EP0153934A1 - Dispositif d'asservissement pour moteur pas a pas - Google Patents

Dispositif d'asservissement pour moteur pas a pas

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EP0153934A1
EP0153934A1 EP84903049A EP84903049A EP0153934A1 EP 0153934 A1 EP0153934 A1 EP 0153934A1 EP 84903049 A EP84903049 A EP 84903049A EP 84903049 A EP84903049 A EP 84903049A EP 0153934 A1 EP0153934 A1 EP 0153934A1
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EP
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control device
mobile
motor
position detector
stepping motor
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EP84903049A
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Inventor
Michel Grosjean
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Individual
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    • G—PHYSICS
    • G04—HOROLOGY
    • G04C—ELECTROMECHANICAL CLOCKS OR WATCHES
    • G04C3/00—Electromechanical clocks or watches independent of other time-pieces and in which the movement is maintained by electric means
    • G04C3/14—Electromechanical clocks or watches independent of other time-pieces and in which the movement is maintained by electric means incorporating a stepping motor
    • G04C3/143—Means to reduce power consumption by reducing pulse width or amplitude and related problems, e.g. detection of unwanted or missing step
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K29/00—Motors or generators having non-mechanical commutating devices, e.g. discharge tubes or semiconductor devices
    • H02K29/06—Motors or generators having non-mechanical commutating devices, e.g. discharge tubes or semiconductor devices with position sensing devices

Definitions

  • the object of the present invention is a control device for a stepping motor.
  • stepping motors are supplied with open loop, that is to say that the supply only supplies the motor with electric voltage pulses by an associated control circuit with a source of energy, so that this motor develops mechanical torque likely to cause a certain load.
  • the energy delivered by said source is approximately the same for each voltage pulse.
  • the duration of the pulses and their voltage level are constant.
  • the voltage pulses are chosen so that the motor develops a mechanical torque high enough to guarantee the drive of this load.
  • the torque required to drive the load can, however, vary widely.
  • the energy delivered by the source must be high enough so that the torque developed by the motor at each pulse it receives is greater than the greatest resistance that it can happen. responsible for opposing his training.
  • This energy is however far too high in all cases, the most numerous, where the resistance opposed by the load is lower. This therefore results in excessive consumption of electrical energy.
  • This is inconvenient in certain applications, in particular when the overall dimensions of the assembly ble of a device with an energy source must be reduced and when, in addition, this device must operate autonomously and absolutely reliably for a relatively long time, as in the case of medical devices implementable in the human body.
  • the drawback of feeding the stepping motor in open loop therefore lies in the excessively high electrical energy consumption, necessitated by the fact that the motor must drive its charge in a safe manner during each pulse received. .
  • the engine consumes as little power and torque it develops citca ⁇ lunch, s r just to drive the load in majo ⁇ rity of cases, does not guarantee this training every impetus of this first type.
  • Those of the second type have a high energy level, either that their duration is long or that the level of their tension is high.
  • the motor consumes a lot of electrical energy, but it then develops a mechanical torque which guarantees the drive of the load.
  • the position detector does not cause any reaction from the control circuit. On the other hand, if the load is not driven following one of these pulses of the first type, the position detector causes the control circuit to react, which then immediately sends to the motor a pulse of the second type, called pulse of correction.
  • the servo device which thus closes the feed loop of the stepping motor therefore makes it possible to reduce the consumption of electrical energy of the motor while absolutely guaranteeing the load drive.
  • the known servo devices are not, however, satisfactory. Most of them only ensure the drive of the load after each pulse of the first type, thanks to that of the second type which follows it, if necessary, but they do not guarantee the running accuracy of the load.
  • the displacements that the latter can perform in the absence of a pulse, in the interval between two pulses for example when the engine is shocked at that time, as can happen in a quartz watch with analog display completely escape the position detector of the servo device. It should therefore be checked not only that the motor drives its load well when it is desired, but also that the load is not driven when it is not desired.
  • the present invention aims to create a servo device which makes it possible to actuate a stepper motor while consuming reduced electrical energy while guaranteeing, as desired, the drive of the load or the precision of this last market.
  • Fig. 1 is a perspective view of this embodiment.
  • OM Fig. 2 is a sectional view.
  • Fig. 3 is a block diagram of a device guaranteeing the entrainment of the load.
  • Fig. 4 is a block diagram of a device guaranteeing the running accuracy of the load.
  • Figs. 1 and 2 show a servo device, the position detector of which is associated with a Lavet type motor, which performs two steps per revolution.
  • This motor is composed of a magnetic rotor 1, a stator 2 and a wound core 3.
  • a voltage pulse in the motor coil produces a 180 ° rotation of the rotor 1, which transmits this movement by a pinion (not shown), which is integral with it, to a gear train (not shown).
  • the position detector of the servo device is composed of an electret 4, a fixed electrode 5 and a detection circuit 6.
  • an electret is an element made of a material which retains an electrical polarization even in the absence of an electric field. In other words, it is the electric analog of a permanent magnet.
  • Such elements are already used industrially, in particular in miniature microphones.
  • the electret 4 is fixed to the rotor 1. As for the electrode 5, it is arranged so that the electret 4 stops opposite its end each revolution of the rotor 1.
  • the detection circuit 6 is sensitive to the presence of the electret 4 opposite the electrode 5 and it delivers voltage signals to the control circuit, which indicate to it whether the motor has stalled or not, depending on the influence of the electret 4 on the electrode 5. If the control circuit receives a signal indicating that the motor has not taken its step, it sends to the motor a significantly stronger correction pulse, which advances it by one step.
  • FIG. 3 illustrates the application of the servo control device intended to guarantee the drive of the load.
  • This figure represents the control circuit 7, the electric power source 8, the motor 9 and the servo device 10, which is summarized as position detector comprising the electret 4, which is associated with the motor 9, the electrode 5 and the detection circuit 6.
  • the broken lines indicate the line by which the detection circuit 6 sends its voltage signals to the control circuit 7 to indicate if the engine has stalled or not.
  • the position detector could comprise only a single electrode; but it would then be necessary to distribute N / 2 electrets at the periphery of the rotor.
  • the rotor could also carry only one electret; it would then be necessary to have N / 2 electrodes around the rotor.
  • the rotor is not the only mobile with which the positio detector can be associated. The latter could be applied to any mobile gear train driven by the stepping motor.
  • the position detector of the control device according to the invention is advantageously associated to the mobile carrying the second hand 11
  • the position detector of the control device is advantageously associated to the mobile carrying the second hand 11
  • the servo device further comprises a time base 13, which simultaneously controls the control circuit 7 and a counter 14 modulo "60", ie the number N of steps per revolution of the mobile with which the position detector 15 is associated .
  • a discriminator 16 receives particular information, on the one hand, from the position detector 15, when the electret is opposite the electrode, and, on the other hand, from the counter 14, when the latter reaches "60 ". If it receives these two pieces of information at the same time, it does not react; but if that of the counter 14 reaches it before that of the position detector 15, that is to say if the needle 11 is late, it informs the control circuit 7 in such a way by the line 17 in broken lines, let the latter send the engine a train of rapid pulses, to catch up with the needle 11.
  • the particular information from the position detector 15 reaches it before that from the counter 14, that is to say if the needle 11 is ahead, it forms the control circuit 7 in such a way that the latter suspends its normal pulses to the motor, the time to compensate for the advance of the needle 11.

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Abstract

Le dispositif d'asservissement pour moteur pas à pas comprend un détecteur de position composé d'un électret (4), qui est solidaire du rotor (1) du moteur pas à pas, d'une électrode fixe (5) et d'un circuit de détection (6) sensible à l'influence créée sur l'électrode (5) par la présence de l'électret (4) et délivrant des signaux de tension au circuit de commande du moteur pas à pas. Selon ces signaux, le circuit de commande du moteur pas à pas corrige ou non la marche de ce dernier.

Description

DISPOSITIF D'ASSERVISSEMENT POUR MOTEUR PAS A PAS
L'objet de la présente invention est un dispositif d'asservissemen pour moteur pas à pas.
De nombreux moteurs pas à pas connus sont alimentés en boucl ouverte, c'est-à-dire que l'alimentation ne fait que fournir au moteur de impulsions de tension électrique par un circuit de commande associé une source d'énergie, afin que ce moteur développe un couple mécaniqu de nature à entraîner une certaine charge.
Dans ce type d'alimentation en boucle ouverte, l'énergie délivré par la dite source est approximativement la même pour chaque impulsio de tension. Autrement dit, la durée des impulsions et leur niveau d tension sont constants. Pour entraîner une charge déterminée, les impul sions de tension sont choisies de manière que le moteur développe un couple mécanique suffisamment élevé pour garantir l'entraînement de cette charge.
Pour différentes raisons , le couple nécessaire à l'entraînement de la charge peut, toutefois, varier dans une large mesure. Pour garantir l'entraînement de la charge sans coup férir, l'énergie délivrée par la source doit être assez élevée pour que le couple développé par le moteur à chaque impulsion qu'il reçoit soit supérieur à la plus grande résistance qu'il peut arriver à la charge d'opposer à son entraînement. Cette éner¬ gie est cependant bien trop élevée dans tous les cas, les plus nombreux, où la résistance opposée par la charge est plus faible. Il en résulte donc une consommation d'énergie électrique excessive. Cela est gênant dans certaines applications, en particulier lorsque l'encombrement de l'ensem- ble d'un appareil avec source d'énergie doit être réduit et lorsque, de surcroît, cet appareil doit fonctionner de façon autonome et absolument fiable pendant un temps relativement long , comme dans le cas d'appareils médicaux implémentables dans le corps humain. L'inconvénient de l'ali- mentation du moteur pas à pas en boucle ouverte réside donc dans la consommation d'énergie électrique trop élevée, nécessitée par le fait que le moteur doit entraîner sa charge de façon sûre lors de chaque impul¬ sion reçue.
II est connu de remédier à cet inconvénient en alimentant le mo¬ teur en boucle fermée par un dispositif d'asservissement. Ce dernier ré¬ side en un détecteur de position qui renseigne le circuit de commande sur la position de la charge. Lorsque la charge n'est pas entraînée à la suite de l'une des impulsions envoyées normalement au moteur, le détec- teur de position le signale au circuit de commande qui envoie alors une nouvelle impulsion de tension suffisamment forte pour entraîner la char¬ ge. Dans ce cas , le circuit de commande est donc agencé de façon à pouvoir envoyer au moteur deux types d'impulsions de tension. Celles du premier type ont un niveau d'énergie relativement faible, soit que la du- rée des impulsions est courte soit que le niveau de leur tension est bas. Les impulsions de ce type sont celles qui alimentent normalement le mo¬ teur. Le moteur ne consomme alors que peu d'énergie et le couple méca¬ nique qu'il développe, sril suffit pour entraîner la charge dans la majo¬ rité des cas , ne garantit cependant pas cet entraînement à chaque impul- sion de ce premier type. Celles du second type ont un niveau d'énergie élevé, soit que leur durée est longue soit que le niveau de leur tension est élevé. En recevant une impulsion de ce second type, le moteur con¬ somme beaucoup d'énergie électrique, mais il développe alors un couple mécanique qui garantit l'entraînement de la charge.
Si le moteur avance d'un pas à la suite d'une impulsion du pre¬ mier type, le détecteur de position ne provoque aucune réaction du cir¬ cuit de commande. En revanche, si la charge n'est pas entraînée à la suite d'une de ces impulsions du premier type, le_ détecteur de position fait réagir le circuit de commande, qui envoie alors aussitôt au moteur une impulsion du second type, dite impulsion de correction.
Le dispositif d'asservissement qui ferme ainsi la boucle d'alimen¬ tation du moteur pas à pas permet donc de réduire la consommation d'é- nergie électrique du moteur tout en garantissant absolument l'entraîne ment de la charge.
Les dispositifs d'asservissement connus ne sont toutefois pas sa tisfaisants . La plupart d'entre eux n'assurent que l'entraînement de l charge après chaque impulsion du premier type , grâce à celle du secon type qui la suit , le cas échéant , mais ils ne garantissent pas la précisio de marche de la charge . Les déplacements que cette dernière peut effec tuer en l'absence d'impulsion , dans l'intervalle entre deux impulsions par exemple lorsque le moteur subit un choc à ce moment-là, comme cel peut se produire dans une montre à quartz à affichage analogique , é chappent totalement au détecteur de position du dispositif d'asservisse ment . Il faudrait donc contrôler non seulement que le moteur entraîn bien sa charge lorsque cela est désiré, mais aussi que la charge ne soi pas entraînée lorsque cela n'est pas désiré.
Il a déjà été proposé de garantir la précision de marche à l'aid d'un dispositif d'asservissement, cela en utilisant toutefois des contact électriques avec leurs défauts inhérents .
La présente invention , définie par la revendication 1 , vise à crée un dispositif d'asservissement qui permette d'actionner un moteur pas pas en consommant une énergie électrique réduite tout en garantissant, au choix , l'entraînement de la charge ou la précision de marche de cett dernière .
Les particularités définies par les revendications 2 et 3 , spécifi fiées par celles définies par les revendications 4 à 7 sont relatives à u dispositif d'asservissement garantissant l'entraînement de la charge; tan- dis que celles qui sont définies par la revendication 8 et sont spécifiées par celles définies par les revendications 9 et 10 sont relatives à un dis¬ positif d'asservissement garantissant la précision de la marche.
Une forme d'exécution du dispositif d'asservissement selon l'inven- tion est représentée schematiquement et à simple titre d'exemple au des¬ sin qui en illustre deux applications .
La Fig . 1 est une vue en perspective de cette forme d'exécution .
; OM La Fig. 2 en est une vue en coupe.
La Fig. 3 est un schéma-bloc d'un dispositif garantissant l'entraî¬ nement de la charge.
La Fig. 4 est un schéma-bloc d'un dispositif garantissant la pré¬ cision de marche de la charge.
Les Fig. 1 et 2 représentent un dispositif d'asservissement dont le détecteur de position est associé à un moteur du type Lavet, qui ef¬ fectue deux pas par tour. Ce moteur est composé d'un rotor aimanté 1, d'un stator 2 et d'un noyau bobiné 3. Une impulsion de tension dans l bobine du moteur produit une rotation de 180° du rotor 1, qui transmet ce mouvement par un pignon (non représenté) , qui en est solidaire, à un train d'engrenage (non représenté) .
Le détecteur de position du dispositif d'asservissement est compo¬ sé d'un electret 4, d'une électrode fixe 5 et d'un circuit de détection 6.
Pour mémoire, un electret est un élément fait en un matériau qu conserve une polarisation électrique même en l'absence de champ électri que. Autrement dit, c'est l'analogue électrique d'un aimant permanent. De tels éléments sont déjà utilisés industriellement, en particulier dan des microphones miniatures.
L'électret 4 est fixé au rotor 1. Quant à l'électrode 5 , elle es disposée de façon que l'électret 4 s'arrête en regard de son extrémité chaque tour du rotor 1. Le circuit de détection 6 est sensible à la pré sence de l'électret 4 en regard de l'électrode 5 et il délivre des signau de tension au circuit de commande, qui lui indiquent si le moteur a fai son pas ou non, selon l'influence de l'électret 4 sur l'électrode 5. Si l circuit de commande reçoit un signal lui indiquant que le moteur n'a pa fait son pas, il envoie au moteur une impulsion de correction nettemen plus forte, qui le fait avancer d'un pas .
Le schéma-bloc de la Fig. 3 illustre l'application du dispositi d'asservissement destinée à garantir l'entraînement de la charge. Cett figure représente le circuit de commande 7 , la source d'énergie électri que 8 , le moteur 9 et le dispositif d'asservissement 10 , qui se résume a détecteur de position comprenant l'électret 4, qui est associé au moteu 9, l'électrode 5 et le circuit de détection 6. Les traits interrompus indi quent la ligne par laquelle le circuit de détection 6 envoie ses signau de tension au circuit de commande 7 pour lui indiquer si le moteur a fai son pas ou non.
Dans le cas d'un moteur dont le rotor effectuerait N pas pa tour, le détecteur de position pourrait ne comprendre qu'une seule élec trode; mais il faudrait alors répartir N/2 électrets à la périphérie du ro tor. Le rotor pourrait aussi ne porter qu'un seul electret; il faudrait a lors disposer N/2 électrodes autour du rotor.
Le rotor n'est pas le seul mobile auquel le détecteur de positio puisse être associé. Ce dernier pourrait l'être à n'importe quel mobile d train d'engrenage entraîné par le moteur pas à pas.
Ainsi, dans le cas d'une montre à quartz à affichage analogiqu (Fig . 4) , où c'est la précision de marche qui importe au premier chef, l détecteur de position du dispositif d'asservissement selon l'invention es avantageusement associé au mobile portant l'aiguille des secondes 11 Pour atteindre le but visé, il suffit de fixer un electret unique sur c dernier mobile, qui effectue soixante pas par tour, et de disposer un électrode à un endroit tel que l'électret arrive en regard d'elle lorsqu l'aiguille des secondes 11 arrive, par exemple, sur "12 h. " . Dans ce cas , il y a aussi un circuit de commande 7 , une source d'énergie électrique et un moteur 9 , identiques à ceux de la Fig . 3. Ce dernier entraîne u rouage 12 et finalement l'aiguille 11.
Le dispositif d'asservissement comprend en outre une base d temps 13 , qui pilote simultanément le circuit de commande 7 et un comp teur 14 modulo "60" , soit le nombre N de pas par tour du mobile auquel le détecteur de position 15 est associé. Un discriminateur 16 reçoit une information particulière, d'une part, du détecteur de position 15 , quand l'électret est en regard de l'électrode, et, d'autre part, du compteur 14, quand celui-ci arrive à "60" . S'il reçoit ces deux informations en même temps, il ne réagit pas; mais si celle du compteur 14 lui parvient avant celle du détecteur de position 15 , c'est-à-dire si l'aiguille 11 est en re¬ tard, il en informe le circuit de commande 7 de telle façon par la ligne 17 en traits interrompus, que ce dernier envoie au moteur un train d'im- pulsions rapides, pour rattraper le retard de l'aiguille 11. En revanche, si l'information particulière du détecteur de position 15 lui parvient avant celle du compteur 14, c'est-à-dire si l'aiguille 11 est en avance, il en in¬ forme le circuit de commande 7 de telle façon que celui-ci suspens ses impulsions normales au moteur, le temps de compenser l'avance de l'ai¬ guille 11.
OM
^L

Claims

R E V E N D I C A T I O N S :
1. Dispositif d'asservissement pour moteur pas à pas, caractérisé en ce qu'il comprend un détecteur de position constitué:
- d'au moins un electret (4) , solidaire d'un mobile (1) entraîné par l moteur pas à pas (9) ;
- d'au moins une électrode fixe (5) , disposée de façon que chaque elec tret (4) arrive en regard de chaque électrode fixe à chaque tour d dit mobile ( 1 ) , et
- et d'un circuit de détection (6) sensible à l'influence créée sur les é lectrodes fixes (5) par les électrets (4) , et délivrant des signaux d tension qu'un circuit de commande (7) utilise pour corriger ou non l marche du moteur pas à pas.
2. Dispositif d'asservissement selon la revendication 1, caractérisé en ce que les signaux de tension du circuit de détection (6) sont émis chaque pas du dit mobile (1) et indiquent au circuit de commande (7) s le moteur (9) a fait son pas ou non .
3. Dispositif d'asservissement selon la revendication 2 , caractérisé en ce que le circuit de commande (7) est agencé pour corriger la march du moteur (9) en lui envoyant une impulsion de correction si le moteu
(9) n'a pas fait son pas.
4. Dispositif d'asservissement selon la revendication 1, caractérisé en ce que le détecteur de position (4, 5 , 6) comprend un seul electret, qui est solidaire d'un mobile effectuant N pas par tour, et N/2 électrode fixes réparties régulièrement autour du dit mobile.
5. Dispositif d'asservissement selon la revendication 1 , caractérisé en ce que le détecteur de position (4, 5 , 6) comprend N/2 électrets , qui sont solidaires d'un mobile effectuant N pas par tour et sont répartis ré¬ gulièrement autour de l'axe de ce mobile, et une seule électrode fix
6. Dispositif d'asservissement selon la revendication 4 ou 5 , caractérisé en ce que le ou les électrets sont solidaires du rotor (1) du moteur pas à pas (9) .
7. Dispositif d'asservissement selon la revendication 6 , caractérisé
- en ce que le rotor (1) du moteur pas à pas (9) effectue deux pas par tour - et en ce que le détecteur de position (4, 5 , 6) ne comprend qu'un seu electret (4) et une seule électrode fixe (5) .
8. Dispositif d'asservissement selon la revendication 1, caractérisé par - un détecteur de position (15) composé d'un seul electret, qui est soli daire d'un mobile effectuant N pas par tour , d'une seule électrode fix et d'un circuit de détection,
- un compteur (14) modulo N,
- une base de temps (13) pilotant simultanément le circuit de command (7) du moteur pas à pas et le compteur (14)
- et un discriminateur (16) qui compare l'état du circuit de détection celui du compteur (14) .
9. Dispositif d'asservissement selon la revendication 7 , caractérisé
- en ce que le discriminateur (16) reçoit une première information parti culière du détecteur de position (15) quand l'électret est en regard d l'électrode et une autre information particulière du compteur (14) , quand celui-ci arrive à N - et en ce que ce discriminateur est agencé pour indiquer au circuit d commande (7) si les deux dites informations ne sont pas simultanées .
10. Dispositif d'asservissement selon la revendication 9, caractérisé en ce que le circuit de commande est agencé pour rétablir la synchroni sation entre le dit mobile et le compteur 14 soit en envoyant au moteu (9) un train d'impulsions rapides soit pour en suspendre l'alimentaation, selon que le discriminateur (16) lui a indiqué un retard ou une avanc du dit mobile.
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