FR2731852A1

FR2731852A1 - Stepping motor control circuit for motor vehicle heating and air conditioning control

Info

Publication number: FR2731852A1
Application number: FR9503120A
Authority: FR
Inventors: Tan Duc Huynh
Original assignee: Valeo Electronique SA
Current assignee: Valeo Electronique SA
Priority date: 1995-03-17
Filing date: 1995-03-17
Publication date: 1996-09-20
Anticipated expiration: 2015-03-17
Also published as: FR2731852B1

Abstract

The device for controlling the stepping motor comprises a magnetic rotor and a stator, with a number of switches controlling the voltages applied to the coils of the stator in a repetitive sequence. This comprises four successive phases of control (I-IV), arranged such that when the voltage (Vc) of the source become greater than a determined threshold, the control unit controls the opening and closing of the switches according to a modified sequence. The modified sequence of control a reduction in the strength of the current flowing in the coils by comparison with the nominal values, thus reducing the couple applied to the rotor.

Description

La présente invention est relative à un dispositif pour la commande d'un moteur pas à pas. The present invention relates to a device for controlling a stepping motor.

Elle trouve avantageusement application pour des moteurs pas à pas utilisés pour la commande de mécanismes dans des véhicules automobiles, tels que des mécanismes de réglage de la position des volets de chauffage/ventilation et/ou climatisation. It advantageously finds application for stepping motors used for controlling mechanisms in motor vehicles, such as mechanisms for adjusting the position of the heating / ventilation and / or air conditioning flaps.

On a représente schématiquement sur la figure 1 et sur la figure 2 un moteur pas à pas de type unipolaire à quatre phases, ainsi qu'un circuit pour la commande de ce moteur. There is shown diagrammatically in FIG. 1 and in FIG. 2 a stepping motor of the unipolar type with four phases, as well as a circuit for controlling this motor.

Ce moteur comporte un rotor 1 et deux bobines 2 et 3. This motor comprises a rotor 1 and two coils 2 and 3.

Le rotor 1 est constitué par un aimant cylindrique permanent présentant par exemple 24 pôles. The rotor 1 is constituted by a permanent cylindrical magnet having for example 24 poles.

Les deux bobines 2 et 3 sont chacune alimentées en tension en un point milieu M relié à une source de tension continue Vc, qui est par exemple la batterie du véhicule délivrant audit point M une tension de +12 Volts. The two coils 2 and 3 are each supplied with voltage at a midpoint M connected to a DC voltage source Vc, which is for example the vehicle battery delivering to said point M a voltage of +12 Volts.

Les extrémités desdites bobines, référencées par M1 et M2 pour la bobine 2 et par M3 et M4 pour la bobine 3, sont chacune reliées au neutre par un interrupteur, référencé respectivement de I1 à I4. Ces différents interrupteurs I1 à I4 sont commandés par une électronique de contrôle 4. The ends of said coils, referenced by M1 and M2 for coil 2 and by M3 and M4 for coil 3, are each connected to neutral by a switch, referenced respectively from I1 to I4. These different switches I1 to I4 are controlled by control electronics 4.

Un cycle de commande de ces interrupteurs I1 à I4 a été illustré sur les figures 3a à 3e. A control cycle for these switches I1 to I4 has been illustrated in FIGS. 3a to 3e.

Sur la figure 3a, on a représenté en fonction du temps une séquence d'impulsions de l'horloge de l'électronique de contrôle 4. La durée de la période T entre deux impulsions successives est de 10 ms. In FIG. 3a, a sequence of pulses of the clock of the control electronics 4 has been shown as a function of time. The duration of the period T between two successive pulses is 10 ms.

Sur les figures 3b à 3e, on a représenté en fonction du temps les tensions V1 à V4 imposées aux points M1 à M4 par la séquence d'ouverture ou de fermeture des interrupteurs I1 à I4. Les séquences de tensions représentées sur ces figures 3b à 3e sont synchronisées sur la séquence d'impulsions représentée sur la figure 3a. In FIGS. 3b to 3e, the voltages V1 to V4 imposed on the points M1 to M4 are represented as a function of time by the opening or closing sequence of the switches I1 to I4. The voltage sequences shown in these Figures 3b to 3e are synchronized to the pulse sequence shown in Figure 3a.

Comme on peut le voir sur ces figures, la tension
V3 est le complément de la tension Vi, la tension V4 étant le complément de la tension V2.As can be seen in these figures, the tension
V3 is the complement of the voltage Vi, the voltage V4 being the complement of the voltage V2.

La tension V2 est en retard de 900 par rapport à la tension V1. The voltage V2 is 900 times behind the voltage V1.

De même, la tension V4 est en retard de 900 par rapport à la tension V3. Similarly, the voltage V4 is 900 times behind the voltage V3.

Ainsi, chaque interrupteur I1 à I4 est fermé pendant deux phases successives, la branche MM1 à MM4 correspondante étant alors traversée par un courant qui engendre un flux magnétique. I1 est ensuite ouvert pendant les deux phases suivantes, sa branche MM1 à MM4 n'étant alors traversée par aucun courant. Thus, each switch I1 to I4 is closed for two successive phases, the corresponding branch MM1 to MM4 then being crossed by a current which generates a magnetic flux. I1 is then opened during the following two phases, its branch MM1 to MM4 then being crossed by no current.

La séquence de commande illustrée sur les figures 3a à 3e est la suivante - pendant la phase I (pas 1 à pas 2), ce sont les branches
MM2 et MM3 qui sont parcourues par un courant et qui
engendrent des flux magnétiques, les tensions aux bornes
des branches MM1 et MM4 étant nulles - pendant la phase II (pas 2 à pas 3), ce sont les
branches MM3 et MM4 de la bobine 3 qui sont parcourues
par un courant et qui engendrent des flux magnétiques,
les tensions aux bornes des branches MM1 et MM2 de la
bobine 1 étant nulles - pendant la phase III (pas 3 à pas 4), ce sont les
branches MM1 et MM4 qui sont parcourues par un courant
et qui engendrent des flux magnétiques, les tensions aux
bornes des branches MM2 et MM3 de la bobine 1 étant
nulles - pendant la dernière phase (pas 4 vers nouvelle
séquence), les branches MM1 et MM2 de la bobine 1 sont
toutes deux parcourues par un courant et engendrent des
flux magnétiques, les tensions aux bornes des branches
MM3 et MM4 de la bobine 2 étant nulles.The command sequence illustrated in Figures 3a to 3e is as follows - during phase I (step 1 to step 2), these are the branches
MM2 and MM3 which are traversed by a current and which
generate magnetic fluxes, terminal voltages
MM1 and MM4 branches being zero - during phase II (step 2 to step 3), these are the
MM3 and MM4 branches of coil 3 which are traversed
by a current and which generate magnetic fluxes,
the voltages at the terminals of the branches MM1 and MM2 of the
coil 1 being zero - during phase III (step 3 to step 4), these are the
branches MM1 and MM4 which are traversed by a current
and which generate magnetic fluxes, the voltages at
terminals of the branches MM2 and MM3 of the coil 1 being
null - during the last phase (step 4 towards new
sequence), the branches MM1 and MM2 of the coil 1 are
both crossed by a current and generate
magnetic fluxes, the voltages across the branches
MM3 and MM4 of coil 2 being zero.

Avec une commande de ce type, le couple moteur délivré par le rotor 1 est fonction de la valeur de la tension d'alimentation vc. Si la source de tension n'est pas stable dans le temps, les variations de la tension d'alimentation sont susceptibles de créer des couples moteurs excessifs et, donc, dans certaines conditions, d'entraîner la rupture des mécanismes commandés. With a control of this type, the motor torque delivered by the rotor 1 is a function of the value of the supply voltage vc. If the voltage source is not stable over time, variations in the supply voltage are liable to create excessive motor torques and therefore, under certain conditions, to cause the controlled mechanisms to rupture.

En particulier, dans le cas de moteurs pas à pas utilisés pour la commande de mécanismes de véhicules automobiles, la tension d'alimentation délivrée par la batterie du véhicule ne se maintient généralement pas à +12 volts, mais varie entre 8,5 et 16 volts, tandis que la température ambiante à laquelle les mécanismes commandés sont soumis est susceptible de varier entre -300C et +850C. Lorsque la température ambiante est basse et que la tension délivrée par la batterie est proche de +16 volts, les risques de rupture des mécanismes commandés sont importants. In particular, in the case of stepping motors used for the control of motor vehicle mechanisms, the supply voltage delivered by the vehicle battery is generally not maintained at +12 volts, but varies between 8.5 and 16 volts, while the ambient temperature to which the controlled mechanisms are subjected is likely to vary between -300C and + 850C. When the ambient temperature is low and the voltage delivered by the battery is close to +16 volts, the risks of rupture of the controlled mechanisms are significant.

Jusqu'à présent, pour réduire le couple d'un moteur pas à pas, on utilisait des circuits régulateurs de tension interposés entre la batterie et les bobines du moteur ou des interrupteurs empêchant que les sorties de ces bobines soient reliées au neutre lorsque la tension d'alimentation délivrée par la batterie devient supérieure à un seuil prédéterminé. Until now, to reduce the torque of a stepper motor, voltage regulator circuits were used interposed between the battery and the motor coils or switches preventing the outputs of these coils from being connected to neutral when the voltage of power supplied by the battery becomes greater than a predetermined threshold.

Or, on cherche, pour des raisons de réduction d'encombrement et de coûts, à supprimer ces interrupteurs et circuits régulateurs. However, it is sought, for reasons of space and cost reduction, to remove these switches and regulating circuits.

Selon l'invention, ce problème est résolu grâce à un dispositif de commande d'un moteur pas à pas comportant un rotor magnétique et un stator qui présente une pluralité de bobines destinées à entraîner ledit rotor, ledit dispositif de commande comprenant une source de tension continue à laquelle lesdites bobines sont reliées, ainsi qu'une pluralité d'interrupteurs qui commandent en tension lesdites bobines, l'ouverture et la fermeture desdits interrupteurs étant commandées par une unité de contrôle selon une séquence répétitive qui correspond à plusieurs phases de commande successives, caractérisé en ces que lorsque la tension de la source devient supérieure à un seuil determiné, l'unité de contrôle commande l'ouverture et la fermeture des interrupteurs selon une séquence modifiée qui permet, par rapport à la séquence correspondant au régime nominal, de réduire l'intensité des courants circulant dans les bobines et donc de réduire le couple du rotor. According to the invention, this problem is solved by a device for controlling a stepping motor comprising a magnetic rotor and a stator which has a plurality of coils intended to drive said rotor, said control device comprising a voltage source. continuous to which said coils are connected, as well as a plurality of switches which control said coils in tension, the opening and closing of said switches being controlled by a control unit according to a repetitive sequence which corresponds to several successive control phases , characterized in that when the source voltage becomes greater than a determined threshold, the control unit controls the opening and closing of the switches according to a modified sequence which allows, with respect to the sequence corresponding to the nominal speed, to reduce the intensity of the currents flowing in the coils and therefore reduce the torque of the rot gold.

Selon un mode de réalisation avantageux pour chaque phase de la séquence de commande en régime nominal, la séquence de commande modifiée présente au moins une sous-phase pendant laquelle les interrupteurs sont commandés de façon que les tensions imposées entre les différentes bornes des bobines soient toutes nulles, les interrupteurs étant, sur le reste de la phase, commandés de la même façon qu'en régime nominal et imposant aux bobines des tensions entraînant le déplacement du rotor entre deux positions qui correspondent à deux pas successifs. According to an advantageous embodiment for each phase of the control sequence in nominal mode, the modified control sequence has at least one sub-phase during which the switches are controlled so that the voltages imposed between the different terminals of the coils are all null, the switches being, on the rest of the phase, controlled in the same way as in nominal mode and imposing voltages on the coils causing the displacement of the rotor between two positions which correspond to two successive steps.

L'invention concerne également un moteur pas à pas comportant un tel dispositif de commande. The invention also relates to a stepping motor comprising such a control device.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront encore de la description qui suit. Cette description est purement illustrative et non limitative. Other characteristics and advantages of the invention will emerge from the description which follows. This description is purely illustrative and not limiting.

Elle doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels
. la figure 1 et la figure 2, déjà analysées, sont des représentations schématiques d'un moteur pas à pas
les figures 3a et 3e, également déjà analysées, sont des diagrammes temporels illustrant une commande conforme à un art antérieur connu d'un moteur pas à pas des figures 1 et 2
les figures 4a à 4e sont des représentations analogues aux figures 3a à 3e, illustrant une commande par un dispositif conforme à l'invention.It should be read in conjunction with the accompanying drawings on which
. Figure 1 and Figure 2, already analyzed, are schematic representations of a stepper motor
Figures 3a and 3e, also already analyzed, are time diagrams illustrating a control in accordance with a known prior art of a stepping motor of Figures 1 and 2
Figures 4a to 4e are representations similar to Figures 3a to 3e, illustrating control by a device according to the invention.

Les figures 4b à 4e représentent les tensions V1 à
V4 pendant la séquence d'impulsions de la figure 4a, lorsque la tension d'alimentation Vc devient supérieure à un seuil donné.Figures 4b to 4e show the voltages V1 to
V4 during the pulse sequence of FIG. 4a, when the supply voltage Vc becomes greater than a given threshold.

Dans le cas de moteurs électriques de commande de mécanismes de véhicules automobiles, cette tension seuil est une tension supérieure à +12 volts, par exemple égale à 14,5 volts. In the case of electric motors for controlling motor vehicle mechanisms, this threshold voltage is a voltage greater than +12 volts, for example equal to 14.5 volts.

Comme on peut le voir sur ces figures 4b à 4e, lorsque la tension d'alimentation Vc devient supérieure à cette tension seuil, la séquence de commande des interrupteurs I1 à I4 est modifiée, de façon à réduire, pour chaque phase de passage d'un pas à un autre, le courant dans les bobines 2 et 3 et donc à réduire le couple moteur du rotor 1. As can be seen in these figures 4b to 4e, when the supply voltage Vc becomes greater than this threshold voltage, the control sequence of the switches I1 to I4 is modified, so as to reduce, for each phase of passage of one step to another, the current in the coils 2 and 3 and therefore to reduce the motor torque of the rotor 1.

Chacune des phases de la séquence modifiée se décompose en deux sous-phases successives - l'une pendant laquelle les interrupteurs I1 à I4 sont
commandés de la même façon qu'en régime nominal pour la
même phase, - l'autre pendant laquelle les interrupteurs I1 à I4 sont
commandées de façon à imposer des tensions nulles à
toutes les branches des différentes bobines (tensions de
sortie V1 à V4 égales à la tension d'alimentation Vc).Each of the phases of the modified sequence is broken down into two successive sub-phases - one during which the switches I1 to I4 are
controlled in the same way as in nominal mode for the
same phase, - the other during which the switches I1 to I4 are
controlled so as to impose zero voltages on
all the branches of the different coils (voltages of
output V1 to V4 equal to the supply voltage Vc).

Entre chaque pas, le rotor est entraîné d'une position à la position suivante par l'alimentation délivrée pendant la première sous-phase. Etant donné que l'alimentation des bobines est coupée pendant la deuxième sous-phase, le courant qui circule dans chacune des demibobines MM1 à MM4 est divisé par deux. Between each step, the rotor is driven from one position to the next position by the power supplied during the first sub-phase. Since the supply to the coils is cut during the second sub-phase, the current flowing in each of the half-coils MM1 to MM4 is halved.

Ainsi, sur l'exemple illustré sur les figures 4a à 4e, l'interrupteur I1 qui commande la tension V1 n'est fermé (tension V1 nulle) que pendant la première moitié de la phase III et la première moitié de la phase IV. I1 est ouvert (tension V1 à la valeur de la tension d'alimentation Vc) pendant le reste de la séquence. La branche MM1 n'est donc parcourue par un courant que pendant les premières moitiés des phases III et IV. Thus, in the example illustrated in FIGS. 4a to 4e, the switch I1 which controls the voltage V1 is only closed (voltage V1 zero) only during the first half of phase III and the first half of phase IV. I1 is open (voltage V1 at the value of the supply voltage Vc) for the rest of the sequence. The branch MM1 is therefore traversed by a current only during the first halves of phases III and IV.

On notera que les tensions V2 à V4 se déduisent de la tension V1, la tension V2 étant en retard de 900 par rapport à V1, les tensions V3 et V4 étant en avance de 1800 et 900 par rapport à V1. It will be noted that the voltages V2 to V4 are deduced from the voltage V1, the voltage V2 being behind by 900 with respect to V1, the voltages V3 and V4 being in advance by 1800 and 900 with respect to V1.

Par conséquent, les interrupteurs I1 à I4 sont commandés par un même signal, plus ou moins retardé selon les interrupteurs. Consequently, the switches I1 to I4 are controlled by the same signal, more or less delayed depending on the switches.

Bien entendu, d'autres séquences de commande que celle illustrée sur les figures 4a à 4e sont envisageables. Notamment, les deux sous-phases peuvent avoir des durées différentes. De même, il est possible d'utiliser un nombre quelconque de sous-phases. On pourrait également moduler la durée des sous-phases de manière à obtenir un réglage progressif de la valeur du courant circulant dans les demi bobines et donc du couple du- moteur. Of course, other control sequences than that illustrated in FIGS. 4a to 4e can be envisaged. In particular, the two sub-phases can have different durations. Likewise, it is possible to use any number of sub-phases. One could also modulate the duration of the sub-phases so as to obtain a progressive adjustment of the value of the current flowing in the half coils and therefore of the torque of the motor.

Comme on l'azura compris, l'invention a été ici décrite dans le cas d'un moteur de type unipolaire, mais s'applique de la même façon à tout moteur pas à pas et en particulier dans le cas de moteurs pas à pas de type bipolaire. As can be seen from the azura, the invention has been described here in the case of a unipolar type motor, but applies in the same way to any stepping motor and in particular in the case of stepping motors bipolar type.

Notamment, l'invention s'applique pour la commande de moteurs pas à pas bipolaires comportant deux bobines dont les extrémités sont commandées en tension par des ponts de quatre interrupteurs en H. In particular, the invention applies to the control of bipolar stepping motors comprising two coils whose ends are voltage controlled by bridges of four switches in H.

Claims

1. Device for controlling a stepping motor comprising a magnetic rotor (1) and a stator which has a plurality of coils (2, 3) intended to drive said rotor (1), said control device comprising a source DC voltage (Vc) to which said coils (2, 3) are connected, as well as a plurality of switches (I1 to I4) which control in tension said coils (2, 3), the opening and closing of said switches (I1 to I4) being controlled by a control unit (4) according to a repetitive sequence which corresponds to several successive control phases (I to IV), characterized in that when the voltage (Vc) of the source becomes greater than a determined threshold, the control unit (4) controls the opening and closing of the switches (I1 to I4) according to a modified sequence (Fig. 4a to 4e), which allows, with respect to the sequence corresponding to the nominal speed , reduce the intensity of circulating currents nt in the coils (2, 3) and therefore reduce the torque of the rotor (1).

2. Device according to claim 1, characterized in that for each phase (I to IV) of the control sequence in nominal mode, the modified control sequence has at least one sub-phase during which the switches (I1 to I4) are controlled so that the voltages imposed between the different terminals of the coils (2, 3) are all zero, the switches (I1 to I4) being, on the rest of the phase, controlled in the same way as in nominal mode and imposing on the coils (2, 3) voltages causing the displacement of the rotor (1) between two positions which correspond to two successive steps.

3. Device according to claim 1, characterized in that for each phase (I to IV) of the control sequence in nominal mode, the modified control sequence has two successive sub-phases, the first during which the switches (I1 to I4) are controlled in the same way as in nominal mode, the second during which the switches (I1 to I4) are controlled so that the voltages imposed on the coils (2, 3) are all zero.

4. Device according to one of claims 2 or 3, characterized in that the duration of the sub-phase or sub-phases is modulated so as to achieve a progressive adjustment of the intensity of the current flowing in the coils.

5. Device for controlling a stepping motor of the unipolar type, characterized in that it is constituted by a device according to one of claims 1 to 4.

6. Device according to claim 5 for the control of a unipolar four-phase stepper motor comprising two coils (2, 3) whose ends (M1 to

M4) are connected to neutral via each of a switch (I1 to I4) controlled by the control unit (4), each of these coils (2, 3) having a midpoint (M) connected to the voltage source and maintained at a supply potential (Vc) by it, characterized in that the control unit (4) maintains, during the modified sequence, the switches (I1 to I4) open during the second half of each phase.

7. Device for controlling a bipolar stepping motor, characterized in that it is constituted by a device according to one of claims 1 to 4.

8. Stepping motor, in particular for controlling a motor vehicle mechanism, comprising a magnetic rotor (1) and a stator which has a plurality of coils (2, 3) intended to drive said rotor (1), characterized in that it comprises a device according to one of claims 1 to 7 for the voltage control of its coils.

9. Unipolar type stepping motor, characterized in that it consists of a motor according to claim 8.

10. Unipolar four-phase stepper motor comprising two coils (2, 3) whose ends (M1 to

M4) are connected to neutral via each of a switch (I1 to I4) controlled by the control unit (4), each of these coils (2, 3) having a midpoint (M) connected to the voltage source and maintained at a supply potential (Vc) by the latter, characterized in that its control device is constituted by a device according to claim 6.

11. Stepper motor of bipolar type, characterized in that it consists of a motor according to claim 8.