une par rapport à l'autre, et donc un changement du sens de rotation du moteur par simple passage de la position A à la position B du commutateur, et vice-versa.

Le fonctionnement qui vient d'être décrit, et uniquement celui-ci, serait celui uniquement obtenu en reliant le point 31 à la sortie 33 du commutateur 32, celui-ci ayant alors seulement deux positions utiles A et B.

Conformément à un aspect avantageux supplémentaire de l'invention, on utilise un commutateur ayant une troisième position C, médiane, coopérant avec un circuit électronique 34, que l'on décrira maintenant, dont le rôle est de bloquer les trois capteurs 10,11,12 lorsque le commutateur trois voies 32 est en sa position médiane C, et donc d'arrêter le moteur, tout en gardant les fonctions précédentes pour les deux autres positions A et B.

Comme on le voit sur le dessin, le circuit 34 comporte essentiellement deux comparateurs analogiques 35,36 dont les sorties 37 et 31 (précédemment référencées) forment les deux bornes d'entrée d'un circuit
NAND 38 dont la sortie applique, à travers une résistance 40, soit la tension
E, soit la tension 0 à l'électrode de commande d'un transistor NPN 41, dont l'émetteur est à la masse et dont le collecteur est relié aux bornes inférieures d'alimentation des trois capteurs 10,11,12, leurs bornes supérieures étant reliées comme représenté à la borne positive 5 de la batterie.La borne d'entrée (+) du comparateur 35 est portée à un potentiel fixe égal à 3E/4 et la borne d'entrée (-) du comparateur 36 est portée à un potentiel fixe égal à E/4, par l'intermédiaire d'un pont de résistances adéquat 42,43,44, la résistance 43 ayant alors une valeur double de celle, commune, des résistances 42 et 44. Les bornes d'entrée (-) du comparateur 35 et la borne d'entrée (+) du comparateur 36 sont reliées ensemble à la borne de sortie 33 du commutateur 32. Par ailleurs, ce point commun 33 est relié à la borne (+) 5 de la batterie par une résistance 45 et à sa borne (-) 4 par une résistance 46. Les résistances 45 et 46 sont d'égale valeur, de sorte que, lorsque le commutateur 32 est en sa position médiane C, la borne 33 est portée à un potentiel fixe égal à E/2.

En résumé:
- la borne (+) du comparateur 35 et la borne (-) du comparateur 36 sont toujours portées à un potentiel fixe, respectivement 3E/4 et E/4
- la borne (-) du comparateur 35 est portée au potentiel E avec le commutateur 32 en position A, au potentiel E/2 pour sa position C, et au potentiel 0 pour sa position B
- la borne (+) du comparateur 36 est portée aux mêmes potentiels
que la borne (-) de 35.

En conséquence
- avec le commutateur 32 en sa position supérieure A, un signal
positif égal à E apparaît en 31 et un signal égal à 0 apparaît en 37 ; par
suite d'une part un signal positif apparaît sur la première entrée des portes
OU-EXCLUSIF 28,29,30, ce qui détermine un certain sens de rotation, et
d'autre part une tension E apparaît en 39, ce qui sature le transistor 41 et
relie donc les bornes inférieures des capteurs 10,11,12 à la masse, autorisant
la rotation du moteur ; en fait, ces bornes inférieures sont reliées à la
masse non directement, mais par l'intermédiaire de l'espace collecteur-émetteur du transistor 41, ce qui explique maintenant la présence des couples de diodes 17,18 - 19,20 - 90,91 qui sont des diodes de sécurité compensant le
fait que les potentiels de ces bornes inférieures des capteurs sont légèrement supérieurs à zéro, ce qui pourrait entraîner une conduction non
souhaitée de transistors 60,70,80 lorsque les points a,b,c, sont en leur potentiel bas,
- avec le commutateur 32 en sa position médiane C, il apparaît sur 31 et 37 des signaux positifs tous deux égaux à E ; la sortie 39 du circuit NAND 38 est donc à la masse, de sorte que le transistor 41 est bloqué, que par suite les capteurs 10,11,12 ne sont pas alimentés et ne fonctionnent donc pas, et que le moteur est donc arrêté quoiqu'il en soit ;
- avec le commutateur 32 en sa position basse B, le point 31 est à la masse, tandis que le point 37 est à E, de même que le point 39 ; le transistor 41 est saturé, ce qui autorise la rotation du moteur par les capteurs 10,11,12 et l'onduleur 9, celui-ci tournant, par le jeu des
OU-EXCLUSIF 28,29,30, en sens inverse du sens précédent, comme expliqué précédemment.

Le circuit qui vient d'être décrit en référence à la figure I n'est bien entendu pas limitatif. A la place du transistor NPN 41, on peut mettre un autre type équivalent d'interrupteur électronique commandé, tel que par exemple un transistor MOS canal N.

Dans ce dernier cas, la résistance 40 sera supprimée, un transistor
MOS étant commandé en tension. On peut aussi remplacer la porte NAND par une porte ET, et bien évidement en conséquence remplacer le transistor
NPN 41 par un transistor PNP, qui sera alors intercalé de façon symétrique entre la borne E et la borne supérieure d'alimentation des capteurs 10,11,12, la borne inférieure d'alimentation de ces capteurs étant alors reliée à la borne 0. Là encore, ce transistor PNP peut être dans les mêmes conditions remplacé par un MOS canal P, ou autre.

Par ailleurs, ce qui vient d'être décrit à titre d'exemple s'applique à un moteur synchrone triphasé. Bien évidemment, l'invention s'applique à un nombre de phases quelconque. Si l'on considère par exemple le cas du diphasé, qui dans la pratique est surtout à considérer en plus du triphasé, un tel moteur comportera quatre enroulements -1,1' pour la première phase et 2,2' pour la deuxième- au lieu de trois -1,2,3- dans le cas du triphasé, et seulement deux capteurs à effet Hall 10',11' au lieu de trois, ces deux capteurs étant disposés autour du rotor avec un décalage detf /2 au lieu de 2 < 13. On aura dans ce cas seulement deux circuits OU-EXCLUSIF 28',29' et par contre un interrupteur commandé 6,6',7,7' pour chacun des quatre enroulements statoriques 1,1',2,2' respectivement.Bien entendu, les interrupteurs 6 et 6' relatifs aux enroulements 1 et 1' de première phase seront commandés en opposition par la sortie du OU-EXCLUSIF 28', et de même les interrupteurs 7 et 7' relatifs aux enroulement 2 et 2' de deuxième phase seront commandés en opposition par la sortie du OU-EXCLUSIF 29', un circuit séparateur de signaux, tel qu'une porte NAND à entrées réunies, ou un inverseur, étant avantageusement prévus alors à la sortie de chaque
OU-EXCLUSIF.

La figure 2 montre une possibilité, conforme à l'invention, de réalisation mécanique du micromoteur de la figure 1. Comme on le voit sur le dessin, le moteur de l'invention comporte un stator 50, avec ses bobinages statoriques 1,2, et un rotor 51, constitué par un aimant permanent cylindrique et dans l'axe duquel est placé un arbre 52. Le moteur est compris dans un boîtier cylindrique 53 dont le fond 54 supporte, sur sa face côté moteur, un premier palier de support 55 de l'arbre 52, et sur son autre face la "puce" 56 constituant le circuit électronique de la figure 1, associé au moteur, avec ses deux bornes d'alimentations E et 0. Le boîtier 53 est fermé, à l'opposé du fond 54, par un flasque annulaire 57 portant en son centre l'autre palier 58 du support de l'arbre rotatif 52.Les capteurs à effet Hall 10,11, qui sont positionnés à 2+/3 l'un de l'autre autour du rotor 51, ont été ici représentés dans un même plan pour plus de clarté.

Les figures 3 et 4 représentent une variante du moteur de la figure 2, permettant d'obtenir, pour l'arbre de sortie 52, un mouvement de translation au lieu d'un mouvement de rotation. Selon cette variante, sur la partie annulaire centrale du rotor 51 est rapportée une pièce annulaire 59, en matière plastique par exemple, dont la partie intérieure creuse comporte un taraudage 62, la pièce 59 étant bloquée en translation par ses paliers de support 58 et 55, eux-mêmes portés par les paros d'extrémité 57 et 54 du boîtier 53. L'arbre 52 lui-même est bloqué en rotation, en raison de sa forme non cylindrique, comme on le voit clairement sur la figure 4, mais non en translation, et sa partie extrême amont comporte une partie filetée 63, montée en relation d'engrènement avec le taraudage 62. Le mouvement de rotation du rotor 51 est par suite transformé, de manière mécaniquement très classique, en mouvement de translation horizontale de l'arbre 52.

Claims (7)

REVENDICATIONS

1. Micromoteur synchrone autopiloté destiné à être alimenté à partir d'une source de basse-tension continue (E), du genre batterie d'accumulateurs ou pile, et par l'intermédiaire d'un onduleur (9) dont la charge de sortie est constituée par le ou les enroulements statoriques (1,2,3) du moteur et dont les interrupteurs électroniques d'entrée (6,7,8) sont commandés par les signaux de sortie de capteur(s) (10,11,12) de position rotorique d'autopilotage, du genre capteurs à effet Hall, fixes en position et répartis autour du rotor conformément au nombre de phases, caractérisé en ce qu'il est équipé d'un dispositif de commande de changement de sens de rotation du moteur comportant un commutateur (32) à au moins deux bornes d'entrée (A,B) commutables sur une sortie unique (33), dont une borne d'entrée (A) reliée à la borne positive (E) de l'alimentation continue et une borne d'entrée reliée à sa borne négative, et comportant en outre un circuit logique OU-EXCLUSIF (28,29,30) par capteur, la première borne d'entrée de chaque circuit OU-EXCLUSIF étant reliée à la borne de sortie du capteur correspondant, sa seconde borne d'entrée étant reliée à la borne de sortie (33) dudit commutateur à au moins deux entrées et une sortie, et sa borne de sortie (a,b,c) étant reliée à la borne de commande, ou aux bornes de commande, du ou des interrupteurs électroniques (6,7,8) normalement commandés par ce capteur.

2. Micromoteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit commutateur (32) possède une troisième borne d'entrée (C) permettant, lorsqurelle est commutée sur sa sortie unique (33), la mise en oeuvre de moyens électroniques (34) de bloquage du fonctionnement de l'onduleur (9), et donc du moteur.

3. Micromoteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que lesdits moyens électroniques (34) comportent, si l'on désigne par E la tension continue d'alimentation

- un circuit (45,46) assurant la présence sur la borne de sortie (33) du commutateur (32), d'une tension (e) comprise entre 0 et (E), de l'ordre de

E/2 par exemple, lorsque cette sortie est commutée sur ladite troisième borne d'entrée (C),

- un premier comparateur (35) dont la borne d'entrée (-) est connectée à ladite sortie (33) du commutateur, et dont la borne d'entrée (+) est à une tension continue comprise en (e) et (E), par exemple de l'ordre de 3E/4,

- un second comparateur dont la borne d'entrée (+) est connectée

à ladite sortie (33) du commutateur et dont la borne d'entrée (-) est à une

tension continue comprise entre O et (e), par exemple de l'ordre de E/4, la

borne de sortie de ce comparateur étant connectée à ladite seconde borne

d'entrée desdits circuits OU-EXCLUSIF,

- un circuit d'addition logique (38), NAND ou ET selon la cas, dont

les deux bornes d'entrée sont respectivement connectées aux sorties du

premier (35) et du second (36) comparateur, et dont la sortie (39) est reliée

à la borne de commande d'un interrupteur électronique (41) de commande de

l'alimentation desdits capteurs, telle que, s'il s'agit d'un circuit NAND, la

base d'un transistor NPN par exemple, ou analogue, dont l'émetteur est

connecté à la borne négative d'alimentation et dont le collecteur est connecté auxdits capteurs, ou la base d'un transistor PNP, ou analogue, s'il

s'agit d'un circuit ET, l'émetteur de ce dernier étant alors connecté à la

borne positive d'alimentation.

4. Micromoteur selon l'une des revendications I à 3, caractérisé en ce que l'onduleur (9) est du type, connu en soi, comportant, par phase, un

seul interrupteur électronique (6,7,8) placé en série avec chaque enroule

ment statorique correspondant (1,2,3) entre les deux bornes (E,0) de l'ali

mentation continue.

5. Micromoteur selon la revendication 4, caractérisé en ce que

ledit interrupteur électronique (6,7,8) comporte un transistor de sortie (61,71,81) dont l'une des électrodes de charge est reliée à l'une des bornes

(E) de l'alimentation continue au travers dudit enroulement statorique correspondant (1,2,3), et en ce qu'il comporte en outre un dispositif de protection contre les surtensions, du genre diode Zener (25,26,27) ou analogue, branché entre l'électrode de commande dudit transistor de sortie (61,71,81) et ladite électrode de charge.

6. Micromoteur selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la partie électronique (56) de commande du moteur est fixée sur le fond (54) du boîtier dudit moteur.

7. Micromoteur selon la revendication 6, caractérisé en ce que la partie axiale de sa partie tournante (51,59) est bloquée en translation et est

munie d'un taraudage (62), et en ce que son arbre (52) est bloqué en

rotation mais non en translation, et est muni d'un filetage (63) permettant, par engrènement sur ledit taraudage (62) de transformer le mouvement de rotation du rotor (51) du moteur en mouvement de translation de son arbre (52).