Détecteur d'avance d'un moteur pas à pas

Abstract

 Dispositif d'alimentation permettant de détecter l'avance d'un moteur pas à pas et d'envoyer audit moteur un train d'impulsions de longue durée si un pas n'a pas été franchi en réponse à une impulsion de courte durée.
Le détecteur comprend des moyens pour prélever un premier signal développé par le courant dans la bobine du moteur (22) et pour créer un second signal qui soit l'intégrale du premier afin de détecter si le moteur a fait son pas au non.
L'invention s'applique aux micromoteurs pour pièces d'horlogerie.

Description

[0001] La présente invention a pour objet un dispositif d'alimentation d'un moteur pas à pas monophasé pour pièce d'horlogerie arrangé pour commander la marche du moteur par un premier type d'impulsions bipolaires de faible largeur ou par un second type d'impulsions bipolaires de plus grande largeur, un train dudit second type d'impulsions étant envoyé au moteur si ce dernier n'a pas progressé d'un pas en réponse audit premier type d'impulsions.

[0002] Un dispositif de commande de ce type est connu. L'exposé allemand DEOS 27 45 052 décrit un système de commande qui applique au moteur un signal de faible énergie si la charge du moteur est faible et un signal de grande énergie si la charge du moteur est forte et ceci dans le but de diminuer d'environ 60 % la consommation d'énergie de la montre. L'invention citée base le passage du premier signal au second signal sur l'observation de l'allure du courant moteur dont les maxima se déplacent vers la droite quand 1a charge du moteur augmente. En détectant la position des maxima, il est ainsi possible d'envoyer au moteur une impulsion de commande de grande largeur (p.ex. 7,8 ms) lorsque le couple mécanique augmente, ce qui est le cas par exemple au moment du chargement de la date du calendrier. Ce système présente l'inconvénient de ne pas être en mesure de savoir si, à la suite de l'impulsion de commande, le moteur a progressé d'un pas. Il peut alors se présenter des circonstances où un train d'impulsions de grande largeur est envoyé au moteur sans nécessité aucune.

[0003] Un autre dispositif de commande est décrit dans les demandes de brevet FR 2 384 289 et FR 2 388 323 où cette fois-ci la détection du pas est prévue. Dans les brevets cités, la configuration du moteur est telle qu'il présente une zone saturable. Dans ces circonstances, une impulsion dite de détection de l'ordre de la milliseconde permet de détecter si le rotor a tourné ou non. Si le pas n'a pas été fait, une impulsion de correction (7,8 ms) est immédiatement envoyée au moteur en remplacement de l'impulsion normale (3,9 ms). Comme déjà mentionné, ce système demande un moteuràzone saturable et présente donc l'inconvénient de n'être pas applicable à tous les moteurs pas à pas connus de l'industrie horlogère. D'autre part, ilfaut remarquer que la tension de détection passe du simple au double lorsque le moteur fait son pas. La présente invention propose un écart beaucoup plus important, ce qui lui donne une meilleure sûreté de fonctionnement, comme cela est expliqué plus loin.

[0004] Citons encore le mémoire exposé CH 13 723/72 qui propose la différentiation du signal de détection et l'allongement de l'impulsion de commande en fonction de la charge mécanique appliquée au moteur. Ce système présente l'inconvénient que la détection du maximum de vitesse du rotor ne signifie pas nécessairement que ledit rotor a franchi un pas comme cela apparaîtra dans les explications qui suivront.

[0005] Enfin, le brevet USA 4,114,364 propose également d'allonger l'impulsion de commande en réponse à la charge du moteur. Outre que le système ne détecte pas la rotation du rotor, il présente l'inconvénient d'une consommation importante, ce qui n'est pas l'objectif fixé.

[0006] C'est le but de l'invention d'éliminer les inconvénients ci-dessus et de réaliser un dispositif de commande qui économisel'énergie de la source d'alimentation tout en étant très sûr dans son fonctionnement.

[0007] Le dispositif d'alimentation selon l'invention est caractérisé par le fait qu'il comprend un détecteur de pas comprenant des premiers moyens pour prélever un premier signal Ud développé par le courant qui parcourt la bobine dudit moteur et des seconds moyens pour créer un second signal

dont la valeur indique si le moteur a progressé d'un pas en réponse à une impulsion de faible largeur.

[0008] L'invention sera mieux comprise à la lumière de la description qui suit et des dessins qui représentent le fonctionnement du moteur et de son dispositif de commande.

La figure 1 est l'organigramme d'une alimentation avec contrôle du pas.

La figure 2 représente les divers signaux appliqués au moteur.

La figure 3 montre l'allure du couple mutuel, du couple de positionnement et du flux mutuel aimant - bobine en fonction de la position du rotor.

La figure 4a montre le schéma de principe du détecteur de position selon l'invention.

La figure 4b montre une variante du schéma de principe du détecteur de position selon l'invention.

La figure 5 montre l'allure de la tension à la sortie de l'intégrateur et du courant dans la bobine quand le rotor a franchi son pas.

La figure 6 montre l'allure de la tension à la sortie de l'intégrateur et du courant dans la bobine quand le rotor n'a pas franchi son pas.

[0009] L'invention qui va être décrite vise en premier lieu la réduction de la consommation de la pièce d'horlogerie. On constate en effet qu'un micromo- teur de montre travaille en général pratiquement à vide. Toutefois, pour assurer un bon fonctionnement dans des cas particuliers comme variation de température, champ magnétique extérieur, choc, accélération angulaire, etc., on est obligé de le suralimenter, ce qui conduit à une consommation inutile de l'énergie de la pile. L'invention propose un nouveau dispositif du contrôle du pas du moteur qui permet d'adapter, avec de grandes marges de sécurité, l'alimentation en fonction de la charge, d'où il résulte un gain appréciable sur la consommation d'énergie.

[0010] Le principe général d'alimentation du moteur tel qu'il a déjàétémen- tionné dans certains brevets cités plus haut est représenté dans la figure 1 qui est un organigramme d'alimentation avec contrôle du pas. Le moteur est alimenté normalement par des impulsions de courte durée (p.ex. 6 ms) émises par le générateur 1. Un détecteur de position 2, object de la présente invention et qui sera décrit en détail plus loin permet de contrôler si le moteur a fait son pas. Si oui, l'organe de décision 3 faitsavoirvia la ligne 4 au générateur 1 qu'il doit continuer à alimenter le moteur. Si non, le même organe de décision commande par la ligne 5 le générateur 6 qui émet des impulsions de longue durée (p.ex. 8 ms) qui alimentent le moteur et se substituent aux impulsions de courte durée. Cette substitutionalieu pendant un temps de n secondes fixé par le compteur 7. Après ce laps de temps, le moteur est à nouveau alimenté par des impulsions de courte durée. On voit que le moteur est alimenté alternativement et suivant les besoins soit par la boucle 8 donnant des impulsions de courte durée, le détecteur étant en fonctionnement, soit par la boucle 9 donnant des impulsions de longue durée pendant un temps déterminé par le compteur, le détecteur étant hors circuit. Les différentes anomalies qui peuvent se présenter lors du fonctionnement dues aux causes dont il a été question plus haut durent un certain temps. On comprendra donc qu'envoyer systématiquement une impulsion longue après chaque impulsion courte n'ayant pas réussi à faire progresser le moteur d'un pas serait dispendieux en énergie consommée et contraire au but que l'invention se propose d'atteindre. La durée pendant laquelle sont envoyées au moteur les impulsions longues est de l'ordre de 5minutes,mais d'autres valeurs pourraient être choisies.

[0011] La figure 2a représente le train d'impulsions courtes qui est envoyé au moteur lorsque celui-ce franchit son pas. Les impulsions 10, bipolaires et d'une durée de l'ordre de 6 ms, sont émises toutes les secondes par le générateur 1. La figure 2b représente le traind'impulsions longues 11 d'une durée de l'ordre de 8 ms émis par le générateur 6, impulsions se succédant à un rythme de une seconde. Pour les raisons qui seront expliquées plus loin, le début de l'impulsion longue est décalé de 40 ms par rapport au début de l'impulsion courte et lorsque le détecteur de position, après l'impulsion 12 montré en figure 2c, décelle une absence de rotation, le train d'impulsions longues 13 est envoyé au moteur pendant environ 5 minutes, après quoi le moteur est commuté à nouveau sur les impulsions courtes 14.

[0012] La figure 3 représente la valeur des couples C qui agissent sur le rotor en fonction de son angle de rotation α. Comme il est connu, le rotor du moteur pas à pas est soumis à deux sortes de couples : un couple statique de maintien Ca dû à l'aimant seul et un couple dynamique moteur Cab dû à l'interaction du flux de l'aimant avec le flux de la bobine lorsque celle-ci est alimentée. Initialement le rotor est en position S_l. Si une impulsion est envoyée au moteur et qu'il franchit son pas,i1 se retrouvera-en position S₂. Sur la même figure 3, on a représenté la valeur du flux mutuel aimant - bobine 4j en fonction de l'angle de rotation du rotor. La présente invention est justement basée sur la valeur de ce flux qui prend des valeurs différentes selon que le moteur a progressé d'un pas ou non.

[0013] L'équation différentielle de la tension recueillie aux bornes d'unmi- cromoteur peut s'écrire :

dans laquelle

U = tension aux bornes du moteur,

R = résistance totale du circuit,

L = inductance de la bobine,

i = courant dans la bobine,

Ψ = flux mutuel aimant - bobine.

En intégrant entre 0 et T l'équation ci-dessus, on obtient :

En choisissant un temps T plus grand que la longueur d'impulsion, parexem- ple 30 ms, tout courant aura cessé dans la bobine du moteur, ce qui fait que i (T) = 0. D'autre part, en observant la valeur que peut prendre le flux présenté en figure 3, on s'aperçoit que :

si le moteur a fait son pas, et

si le moteur n'a pas fait son pas, si bien que la relation (2) devient :

si le moteur a fait son pas, et

si le moteur n'a pas fait son pas.

[0014] Cette démonstration montre à l'évidence qu'en intégrant la tension recueillie aux bornes du moteur entre l'instant qui est celui de l'établissement de l'impulsion et l'instant à partir duquel le courant a substantiellement cessé dans la bobine, on obtient deux niveaux de tension trèsdiffé- rents suivant que le moteur a fait son pas ou non. Les relations ci-dessus montrent également que dans le système de détection proposé la différence de niveaux de tension est indépendante de la tension d'alimentation et de la résistance interne de la pile.

[0015] Le principe de fonctionnement du détecteur selon l'invention sera expliqué maintenant en détail au moyen du schéma de la figure 4a.

[0016] Les signaux en provenance du circuit diviseur.20 sont appliqués à un circuit 21. Ce circuit comprend le générateur d'impulsions courtes 1, le générateur d'impulsions longues 6 et le compteur 7, tel que cela a été expliqué dans la figure 1. La tension de sortie Um a soit l'allure présentée en figure 2a, soit l'allure présentée en figure 2c selon que le moteur a franchi son pas ou non. Um est connectée à la diagonale a-b d'un pont dont une des branches est occupée par la bobine du moteur 22. La tension Ud qui se développe sur l'autre diagonale c - d du pont est envoyée à l'entrée d'un amplificateur différentiel 23.de gain g. Il ressort de la figure que

et que U1 = Um

et que = Rsh · i. Comme Ud = U₁ - U₂ , il en résulte que

A son tour, la tension de sortie g · Ud de l'amplificateur est envoyée à un intégrateur 24 auquel est associée une résistance R et un condensateur C. La tension Uc à la sortie de l'intégrateur s'écrit :



qui en considération de l'équation (2) s'écrit finalement :

Le signal Uc est comparé à une tension de référence Ur dans un comparateur 25. Cette comparaison a lieu 30 ms environ après le début de l'impulsion de commande, grâce à un signal d'horloge provenant du diviseur de fréquence. Si Uc est plus grand que Ur, le moteur a franchi son pas et il n'apparaît aucun signal à la sortie du comparateur : le circuit de commande continue à émettre des impulsions de courte durée. Si au contraire Uc est plus petit que Ur, le moteur n'a pas franchi son pas et il apparaît un signal Us à la sortie du comparateur qui par la ligne 26 oblige le circuit de commande à émettre un train d'impulsions de longue durée 13 comme cela est montré en en figure 2c. Pendant le temps où sont émises les impulsions 13, on bloque l'amplificateur 23 par la ligne 27.

[0017] La figure 4b montre une variante d'exécution de l'invention. A la bobine du moteur 22 est couplée magnétiquement une bobine captrice 28 aux bornes de laquelle est développée la tension Ud qui, à son tour, attaque un circuit semblable à celui qui vient d'être décrit.

[0018] Si l'on examine l'équation (3) , on constate que les paramètres qui influencent la tension Uc peuvent être classés en deux catégories : ceux qui dépendent du circuit électronique (g, R, C, Rsh, R₁ et R₂) et celui, unique, qui dépend du moteur et qui est la différence de niveaux du flux mutuel à l'instant t = 0 et à l'instant t = T . Ce dernier paramètre est conditionné par le facteur de couplage du moteur, par le déphasage entre les couples Cab et Ca et par le rapport existant entre le couple de frottement sec et le couple Ca. Des mesures sur modèles ont montré que, en tenant compte des diverses circonstances qui peuvent se présenter, le rapport entre la tension Ucminimum produite par un pas franchi et la tension Uc maximum existant même si le rotor n'a pas franchi son pas est supérieur à 12. Il résulte de ceci que le système proposé est très sûr puisquela détection du pas est pratiquement indépendante de la dispersion des paramètres du moteur. Il s'ensuit également que la tension de référence Ur peut être choisie dans des limites assez larges, ce qui simplifie la réalisation du comparateur 25.

[0019] L'impulsion courte a une durée d'environ 6 ms et l'impulsion longue une durée d'environ 8 ms. Comme expliqué plus haut, la mesure de la tension Uc par le comparateur a lieu 30 ms après le début de l'impulsion de commande. Cette valeur peut varier selon le type de moteur utilisé et des valeurs plus basses peuvent être choisies pourvu qu'à ce moment-là tout courant ait substantiellement cessé dans la bobine. On comprendra maintenant la raison du décalage entre le début de l'impulsion courte et le début du train d'impulsions longues, comme montré sur la figure 2c. Ce décalage dépend naturellement de l'instant qui a été choisi pour la mesure de la tension Uc puisque le train d'impulsions longues n'interviendra, si nécessaire, qu'après ladite mesure. La figure indique un décalage de 40 ms pour une mesure faite après 30 ms. Si cette mesure est faite plus tôt, par exemple après 15 ms déjà, le décalage pourra être raccourci à 25 ms.

[0020] La figure 5 montre l'allure de la tension Uc et du courant i dans la bobine quand le rotor a franchi son pas en réponse à une impulsion courte de 6 ms et pour un type bien défini de moteur pas à pas. La courbe 1 a été relevée pour un couple nul appliqué à l'arbre du moteur, la courbe 2 pour un couple de 3 . 10-7 Nm et la courbe 3 pour un couple de 6 . 10-7 Nm . On s'aperçoit que,si la mesure a lieu après un temps t > 18 ms, la tension Uc recueillie à la sortie de l'intégrateur a une valeur de l'ordre de volt. A noter ici le déplacement vers la droite des maxima de courant quand le couple augmente (voir publication citée DEOS 27 45 052) mais qui n'est pas, dans la présente invention, un critère de fonctionnement du pas.

[0021] La figure 6 montre l'allure de la tension Uc et du courant i dans la bobine quand le rotor n'a pas franchi son pas en réponse à une impulsion courte de 6 ms. La courbe 1 a été relevée pour un couple de 9 · 10-7 Nm appliqué à l'arbre du moteur, la courbe 2 pour un couple de 12 · 10-7 Nm et la courbe 3 pour un couple de 15 · 10-7 Nm . On voit immédiatement qu'à partir d'un temps t > 24 ms la tension Uc à la sortie de l'intégrateur est très faible. A noter ici qu'une détection du maximum de vitesse ou, si l'on préfère, un minimum de courant entre 0 et 6 ms, comme proposé dans la demande citée CH 13 723/72, conclurait au passage d'un pas, alors que ce n'est pas le cas comme le montre le diagramme.

[0022] Comme cela a été mentionné auparavant, le système a pour but principal de diminuer la consommation d'énergie de la pièce d'horlogerie et d'y parvenir au moyen d'un intégrateur qui peut convenir à n'importe quel moteur pas à pas. Si ce moteur est dimensionné pour l'asservissement que propose la présente invention, une économie en énergie de l'ordre de 60 % a été mesurée.

Revendications

1. Dispositif d'alimentation d'un moteur pas à pas monophasé pour pièce d'horlogerie arrangé pour commander la marche du moteur par un premier type d'impulsions bipolaires de faible largeur ou par un second type d'impulsions bipolaires de plus grande largeur, un train dudit second type d'impulsions étant envoyé au moteur si ce dernier n'a pas progressé d'un pas en réponse audit premier type d'impulsions, caractérisé par le fait qu'il comprend un détecteur de pas comprenant des premiers moyens pourpré- lever un premier signal Ud développé par le courant qui parcourt la bobine dudit moteur et des seconds moyens pour créer un second signal

dont la valeur indique si le moteur a progressé d'un pas en réponse à une impulsion de faible largeur.

2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que lesdits premiers moyens de détection comportent un pont dont une des branches est occupée par la bobine du moteur, la première diagonale du pont étant alimentée par lesdits premier ou second types d'impulsions et la seconde diagonale du pont donnant le signal d'entrée Ud d'un amplificateur différentiel dont la sortie est connectée à l'entrée desdits seconds moyens se présentant sous la forme d'un intégrateur, le signal de sortie Uc dudit intégrateur attaquant un comparateur qui compare ledit signal de sortie à un signal de référence Ur pour produire un signal de détection Us si le moteur n'a pas progressé d'un pas en réponse à ladite impulsion de faible largeur.

3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que lesdits premiers moyens de détection comportent une bobine captrice insérée dans le circuit magnétique du moteur, la tension développée aux bornes de ladite bobine constituant le signal d'entrée Ud d'un amplificateur différentiel dont la sortie est connectée à l'entrée desdits seconds moyens se présentant sous la forme d'un intégrateur, le signal de sortie Uc dudit intégrateur attaquant un comparateur qui compare ledit signal de sortie à un signal de référence Ur pour produire un signal de détection Us si le moteur n'a pas progressé d'un pas en réponse à ladite impulsion de faible largeur.

4. Dispositif selon les revendications 2 ou 3, caractériséparle fait que ledit comparateur délivre ledit signal de détection Us dès que le courant a substantiellement cessé dans la bobine du moteur.

Dessins