[0001] La présente invention est relative à un dispositif pour alimenter en énergie constante
à partir d'une source de tension variable U
o un moteur pas à pas, notamment pour pièce d'horlogerie, l'alimentation consistant
à fournir au moteur des impulsions de durée constante T
j , chacune étant hachée selon un taux de hachage dépen- . dant de la valeur de la tension
de la source U et constituée par une suite d'impulsions élémentaires de durée T séparées
par des périodes d'interruption T
r, la somme T + T définissant une période d'échantillonnage prédéterminée T
e.
[0002] Dans les pièces d'horlogerie électroniques que l'on trouve aujourd'hui sur le marché,
il est d'usage courant de trouver un moteur pas à pas pour convertir les impulsions
électriques issues d'une base de temps à quartz en mouvement mécanique pour afficher
l'heure. Le système est alimenté par une source d'énergie, généralement une pile de
petites dimensions qu'il faudra remplacer périodiquement. Pour économiser l'énergie
livrée par la pile et donc la faire durer le plus longtemps possible, on a déjà proposé
des systèmes de réglage qui asservissent la durée de l'impulsion qui meut le moteur
à la charge qu'il doit entraîner; en d'autres termes, on allonge l'impulsion si la
charge augmente et on la réduit si cette même charge diminue. De tels systèmes sont
décrits par exemple dans les documents US-A-4,323,834 et US-A-4,346,463.
[0003] Ces systèmes supposent généralement que le moteur est alimenté à tension constante
et ne tiennent pas compte des écarts entre la tension délivrée par la pile au début
puis à la fin de sa durée de vie. A première vue, cette simplification peut paraître
légitime pour une pile à l'argent qui présente une caractéristique de décharge quasi
constante de 1,5 V durant sa durée de vie. Cependant, si la source d'énergie choisie
est une pile au peroxyde d'argent, la situation se présente différemment puisque sa
tension de début de vie est d'environ 1,8 V et qu'on est obligé de lui faire subir
un traitement spécial en cours de fabrication qui réduit sa capacité et qui amène
sa tension à 1,5 V. Donc, dans ce cas, on n'utilise pas au mieux les caractéristiques
de ce type de pile qui se distingue normalement par une capacité élevée compte tenu
de son volume. La situation se présente encore plus défavorablement si l'on considère
la pile au lithium nouvellement proposée sur le marché qui est remarquable en ce qui
concerne sa fiabilité élevée et son importante densité d'énergie, mais qui montre
une caractéristique de décharge extrêmement défavorable en ce sens que sa tension
varie, au cours de sa durée de vie, de 3,6 à 2,4 V environ.
[0004] Dans le cas des deux derniers types de piles cités ci-dessus, on comprendra qu'une
diminution de tension, accompagnée généralement d'une augmentation de résistance de
la pile, entraînera d'abord un fonctionnement instable du moteur puis un arrêt total
et ceci bien avant la fin de la durée de vie de la pile. Pour pallier cet inconvénient,
on pourrait dimensionner le moteur de telle sorte qu'il puisse fonctionner même lorsque
la pile fournit sa tension la plus faible. Il en résulterait cependant une sur-consommation
du moteur pendant une très grande partie de la durée de vie de la pile.
[0005] Pour obvier aux inconvénients inhérents aux solutions citées, on a déjà proposé d'alimenter
le moteur par des impulsions d'attaque de durée constante T
i, ces impulsions étant hachées et constituées par une suite d'impulsions élémentaires
de durée T séparées par des périodes d'interruption T r, le taux de hachage étant
fonction de la valeur de la tension présente aux bornes de la pile.
[0006] Un tel arrangement est décrit dans le document GB-A-2 054 916 qui préconise d'alimenter
l'enroulement du moteur pas à pas avec des impulsions motrices formées chacune d'une
suite d'impulsions élémentaires dont la largeur est déterminée en dépendance de la
valeur de la tension qui est fournie par la pile lorsque cette dernière est branchée
aux bornes de résistances de valeurs connues. Selon cet arrangement, on détermine,
sensiblement toutes les millisecondes, dans quel domaine de valeurs se trouve cette
tension et on choisit en conséquence une forme de signal moteur parmi cinq formes
de signaux prédéterminés. Il s'agit donc là d'un réglage discontinu de la puissance
des impulsions motrices en fonction de la tension de la source d'alimentation, et
il en résulte des variations importantes du couple moteur pouvant causer des pas perdus.
De plus, ce réglage étant discontinu, il ne permet pas de réaliser de façon efficace
un asservissement de l'énergie des impulsions motrices à la charge que doit entraîner
le moteur si un tel asservissement est souhaité.
[0007] Une autre solution pour résoudre le problème posé est proposée dans le document EP-A1-0
077 293 où le dispositif de commande permet d'adapter de façon sensiblement continue
la puissance de chaque impulsion d'attaque à la valeur de la tension de la source
d'alimentation. Ici, la valeur du taux de hachage est recalibré périodiquement en
dépendance de la tension d'alimentation, puis mise en mémoire, après quoi le taux
de hachage est maintenu à cette valeur jusqu'à l'arrivée d'un prochain signal de recalibrage.
Cependant, le système proposé exige l'emploi d'un calculateur et la mise en mémoire
de l'écart calculé, ce qui complique le circuit électronique de la montre. De plus,
ce système préconise la mesure du courant -circulant dans l'enroulement du moteur,
ce qui exige l'emploi d'une résistance disposée en série avec ledit enroulement et
un système de commutation qui complique également le circuit d'alimentation du moteur.
[0008] Pour obvier aux inconvénients qui viennent d'être mentionnés, la présente invention
propose un dispositif qui alimente le moteur pas à pas en énergie constante quelle
que soit la tension délivrée par la pile et ceci grâce aux moyens qui apparaissent
dans les revendications.
[0009] L'invention sera mieux comprise maintenant à la lumière de la description qui suit
et pour l'intelligence de laquelle on se référera, à titre d'exemple, au dessin dans
lequel :
La figure 1 est un schéma bloc du dispositif selon l'invention;
La figure 2 est un diagramme montrant comment se présente la tension aux bornes du
moteur quand la pile qui l'alimente est au début de sa durée de vie (figure 2a) et
quand cette même pile est à la fin de sa durée de vie (figure 2b) lorsque ledit moteur
est alimenté selon le dispositif de la figure 1;
La figure 3 est un schéma détaillé de l'alimentation du moteur suivant le schéma de
principe de la figure 1 et selon un mode de réalisation préféré;
Les figures 4 et 5 sont des diagrammes montrant les signaux en différents points du
schéma de la figure 3 dans deux cas de tension de la source d'alimentation;
La figure 6 est un schéma montrant comment on prélève du diviseur de fréquence les
diverses impulsions nécessaires au fonctionnement du dispositif illustré en figure
3;
La figure 7 est un schéma qui complète le schéma de la figure 3 selon une variante
d'exécution de l'invention.
[0010] La figure 1 est un schéma bloc du dispositif selon l'invention. Le moteur M est du
type pas à pas et est alimenté par une source de tension continue, une pile au lithium
par exemple, délivrant une tension U
o. Si, pendant une durée prédéterminée T
i, on ferme l'interrupteur 1 et qu'en même temps on agit sur l'interrupteur 2 de façon
répétée, on obtient une impulsion motrice hachée qui fera progresser d'un pas le rotor
du moteur. Comme on l'a dit plus haut, il s'agit de fournir au moteur une énergie
constante quelle que soit la valeur de la tension de la pile et pour ce faire on fera
dépendre le taux de hachage de ladite tension. On découpe le temps pendant lequel
est fermé l'interrupteur 1 en une multiplicité de périodes d'échantillonnage T
e fixées à l'avance, chacune de ces périodes étant constituée d'une impulsion de durée
T
o pendant laquelle l'interupteur 2 est fermé suivie d'une période de repos T
r pendant laquelle l'interrupteur 2 est ouvert. On comprendra que le rapport T
o/T
e est précisément le taux de hachage qu'il s'agit de contrôler en fonction de la tension
d'alimentation U
o. Si U
o est élevé (début de la durée de vie de la pile), T
o sera court et le taux de hachage faible. Si au contraire U
o est faible (fin de la durée de vie de la pile), T devra être allongé, ce qui entraînera
un taux de hachage élevé.
[0011] La première de ces situations est illustrée en figure 2a. Ici, la tension pile U
est importante (par exemple 3 V) et, pendant que l'interrupteur 1 est fermé, durant
la période T
i, l'allure de la tension U
M aux bornes du moteur présente une série d'impulsions courtes de durée T
o dont l'amplitude est celle de la tension U
o. Le taux de hachage T
o/T
e imposé par l'interrupteur 2 est de l'ordre de 25 %. La seconde de ces situations
est illustrée en figure 2b où la tension pile U
o est réduite de moitié (par exemple 1,5 V). Dans ce cas, la tension U
M est composée d'impulsions dont l'amplitude est réduite de moitié mais de durée T
o plus longue et présentant un taux de hachage de l' ordre de 50 %. On voit que dans
. les deux situations la période d'échantillonnage T
e est la même. En fait, la période T
e est fixée une fois pour toutes par construction et constitue une période prédéterminée.
Dans les deux cas, la tension moyenne U
m appliquée au moteur est la même. Ceci peut s'exprimer analytiquement par l'expression
:

où E est l'énergie appliquée au moteur et I le courant circulant dans sa bobine. On
voit que pour maintenir une énergie E constante il faut s'arranger pour maintenir
constante la tension moyenne U
m représentée par l'expression U
oT
o/T
e , étant donné que si la tension moyenne reste constante, le courant I reste également
constant.
[0012] Si l'on se réfère à nouveau à la figure 1, on va expliquer maintenant comme on s'y
prend, selon l'invention, pour livrer au moteur une énergie constante quelle que soit
la valeur de la tension de la source U . Aux bornes de cette source, on trouve d'abord
un premier bloc 3 apte à fournir sur sa sortie 4 une tension U
AB strictement proportionnelle à la tension de la source U
o. La tension U
AB est ensuite utilisée dans un deuxième bloc 5 qui présente sur sa sortie 6 un premier
signal U
c dont la vitesse de croissance est d'autant plus rapide que la tension U
AB est élevée. Ce signal variable U
c est répété pendant chaque période d'échantillonnage T
e. Le signal U
c est enfin comparé dans un troisième bloc 7 à un seuil de référence U
r. Selon que le signal U est inférieur ou supérieur au seuil de référence U , le bloc
7 produit un état logique différent et fait apparaître sur sa sortie 8 et lors de
chaque période d'échantillonnage T
e une impulsion élémentaire de durée T
o qui ferme l'interrupteur 2 le temps que dure ladite impulsion.
[0013] La figure 3 est un schéma détaillé de l'alimentation du moteur et donne un mode de
réalisation préféré de l'invention basé sur le schéma de principe de la figure 1.
La source de tension continue U
o alimente le moteur M par les lignes 10 et 11. Le moteur M est par exemple du type
Lavet à deux pas par tour. Pour former les impulsions bipolaires nécessaires à l'avance
de ce moteur, on trouve, interposé entre ses bornes 12 et 13 et la source d'alimentation
un ensemble de quatre interrupteurs 31, 32, 33 et 34 qui sont constitués par des transistors
de commutation commandés par leur base. Quand les transistors 31 et 32 sont conducteurs,
le courant traverse le moteur selon la flèche 14 pendant une période T. et le rotor
tourne d'un premier demi-tour. Après un laps de temps pendant lequel le moteur est
au repos (1 seconde par exemple), on fait conduire les transistors 33 et 34 pendant
une même période T
i, ce qui a pour effet de faire tourner le rotor d'un deuxième demi-tour, le moteur
étant alors parcouru par un courant de sens opposé et selon la flèche 15. La longueur
de l'impulsion T
i, la périodicité avec laquelle elle se répète et la commande alternée des paires de
transistors 31, 32 et 33, 34 (signaux T et T) proviennent généralement d'une base
de temps commune qui commande à son tour un diviseur de fréquence à étages multiples
d'où sont tirés ces signaux. La production des signaux T
i, T et T est connue de l'état de la technique. Elle sera cependant expliquée plus
loin (figure 6).
[0014] Pour alimenter le moteur en énergie constante, on va procéder au hachage de l'impulsion
de commande T
i selon le dispositif dont le principe a été expliqué plus haut.
[0015] En particulier, le bloc 3 de la figure 1 se présente, selon la réalisation préférée
de la figure 3, sous la forme d'un pont de résistances R
1, R
2, R
3 et R
4. La première diagonale de ce pont est branchée aux bornes de la source de tension
U
o, soit sur les lignes 10 et 11. Si la tension U
A aux bornes de la résistance R
2 et la tension U
B aux bornes de la résistence R
4 s'écrivent respectivement :

la tension recueillie aux bornes de la seconde diagonale AB du pont s'écrit :

où il est apparent que U
AB est proportionnelle à la tension de la source U .
[0016] Cette tension U
AB est utilisée pour charger un condensateur C à travers une résistance R disposée en
série avec ledit condensateur, le réseau RC constituant en substance le bloc 5 de
la figure 1. La tension U aux bornes du condensateur C s'écrit :

[0017] Cette expression (2) montre que le temps T
x nécessaire pour atteindre une tension U
c déterminée est d'autant plus courte que la tension U
AB est élevée ou, en d'autres termes, que la tension U
c aux bornes du condensateur présente une vitesse de croissance d'autant plus rapide
que l'amplitude de la tension proportionnelle U
AB est élevée.
[0018] La figure 3 montre encore un comparateur 16 qui reçoit sur sa première entrée 17
la tension U
c et sur sa seconde entrée 18 une tension de seuil de référence U
r arrangée de telle façon que U
r < U
AB. Le comparateur 16 constitue essentiellement le bloc 7 illustré sur le schéma de
principe de la figure 1. Dans l'exemple de réalisation montré au schéma de la figure
3, tant que la tension U
c est plus petite que la tension U
r, la sortie 19 du comparateur 16 se trouve au niveau logique 1. Dès que U dépasse
U , la sortie 19 passe à l'état logique 0.
[0019] De l'expression (2) ci-dessus on peut calculer le temps T
x = T
o mis par la tension U
c à atteindre la tension de référence U
r, soit :

[0020] Si l`on remplace maintenant U
AB par sa valeur selon l'expression (1) et que l'on expose R
1 = R
2 = R
3 = kR
4, (3) devient :

[0021] On voit d'après l'expression (4) que la période T
o pendant laquelle le comparateur livre un état logique 1 est d'autant plus grande
que la tension U
o de la source d'alimentation est faible.
[0022] La figure 3 montre encore qu'on a disposé aux bornes du condensateur un transistor
de commutation 20 dont le but est de court-circuiter périodiquement ledit condensateur.
Le transistor 20 est commandé sur sa base par une impulsion de courte durée T
c qui le rend conducteur, ladite impulsion se répétant à la cadence T
e. Ainsi, à intervalles périodiques T
e, on remet à zéro la tension U
c présente aux bornes du condensateur en le court-circuitant. On sait que chaque intervalle
T
e, ou période d'échantillonnage, est composé d'une impulsion élémentaire T
o suivie d'une période d'interruption T
r. Ceci étant, on peut écrire l'expression suivante qui exprime que le rapport cyclique
ou taux de hachage T
o/T
e est inversément proportionnel à la valeur U
o de la tension d'alimentation :

[0023] La sortie 19 du comparateur 16 est connectée à la première entrée d'une porte ET
25, la seconde entrée recevant le signal de durée T
i. A son tour, la sortie de la porte ET 25 est connectée simultanément à chacune des
premières entrées des portes ET 21 et ET 22, la seconde entrée de chacune desdites
portes recevant respectivement les signaux T et T qui ont pour but de changer alternativement
la polarité de l'impulsion motrice reçue par la bobine du moteur M. Le schéma montre
encore que les transistors 32 et 34 sont alimentés à travers des diodes 24 et 23 respectivement,
ces diodes pouvant d'ailleurs être supprimées si l'on choisit des transistors 31,
34 et 32, 33 qui soient complémentaires (P et N).
[0024] La figure 4 est un diagramme montrant les divers signaux existant en divers points
du schéma de la figure 3 quand la tension d'alimentation U
o est faible (fin de durée de vie de la pile, par exemple 1,5 V) et la figure 5 montre
ces mêmes signaux quand la tension U
0 est élevée (début de durée de vie de la pile, par exemple 3 V).
[0025] En figure 4, on a représenté en a) la tension U
AB aux bornes de la diagonale du pont de résistances R
1, R
2' R
3 et R
4. La tension U
AB est utilisée pour charger périodiquement le réseau RC et la tension U
c aux bornes du condensateur apparaît en b) sur la figure 4. On a représenté sur la
même diagramme la tension de référence U
r. La tension U
c est périodiquement remise à zéro par le transistor de commutation 20 commandé lui-même
par une impulsion T
c de courte durée se répétant à intervalles réguliers T
e. Ce signal de commande est montré en d).
[0026] Selon l'invention et comme on le voit en e), le signal à la sortie 19 du comparateur
16 présente un état logique 1 tant que U
c< U
r et un signal logique 0 dès que U
c > U
r et la période d'échantillonnage T
e se compose alors d'une impulsion élémentaire de durée T suivie d'une période d'interruption
T . On comprend que le signal illustré en e) se retrouve à la sortie de la porte 25
tant que le signal T
i apparaissant en c) est présent à l'entrée de ladite porte 25.
[0027] On supposera maintenant que pour progresser d'un pas, le courant dans le moteur doit
être dirigé dans le sens de la flèche 15. A ce moment, l'impulsion de polarité de
durée T est à 1 alors que son homologue T est à 0. Les impulsions T (figure 4e) franchissent
la porte ET 22, rendent conducteur le transistor 33 et bloquent le transistor 32 via
l'inverseur 24. Les mêmes impulsions T
o ne peuvent pas franchir la porte 21 qui présente alors un état logique 0 à sa sortie.
De ce fait, le transistor 31 est bloqué alors que le transistor 34 conduit puisqu'il
reçoit sur sa base un signal 1 via l'inverseur 23. Les transistors 33 et34conduisant
à chaque impulsion de durée T
o, le courant traverse donc le moteur dans le sens de la flèche 15. Lors de chaque
impulsion de durée T
r (figure 4e), il y a un signal 0 à la sortie de la porte 25 de même qu'un signal 0
à la sortie de chacune des portes 21 et 22. On comprend alors que les transistors
31 et 33 sont bloqués et que les transistors 32 et 34 sont conducteurs : pendant la
durée T , la bobine du moteur est court-circuitée. Ainsi, dans ce cas, le moteur est
alimenté par la tension représentée en figure 4f, tension qui n'est plus continue,
comme ce serait le cas avec la commande par simple impulsion de durée T
i, mais hachée au taux de T
o/T
e et d'amplitude U
o.
[0028] Si l'on a affaire à un moteur à deux pas par tour, il faudra inverser le sens du
courant (flèche 14) pour franchir le prochain pas. A ce moment-là, l'impulsion de
polarité de durée T est à 0 alors que son homologue T passe à 1. Le même raisonnement
que celui qui a été fait plus haut montre que dans ce cas, ce sont les transistors
31 et 32 qui sont conducteurs alors que les transistors 33 et 34 sont bloqués durant
les périodes T
o. Durant les périodes T
r par contre, la bobine du moteur est court-circuitée sur les transistors 32 et 34
qui sont conducteurs.
[0029] La figure 5 montre comment se comporte le dispositif selon l'invention dans le cas
où l'on double la tension d'alimentation. Sans entrer dans les détails, on s'aperçoit
que la tension U
c est plus rapidement égale à la tension de référence U , ce qui a pour conséquence
de raccourcir les périodes d'alimentation T
o et de diminuer le taux de hachage T
o/T
c. Aux bornes du moteur, on trouvera finalement l'alimentation représentée en figure
5f, d'amplitude doublée mais de temps d'application T
o nettement diminué.
[0030] Pour prendre un exemple pratique et en s'appuyant sur les équations données plus
haut, on va supposer qu'il faut délivrer au moteur une énergie constante si la tension
d'alimentation varie entre 3 et 1 volts. En choisissant R
1= R
2 = R
3 = 1 MΩ et R
4 = 250 kn, on trouve selon l'équation (1) U
AB = 0,3 U
0. En choisissant également une tension de référence U
r = 0,1 V, un condensateur C = 0,01
µF et une résistance R = 82 kΩ, on peut dresser le tableau suivant :

[0031] D'après ces données, il faut choisir la période d'échantillonnage T
e plus grande que 206 µs, soit 244 µs, pour utiliser une valeur pratique, qu'on peut
obtenir directement du diviseur de fréquence. On en tire directement le taux de hachage
T
o/T
e indiqué ci-dessus.
[0032] On doit remarquer qu'on n'a pas considéré, dans les valeurs ci-dessus données à titre
d'exemple, le temps qu'il faut prendre pour court-circuiter le condensateur C, temps
qu'on voit apparaître dans les figures 4d et 5d et symbolisé par la période T
c. Pour sortir cette période T
c de la période d'échantillonnage proprement dite T , on pourrait proposer à la place
du simple transistor de commutation 20 (figure 3) un autre montage qui rendrait la
période T
e indépendante de la période T
c. La période T
c est choisie ici pour des raisons pratiques à 30 µs.
[0033] Il est important de remarquer que la tension de référence U
r doit être choisie entre autres en fonction des caractéristiques du moteur auquel
on a affaire. Il s'agit d'une tension rigoureusement stabilisée indépendante des fluctuations
de la tension de source d'alimentation. Un exemple pratique de réalisation d'un tel
générateur peut être trouvé dans le document CH-A-639 810 en figure 4e.
[0034] La durée T
i de l'impulsion pendant laquelle s'exerce l'échantillonnage doit être choisie assez
longue pour que dans les cas les plus défavorables de tension U
o minimum, le rotor franchisse son pas à coup sûr. Cette durée est de l'ordre de 7,8
ms, durée qui peut être tirée aussi du diviseur de fréquence à disposition. On comprendra
que 32 périodes d'échantillonnage T
e valant chacune 244 µs pourront prendre place durant une période T
i de 7,8 ms.
[0035] Il faut remarquer que le système proposé dans la présente invention pourrait être
combiné avec un système d'asservissement du moteur à la charge qu'il doit entraîner.
Ces systèmes généralement rallongent l'impulsion motrice quand la charge augmente
et inversément. Cette impulsion asservie pourrait être fournie à l'entrée de la porte
25 de la figure 3 en lieu et place de l'impulsion fixe T
i qu'on a considérée jusqu'ici.
[0036] Le schéma de la figure 6 montre comment on fabrique les impulsions T, T, T
i, T
e et T
c nécessaires à faire fonctionner le dispositif illustré en figure 3. Tous les signaux
sont obtenus à partir d'une base de temps 40 pilotée par un quartz 41 via un diviseur
de fréquence 42. Le flip-flop 43 du type D combine les signaux à 16 384 Hz et à 4
096 Hz pour produire la période d'échantillonnage T
e à 244 µs, ainsi qu'à l'intérieur de cette période, l'impulsion T
c qui court-circuite le condensateur C. Un autre flip-flop 44 du type D combine les
signaux à 64 Hz et à 1 Hz pour produire l'impulsion T
i à 7,81 ms se répétant toutes les secondes. La sortie Q du flip-flop 44 attaque à
son tour un diviseur par deux 45 qui engendre les impulsions de polarité T et T.
[0037] Pour éviter que le dispositif proposé ne consomme de l'énergie entre les périodes
d'alimentation T
i, on peut s'arranger à ce qu'il ne soit alimenté que pendant lesdites périodes d'alimentation.
La figure 7 montre que le pont de résistance R
1, R
3, R
2, R
4, dont seules les résistances R
1 et R
3 ont été représentées au dessin est alimenté à travers un transistor 50 qui n'est
conducteur que pendant les périodes T
i. Il ressort de cela que le pont de résistance est mis hors circuit pendant les périodes
séparant lesdites périodes T
i. Quoiqu'il en soit, les valeurs des résistances du pont seront prises les plus élevées
possible.