La présente invention concerne un dispositif générateur d'un signal tachymétrique comportant une génératrice électrique à collecteur rotatif et à balais, fournissant une tension de mesure proportionnelle à la vitesse de rotation du collecteur.
Les génératrices tachymétriques sont largement utilisées dans les entraînements électriques avec asservissement pour mesurer la vitesse instantanée de rotation d'un moteur électrique ou d'un axe de transmission.
Selon une forme de réalisation usuelle, ces génératrices comportent une structure similaire à celle d'un moteur à courant continu dans lequel le stator engendre un champ stationnaire créé par un aimant permanent ou par un enroulement alimenté à courant constant, et un rotor porte un bobinage relié à un commutateur. Le commutateur comporte un collecteur rotatif à lamelles reliées à différentes parties de l'enroulement rotorique, et des balais fixes solidaires du stator, entre lesquels apparaît le signal tachymétrique. L'ensemble balais-collecteur réalise entre des surfaces qui glissent les unes sur les autres, un contact électrique qui, dans le cas idéal, serait un contact permanent et continu.
Dans la pratique, on constate qu'il est très difficile de maintenir en permanence un contact parfait entre les balais et le collecteur, notamment lorsque les balais sont de très petites dimensions et sont réalisés en métal précieux. Il s'avère qu'il se produit des interruptions de contact généralement très brèves qui conduisent à de brusques chutes du signal tachymétrique de sorte que ce signal présente des parasites de brève durée. Ces parasites sont particulièrement gênants lorsque la génératrice est utilisée dans un boucle d'asservissement, car ils peuvent perturber sensiblement le bon fonctionnement de la régulation.
Pour remédier à cet inconvénient, il a été envisagé de filtrer le signal tachymétrique de manière à diminuer les effets des dits parasites. Toutefois, une telle solution conduit à une forte limitation de la bande passante pour le signal tachymétrique et elle est donc inapplicable pour des dispositifs d'entraînement à hautes performances. Ceci est notamment le cas dans certaines applications en robotique, dans lesquelles le signal tachymétrique doit également servir à amortir des vibrations dans la chaîne cinématique liées aux fréquences propres des différents organes de la structure mécanique.
L'invention vise à remédier aux inconvénients susmentionnés et à fournir un dispositif réalisable sous une forme simple et économique, permettant d'obtenir un signal tachymétrique exempt de parasites dûs à des interruptions de contact au niveau du collecteur de la génératrice.
A cet effet, le dispositif générateur selon l'invention comporte un circuit de maintien de la valeur de la tension de mesure pendant des interruptions accidentelles de celle-ci, résultant d'un défaut de contact électrique entre balais et collecteur, ce circuit étant agencé de façon que sa bande passante pour le signal tachymétrique s'étende, en dehors des périodes desdites interruptions, jusqu'à une fréquence limite supérieure égale ou supérieure à 1 kHz.
Selon une forme de réalisation préférée, le circuit de maintien comporte un condensateur connecté en série avec la résistance interne de la génératrice et le dispositif comporte un circuit de mesure à impédance d'entrée très élevée auquel est appliqué la tension apparaissant aux bornes dudit condensateur. Une résistance de très grande valeur peut en outre être branchée en parallèle audit condensateur.
Les caractéristiques précitées ainsi que d'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement à la lumière de la description donnée ci-après d'exemples de réalisation expliqués et illustrés à l'aide du dessin annexé, dans lequel:
- la figure 1 représente le schéma électrique d'un dispositif générateur tachymétrique connu,
- les figures 2 A et 2 B illustrent le fonctionnement du dispositif de la figure 1,
- la figure 3 est un schéma électrique d'une première forme d'exécution du dispositif selon l'invention,
- les figures 4 A et 4 B illustrent le fonctionnement du dispositif de la figure 3,
- la figure 5 est un schéma électrique d'une autre forme de réalisation du dispositif selon l'invention, et
- la figure 6 est un schéma électrique d'un exemple d'application du présent dispositif.
La figure 1 montre une génératrice tachymétrique G produisant une tension Ut proportionnelle à la vitesse de rotation de l'arbre de la génératrice et fournissant un courant it à un circuit extérieur résistif formé essentiellement par des résistances R1 et R2 constituant une charge externe pour la génératrice. Un signal de tension U1 est recueilli aux bornes de la résistance R2 et appliqué à une entrée d'un amplificateur A1 dont la tension de sortie est désignée par Us.
Dans un tel dispositif, lorsque le courant it subit une brève interruption par défaut de contact au niveau du collecteur de la génératrice, la tension Ut tombe également à zéro pendant un lapse de temps correspondant tel que cela est illustré à la figure 2 A aux instants t1, t2 et t3.
Ces chutes de la tension Ut se répercutent de façon tout à fait similaire dans le signal tachymétrique de sortie du dispositif Us. Ces perturbations vont donc se propager à l'aval du circuit de la figure 1 et provoquer les inconvénients mentionnés plus haut.
La figure 3 montre un premier exemple de réalisation du présent dispositif qui permet de remédier à ce défaut.
La génératrice tachymétrique G est reliée, selon la figure 3, non plus à une charge résistive mais à un condensateur C1. La résistance interne de la génératrice est représentée par une résistance Ri qui est formé essentiellement par la résistance du bobinage et la résistance de contact entre les balais et le collecteur. Cette résistance interne est normalement de faible valeur et correspond sensiblement à la résistance du bobinage. La capacité du condensateur C1 est choisie de préférence de telle sorte que la constante de temps électrique Ri.C1 soit relativement faible, soit par exemple de quelques microsecondes. L'amplificateur utilisé est un amplificateur opérationnel A2 ayant une impédance d'entrée très élevée.
Dans ces conditions, le circuit connecté à la génératrice tachymétrique constitue un circuit de maintien de la valeur de la tension Ut pendant les périodes d'interruption dues à un mauvais contact momentané au niveau du collecteur. Il a pour effet de maintenir la tension Uc aux bornes du condensateur C1 ainsi que la tension de sortie Us à des valeurs égales à celles qu'elles possédaient immédiatement avant une période d'interruption, tel que cela est illustré dans les figures 4 A et 4 B. La figure 4 A montre par exemple une interruption se produisant à un instant to pendant une durée ti. Pendant l'intervalle ti, le contact entre les balais et le collecteur étant interrompu, la résistance interne Ri prend soudainement une valeur infinie et plus aucun courant ic ne peut circuler dans le circuit de charge du condensateur C1.
La tension de sortie Us de l'amplificateur opérationnel correspondra ainsi pendant toute la durée de l'interruption à la valeur qu'elle avait à l'instant to et ne présentera pas de discontinuité.
Il est à remarquer que, pendant le fonctionnement normal du dispositif, c'est-à-dire en l'absence d'interruptions accidentelles au niveau du collecteur de la génératrice, la bande passante pour le signal tachymétrique, n'est pratiquement pas affectée par le présent circuit, le dimensionnement de la capacité C1 étant tel que la fréquence limite supérieure de cette bande passante est au minimum égale à 1 kHz et prend dans la pratique en général des valeurs nettement supérieures. Par exemple, pour des valeurs de la résistance interne de la génératrice de l'ordre de 500 à 1000 Ohm, on utilise de préférence des condensateurs d'une capacité de l'ordre de 10 nF. On notera que dans ces conditions, le courant à fournir par la génératrice est évidemment extrêmement faible, d'autant plus que l'impédence d'entrée de l'amplificateur opérationnel est très élevé.
La figure 5 montre une autre forme de réalisation du présent dispositif, selon laquelle une résistance R5 de très haute valeur est branchée en parallèle au condensateur de maintien désigné par C2. Ceci permet d'éviter que la tension d'entrée de l'amplificateur opérationnel, désigné par A3, ait des valeurs indéfinies en cas de rupture physique de la liaison électrique entre le collecteur de la génératrice et les balais. La résistance R5 a de préférence une valeur de l'ordre du Mégohm. En cas de rupture des fils de liaison entre la génératrice et le circuit de mesure, la tension appliquée à l'entrée de l'amplificateur opérationnel est progressivement ramené à zéro du fait de la présence de la résistance R5.
La figure 6 illustre un cas d'application du présent dispositif selon lequel ce dispositif fait partie d'une boucle de régulation de vitesse d'un moteur électrique. Un moteur M, par exemple un moteur à courant continu, est alimenté par l'intermédiaire d'un amplificateur de puissance A5. L'axe du moteur est solidaire de l'axe d'une génératrice G de sorte que le signal Ut fourni par cette dernière est proportionnel à la vitesse de rotation du moteur. Ce signal est appliqué à l'entrée d'un amplificateur opérationnel A4 qui fait également office d'amplificateur de régulation. Un condensateur C3 est connecté d'une façon analogue au condensateur C1 de la figure 3 de manière à éliminer les effets d'éventuels parasites provoqués par des interruptions de contact électrique au niveau du commutateur de la génératrice.
Une tension Ur ayant une valeur de consigne est appliquée par l'intermédiaire d'une résistance R7 à une deuxième entrée de l'amplificateur A4. Une éventuelle différence entre la valeur de consigne Ur et la valeur de la tension Ut du signal tachymétrique est détectée et amplifiée par l'amplificateur A4 qui génère un signal de correction appliqué à son tour à l'amplificateur de puissance A5. Un circuit de contre-réaction Z1 est dimensionné de la manière usuelle suivant les conditions particulières de l'application.
The present invention relates to a device for generating a tachometric signal comprising an electrical generator with rotary collector and brushes, providing a measurement voltage proportional to the speed of rotation of the collector.
Tachogenerators are widely used in electric servo drives to measure the instantaneous speed of rotation of an electric motor or a transmission axis.
According to a usual embodiment, these generators have a structure similar to that of a direct current motor in which the stator generates a stationary field created by a permanent magnet or by a winding supplied with constant current, and a rotor carries a winding. connected to a switch. The switch comprises a rotary collector with lamellae connected to different parts of the rotor winding, and fixed brushes integral with the stator, between which the tachometric signal appears. The brush-collector assembly makes an electrical contact between surfaces which slide over one another which, in the ideal case, would be permanent and continuous contact.
In practice, it is found that it is very difficult to permanently maintain perfect contact between the brushes and the collector, especially when the brushes are very small and are made of precious metal. It turns out that there are generally very brief contact interruptions which lead to sudden drops in the tachometric signal so that this signal presents short-term parasites. These parasites are particularly troublesome when the generator is used in a control loop, because they can significantly disturb the proper functioning of the regulation.
To remedy this drawback, it has been envisaged to filter the tachometric signal so as to reduce the effects of said parasites. However, such a solution leads to a strong limitation of the bandwidth for the tachometric signal and it is therefore inapplicable for high performance drive devices. This is particularly the case in certain applications in robotics, in which the tachometric signal must also serve to dampen vibrations in the kinematic chain linked to the natural frequencies of the various organs of the mechanical structure.
The invention aims to remedy the aforementioned drawbacks and to provide a device which can be produced in a simple and economical form, making it possible to obtain a tachometric signal free of parasites due to contact interruptions at the generator collector.
To this end, the generator device according to the invention comprises a circuit for maintaining the value of the measurement voltage during accidental interruptions thereof, resulting from a fault in electrical contact between brushes and collector, this circuit being arranged so that its bandwidth for the tachometric signal extends, outside the periods of said interruptions, up to an upper limit frequency equal to or greater than 1 kHz.
According to a preferred embodiment, the holding circuit comprises a capacitor connected in series with the internal resistance of the generator and the device comprises a measuring circuit with very high input impedance to which the voltage appearing across said capacitor is applied. A resistor of very high value can also be connected in parallel to said capacitor.
The aforementioned characteristics as well as other characteristics and advantages of the invention will appear more clearly in the light of the description given below of exemplary embodiments explained and illustrated with the aid of the appended drawing, in which:
FIG. 1 represents the electrical diagram of a known tachometric generator device,
FIGS. 2 A and 2 B illustrate the operation of the device of FIG. 1,
FIG. 3 is an electrical diagram of a first embodiment of the device according to the invention,
FIGS. 4 A and 4 B illustrate the operation of the device of FIG. 3,
FIG. 5 is an electrical diagram of another embodiment of the device according to the invention, and
- Figure 6 is an electrical diagram of an example of application of this device.
FIG. 1 shows a tachometric generator G producing a voltage Ut proportional to the speed of rotation of the shaft of the generator and supplying a current it to an external resistive circuit formed essentially by resistors R1 and R2 constituting an external load for the generator . A voltage signal U1 is collected at the terminals of the resistor R2 and applied to an input of an amplifier A1 whose output voltage is designated by Us.
In such a device, when the current it undergoes a brief interruption by default of contact at the level of the generator collector, the voltage Ut also drops to zero during a lapse of corresponding time as illustrated in FIG. 2 A at the instants t1, t2 and t3.
These drops in voltage Ut have a very similar effect on the tachometric output signal from the device Us. These disturbances will therefore propagate downstream of the circuit of FIG. 1 and cause the drawbacks mentioned above.
FIG. 3 shows a first embodiment of the present device which makes it possible to remedy this defect.
The tacho generator G is connected, according to FIG. 3, no longer to a resistive load but to a capacitor C1. The internal resistance of the generator is represented by a resistance Ri which is formed essentially by the resistance of the winding and the contact resistance between the brushes and the collector. This internal resistance is normally of low value and corresponds substantially to the resistance of the winding. The capacitance of the capacitor C1 is preferably chosen so that the electrical time constant Ri.C1 is relatively low, or for example of a few microseconds. The amplifier used is an operational amplifier A2 having a very high input impedance.
Under these conditions, the circuit connected to the tachometer generator constitutes a circuit for maintaining the value of the voltage Ut during periods of interruption due to a momentary poor contact at the level of the collector. Its effect is to maintain the voltage Uc across the capacitor C1 as well as the output voltage Us at values equal to those they had immediately before an interruption period, as illustrated in FIGS. 4 A and 4 B. FIG. 4A shows for example an interruption occurring at an instant to for a duration ti. During the interval ti, the contact between the brushes and the collector being interrupted, the internal resistance Ri suddenly takes an infinite value and no more current ic can flow in the charge circuit of the capacitor C1.
The output voltage Us of the operational amplifier will thus correspond throughout the duration of the interruption to the value it had at the time to and will not have any discontinuity.
It should be noted that, during normal operation of the device, that is to say in the absence of accidental interruptions at the level of the generator collector, the bandwidth for the tachometric signal is practically not affected. by the present circuit, the dimensioning of the capacity C1 being such that the upper limit frequency of this bandwidth is at least equal to 1 kHz and in practice generally takes significantly higher values. For example, for values of the internal resistance of the generator of the order of 500 to 1000 Ohm, capacitors with a capacity of the order of 10 nF are preferably used. It will be noted that under these conditions, the current to be supplied by the generator is obviously extremely low, especially since the input impedance of the operational amplifier is very high.
FIG. 5 shows another embodiment of the present device, according to which a resistor R5 of very high value is connected in parallel to the holding capacitor designated by C2. This makes it possible to prevent the input voltage of the operational amplifier, designated by A3, from undefined values in the event of a physical break in the electrical connection between the generator collector and the brushes. The resistor R5 preferably has a value of the order of Megohm. In the event of a break in the connection wires between the generator and the measurement circuit, the voltage applied to the input of the operational amplifier is gradually reduced to zero due to the presence of the resistor R5.
FIG. 6 illustrates a case of application of the present device according to which this device is part of a speed regulation loop of an electric motor. A motor M, for example a DC motor, is supplied via a power amplifier A5. The axis of the engine is integral with the axis of a generator G so that the signal Ut provided by the latter is proportional to the speed of rotation of the engine. This signal is applied to the input of an operational amplifier A4 which also functions as a control amplifier. A capacitor C3 is connected in a similar manner to the capacitor C1 of FIG. 3 so as to eliminate the effects of possible parasites caused by interruptions of electrical contact at the level of the generator switch.
A voltage Ur having a set value is applied via a resistor R7 to a second input of the amplifier A4. A possible difference between the setpoint value Ur and the value of the voltage Ut of the tachometric signal is detected and amplified by the amplifier A4 which generates a correction signal applied in turn to the power amplifier A5. A feedback circuit Z1 is dimensioned in the usual way according to the specific conditions of the application.