FR2694822A1 - Circuit de commande de dispositif d'actionnement électromécanique. - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un circuit ou système de commande de dispositif d'actionnement électromécanique, contrecarrant la dégradation de stabilité de commande provoquée par une interaction du moteur avec la dynamique de charge (élasticité du dispositif d'actionnement), ayant des réponses de sensibilité au bruit de capteur réduites et des exigences de mise en oeuvre de compensation minimales. Le circuit (10) comprend un capteur de vitesse de moteur (18) et un capteur de position de dispositif d'actionnement (24) dont les sorties sont combinées dans un filtre complémentaire (20) afin de mélanger les signaux de capteur dissemblables de façon à obtenir le signal de commande souhaité. La constante de temps du filtre complémentaire (20) est choisie de façon à avoir pour résultat une avance de phase quadratique stabilisatrice qui permet à la largeur de bande du circuit (10) d'être augmentée afin de fournir les temps de réponse de circuit de commande plus rapides souhaités.
Description
La présente invention se rapporte d'une manière générale à la commande de
dispositifs d'actionnement électromécaniques, et plus particulièrement à l'amélioration de la stabilité de commande de position lorsque le dispositif d'actionnement électromécanique est relié à une charge élastique en utilisant un filtre complémentaire afin de mélanger des signaux d'entrée de capteurs dissemblables
vers les dispositifs d'actionnement électromécaniques.
La commande précise des dispositifs d'actionnement électromécaniques est importante dans de nombreuses applications, telles que des applications de surface de commande d'aéronef typiques Dans ces applications, une instabilité peut apparaître lorsque la largeur de bande d'un système s'approche de celle de la fréquence naturelle de charge L'interaction dynamique du moteur et une charge élastique peut conduire à un retard de phase indésirable avec pour résultat une stabilité du système en boucle fermé dégradée Le signal de commande est sensible au bruit généré par le capteur qui est utilisé, tel qu'un tachymètre destiné à détecter la vitesse du moteur De manière typique, seul un unique capteur de position est utilisé et un tel capteur n'est généralement pas précis sur toute la largeur de bande de fonctionnement du système La compensation afin de stabiliser la boucle de commande de moteur dans la zone de la fréquence naturelle de charge/moteur peut également être
compliquée et couteuse.
Des filtres complémentaires peuvent être utilisés pour combiner ou reconstruire un signal à partir d'un assortiment de signaux de mesure de capteur dissemblables Par exemple, dans l'industrie de la commande de vol, un signal de capteur d'altitude barométrique et un signal de capteur d'accélération sont combinés afin d'obtenir une estimation de la vitesse verticale d'un véhicule Le bénéfice est un signal plus précis sur la plage de fréquence opérationnelle du système que les signaux de n'importe quel capteur individuel seul. Il est par conséquent souhaitable de fournir une boucle de commande de dispositif d'actionnement électromécanique qui élimine un retard de phase indésirable qui dégrade la stabilité du système, avec une sensibilité au bruit de boucle de commande réduit,
et une complexité de compensation réduite.
La présente invention se rapporte à un circuit ou système de commande de dispositif d'actionnement électromécanique perfectionné qui contrecarre la dégradation de stabilité de commande provoquée par l'interaction du moteur avec une charge élastique, a une sensibilité au bruit de capteur réduite, des temps de réponse rapides et des exigences de compensation minimales Le circuit de commande de dispositif d'actionnement électromécanique comprend un capteur de vitesse de moteur et un capteur de position de moteur, dont les sorties sont combinées dans un filtre complémentaire afin de mélanger les signaux de capteurs dissemblables de façon à obtenir le signal de commande souhaité La constante de temps du filtre complémentaire est choisie afin d'avoir pour résultat une avance de phase quadratique de stabilisation qui permet à la largeur de bande du circuit de commande d'être augmentée de façon à fournir les temps de réponse de circuit de commande de dispositif
d'actionnement électromécanique plus rapides souhaités.
Ces caractéristiques et avantages de l'invention, ainsi que d'autres, apparaîtront à la
lecture de la description suivante d'une forme de
réalisation préférée de l'invention et en se référant aux dessins annexés dans lesquels: La figure 1 est un schéma synoptique d'une forme de réalisation du circuit de commande de dispositif d'actionnement électromécanique de la présente invention; La figure 2 est un schéma synoptique du signal de rétroaction du filtre
complémentaire de la présente invention.
La figure 3 est un modèle mathématique du circuit de commande du dispositif d'actionnement électromécanique; La figure 4 est un tableau des paramètres d'un exemple de circuit de commande de dispositif d'actionnement électromécanique; Les figures 5 A et 5 B sont des courbes de réponse en fréquence sans le filtre complémentaire de la présente invention; Lés figures 6 A et 6 B sont des courbes de réponse en fréquence avec le filtre complémentaire de la présente invention; La figure 7 est une courbe de réponse en fréquence du système qui illustre la contribution en phase de la dynamique de charge en fonction de la constante de temps du filtre complémentaire; et La figure 8 est une courbe des fréquences de dipôles de dynamique de charge en fonction d'une
constante de temps de filtre complémentaire modifiée.
Bien que l'invention soit décrite et divulguée en liaison avec certaines formes de réalisation et procédures préférées, il n'est pas prévu de limiter l'invention à ces formes de réalisation spécifiques Elle est en fait prévue pour couvrir toutes les variantes de réalisation et modifications
qui tombent dans l'esprit et la portée de l'invention.
a 2694822 Si l'on se réfère à la figure 1, une forme de réalisation du circuit de commande de dispositif d'actionnement électromécanique de la présente invention est désignée d'une manière générale par la référence 10 Le circuit de commande 10 est relié à et commande un moteur 12 Le circuit de commande 10 est relié au moteur 12, tel qu'un moteur à courant continu sans balai, par une ligne 14 Le couple du moteur 12 est proportionnel au courant appliqué sur le moteur 12 et le circuit de commande 10 délivre donc un courant de
commande de couple sur la ligne 14.
Le moteur 12 est relié à et entraîne une charge élastique 16, qui peut être entraînée par un dispositif d'actionnement tel qu'une vis rotative (non illustrée) La charge élastique 16 peut être un circuit de commande de vecteur de poussée de moteur ou une surface de commande d'avion Le circuit de commande l O utilise une paire de capteurs afin de détecter ou mesurer la position du moteur 12 ou de la charge élastique 16 La position du moteur peut être mesurée par un capteur tachymétrique à effet Hall 18 Le capteur 1 l contrôle la vitesse du moteur afin de mesurer la position du moteur et envoie un signal de position à un filtre complémentaire 20 au moyen d'une ligne 22 Le capteur 18 fournit une mesure de position précise aux fréquences élevées, mais est relativement imprécis aux basses fréquences, par exemple de l'ordre
de 0,5 cycle par seconde.
Un transformateur de tension linéaire, tel qu'un capteur à transformateur différentiel à variation linéaire 24 est relié à la charge élastique 16 afin de contrôler la position de vis de la charge élastique 16 et afin d'envoyer un deuxième signal de position au filtre complémentaire 20 au moyen d'une ligne 26 Le capteur 24 fournit une mesure de position précise aux
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basses fréquences, mais est relativement imprécis aux fréquences élevées, par exemple de l'ordre de quatre
( 4) à cinq ( 5) cycles par seconde.
Le filtre complémentaire 20 combine ou mélange les deux mesures de capteur dissemblables afin de générer un signal de position estimée, qui est plus précis sur toute la plage de fréquence que les signaux de l'un des capteurs 18 ou 24 seuls Le signal de position estimé est relié à un comparateur 30 au moyen d'une ligne 28 Le comparateur 30 reçoit un deuxième signal de position de vis commandée au moyen d'une ligne 32 La position de vis commandée est comparée au signal de position estimé et le comparateur 30 génère un signal de différence qui est relié à un compensateur 34 Le compensateur 34 conditionne le signal de sortie du comparateur 30 afin de générer le courant (signal) de commande de couple de moteur de telle sorte que les marges de stabilité et la largeur de bande de boucle
fermee requises sont obtenues.
Le filtre complémentaire 20 génère le signal de position estimée plus précis en mélangeant ou combinant les deux mesures de capteur en appliquant une pondération en fonction de la fréquence sur chacun des signaux, comme cela est illustré sur la figure 2 La pondération relative est basée sur les caractéristiques de rapport signal/bruit de chacun des capteurs utilisé afin de générer chaque signal En choisissant correctement la constante de temps (tf), on a découvert que le retard de phase quadratique déstabilisateur qui résulte de la dynamique combinée du moteur 12 et de la charge élastique 16 peut être modifiée en une avance de phase quadratique stabilisatrice Il résulte de ce changement de phase que la largeur de bande du circuit de commande 10 peut être augmentée et qu'un temps de réponse de circuit de commande plus rapide peut donc
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être obtenu sans être concerné par un retard de phase
significative dans la zone de chevauchement.
Un exemple du conditionnement du filtre complémentaire 20 est illustré sur la figure 2 Le signal de vitesse de moteur sur la ligne 22 est généré en radian par seconde et est relié à un facteur de rapport de vis d'avance 36 afin de convertir le signal en pouces par seconde ( 1 pouce = 2,54 cm) de façon à produire un signal de vitesse de dispositif d'actionnement (moteur) Le signal de vitesse de dispositif d'actionnement est' multiplié par la constante de temps illustrée par un bloc 38 et ajouté
ensuite à un noeud d'addition 40.
Du fait que le capteur 18 présente une bonne réponse aux fréquences élevées, le signal de vitesse de moteur est pondéré en utilisant un filtre passe-haut de premier ordre comme cela est illustré Le capteur 24 présente la bonne réponse opposée aux basses fréquences et le signal provenant du capteur 24 est donc relié directement au noeud 40 par la ligne 26 Ceci assure au
signal du capteur 24 une pondération de filtre passe-
bas du premier ordre qui est le complément du signal.
Les signaux additionnés provenant du noeud 40 sont multipliés par le filtre de retard du premier ordre représentés par le bloc 42 La sortie du bloc 42 est la sortie de signal de position de dispositif d'actionnement estimée (en pouce) plus précise sur la ligne 28 Le filtre complémentaire 20 n'est pas limité à un filtre de premier ordre tel qu'illustré Si les caractéristiques des signaux devant être mélangés nécessitent davantage d'atténuation, un filtre d'ordre plus élevé peut alors être mis en oeuvre Par exemple, le signal passe-bas peut passer par une fonction de transfert d'ordre multiple G(S), alors que la fonction de transfert complémentaire 1-G(S) est utilisée comme
filtre passe-haut pour l'autre signal.
Un modèle mathématique 44 du circuit de commande 10 utilisant une compensation d'avance/retard de phase et un filtrage complémentaire est illustré sur la figure 3 Les éléments précédemment désignés sont identifiés dans le modèle mathématique 44 Le bloc 12 représente le moteur 12 et l'entraînement du moteur Le
bloc 16 représente la dynamique de charge.
Si les paramètres illustrés sur la figure 4 sont supposés avec une constante de temps de zéro pour le circuit de commande 10, le filtre complémentaire 20 est alors effectivement supprimé La réponse de Bode en boucle ouverte pour la constante de temps de zéro est illustrée sur les figures 5 A et 5 B Le gain de compensateur et la constante de temps d'avance/retard sont choisis afin d'ajouter une avance de phase de cinquante cinq ( 55) degrés et de placer le chevauchement à proximité de la fréquence naturelle de la dynamique de charge Il en résulte une dépression significative 46 dans la contribution de phase incrémentale du dipôle, avec pour résultat une marge de
phase réduite du circuit de commande 10.
Si le filtre complémentaire 20 est validé et la constante de temps est rendue égale à 0,314 seconde, la réponse de Bode en boucle ouverte est alors illustrée sur les figures 6 A et 6 B La contribution de phase incrémentale du dipôle est maintenant une crête
48 avec pour résultat une marge de phase accrue.
La figure 7 illustre les caractéristiques de gain et de phase sous forme d'un diagramme de Nichols de la fonction de transfert en boucle ouverte du circuit de commande 10, en fonction de la constante de temps du filtre complémentaire 20 On observe que la marge de phase augmente lorsque la constante de temps
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du filtre complémentaire 20 est augmentée La raison pour laquelle le filtre complémentaire 20, tel que mis en oeuvre sur la figure 2, modifie la polarité de la contribution d'angle de phase du dipôle quadratique est illustrée en examinant la fonction de transfert en boucle ouverte de la boucle de commande (figure 3) comme suit: La fonction de transfert en boucle ouverte
est l'équation ( 1).
l Kdn Km Ksens i F Kt B,î r Ba Z Kt I Ka 17 J'N Ntf J (tead S+l) 53+ I S + Kt+t S f 121 m t I 2 fl Ks SI tf 1 I Y-S)= S(tlao S+ 1)is+I)S+ + K _ _ 15 + -15 S(t-ag S+l)(tf S+ 1) l 3 + S + L Ktl 1 2 Jm NN)2 I 12 (N 1 N 2)2 J Lorsque le filtre complémentaire 20 est invalidé (-f = 0), seul le signal de position de vis sur la ligne 26 est renvoyé et la fonction de transfert en boucle Ouverte peut être écrite sous la forme de
l'équation ( 2).
Kdn Km Ksens J Ktls +S +K(tl B aS+ 1) v
V S)=-
3 aO Kt1 S B Kt l S(t 1 aS +I) 53 B 52 K Kt i S(tlaglS + 1) 53 + S + Kt + 12 Jm (N 1 N 2)2 J I 12 Jm (N NI)2 J Le fait de valider le filtre complémentaire en prenant une constante de temps très importante ('f -> o) a pour résultat la fonction de transfert en
boucle ouverte définie par l'èquation ( 3).
k Kdn Km Ksens S + BS La 2 (t 51) Kv 12 Jm N-N-l I _ S + is Kt 12)J v (S)= S(tag S +)(tf S + 1) 53 + lKt 2 I+ m(N 1 N 2)2 S + I (N 1 Nt)21 S(ta 2 S+I 11212 m I 11 N
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On observe que la fréquence naturelle du terme d'avance quadratique du numérateur a diminué de Wn = La K (rf = 0) Wn = -Kt-I (tf -> 0) lorsque la constante de temps du filtre complémentaire 20 If est augmentée de O à l'infni On observe également que le terme cubique du dénominateur reste inchangé en fonction de Tf Le terme cubique B L, Kt r:5 B Kt: 53 +I S + Kt 2 I lm (N 1 N 2)2 l I 12 m (N 1 N 2)2 peut être factorisé en un terme de premier ordre et un terme de deuxième ordre sur la base de l'amplitude relative des coefficients qui résultent lorsque les valeurs numériques de la figure 4 sont prises comme paramètre du circuit de commande 10 il en résulte l'équation ( 5) 53 +B 52 + r La 2 Kt1 S+B Kt 1 I +2 ±'2 mm (Ni N 2)2I 121 m (N 1 N 2)2 (+ B j 77 52 + B lm (La Nl N 2)2 + Kt Lf l I 31 I + Jm (La N 1 Nw) j I + Jm (I La N 1 N 2)2 J S ± 1 I+ Jm(La N La fréquence naturelle du terme de retard quadratique est Wn=X 12 I lm(La N 1 N 2)21 O < Tf < oo
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La figure 8 illustre comment les fréquences naturelles du dipôle migrent comme fonction de la constante de temps de filtre complémentaire Pour les paramètres de système de la figure 4, on observe que la phase du dipôle change de polarité (retard de phase à avance de phase) lorsque la constante de temps du filtre complémentaire augmente au delà d'approximativement 0,12 seconde Du fait que la quantité io I > O Jm(La N 1 N 2)2 la fréquence naturelle de retard se trouve toujours au-dessus de la fréquence naturelle d'avance pour des constantes de temps importantes, c'est-à-dire m(N 2 K _lI + m(l N 2) > 121 Ce fait garantit que le filtre complémentaire crée toujours une situation d'avance de phase de dipôle lorsque la constante de temps est correctement choisie. Le circuit de commande 10 avec le filtre complémentaire 20 a pour résultat plusieurs bénéfices
souhaitables pour la commande de position de charge.
Premièrement, le mélange des sorties de capteurs multiples en utilisant le filtre complémentaire 20 améliore la qualité de signal et de bruit en générant le signal de position estimé utilisé pour la rétroaction du circuit de commande Deuxièmement, le filtre complémentaire 20 avec la constante de temps correcte supprime les caractéristiques de retard de phase indésirables de la dynamique charge/moteur combinée Avec le retard de phase supprimé, la largeur de bande du circuit de commande 10 peut être augmentée il 2694822 au-delà de celle d'un circuit de commande classique avec pour résultat des temps de réponse de circuit de commande plus rapides Troisièmement, la complexité de compensation et les coûts de mise en oeuvre consécutifs sont réduits du fait que le filtre complémentaire 20 génère une position de dispositif d'actionnement estimée 28 qui stabilise en phase la dynamique de charge Si le filtre complémentaire 20 n'était pas utilisé, le compensateur aurait une configuration qui incorpore un filtre structurel (deuxième ordre ou plus)
afin de stabiliser la dynamique de charge.
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Claims (6)
1 Procédé de commande d'un dispositif d'actionnement électromécanique entraîné par moteur et entraînant une charge élastique, caractérisé en ce qu'il comprend le fait de: générer un premier signal de position en détectant un premier paramètre de dispositif d'actionnement électromécanique; générer un deuxième signal de position en détectant un deuxième paramètre de dispositif d'actionnement électromécanique; et combiner lesdits premier et deuxième- signaux de position dans un filtre complémentaire afin de générer un signal de position estimée combiné destiné à générer un signal de commande de moteur ayant une
avance de phase positive.
2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend le fait de détecter un paramètre de position de charge élastique afin de générer ledit premier signal de position et de détecter la vitesse de moteur afin de générer ledit deuxième signal de position. 3 Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le dispositif d'actionnement électromécanique entraîne une vis rotative et en ce que la position de vis est détectée afin de générer ledit premier signal
de position.
4 Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comprend le fait d'additionner ledit signal de position estimée à un signal de position commandée
afin de générer un signal de commande du moteur.
Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comprend le fait de prévoir un transformateur de tension linéaire afin de générer ledit premier signal de position et un tachymètre afin de générer ledit deuxième signal de position. 6 Appareil destiné à commander un dispositif d'actionnement électromécanique entraîné par un moteur ( 12) et entraînant une charge élastique ( 16), caractérisé en ce qu'il comporte: des moyens destinés à générer un premier signal de position qui comprennent des moyens ( 24) destinés à détecter un premier paramètre de dispositif d'actionnement électromécanique; des moyens destinés à générer un deuxième signal de position qui comprennent des moyens ( 18) destinés à détecter un deuxième paramètre de dispositif d'actionnement électromécanique; et des moyens destinés à combiner lesdits premier et deuxième signaux de position dans un filtre complémentaire ( 20) afin de générer un signal de position estimée combiné destiné à générer un signal de
commande de moteur ayant une avance de phase positive.
7 Appareil selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens ( 24) destinés à détecter un paramètre de position de charge élastique afin de générer ledit premier signal de position et des moyens ( 18) destinés à détecter la vitesse de moteur afin de générer ledit deuxième signal
de position.
8 Appareil selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comprend le dispositif d'actionnement électromécanique entraînant une vis
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rotative et des moyens destinés à détecter ladite position de vis afin de générer ledit premier signal de position. 9 Appareil selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens ( 30) destinés à additionner ledit signal de position estimée à un signal de position commandée afin de générer un
signal de commande du moteur.
Appareil selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comprend un transformateur de tension linéaire ( 24) afin de générer ledit premier signal de position et un tachymètre ( 18) afin de
générer ledit deuxième signal de position.
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