Marine Zeebrugge
Selsyns, synchros et résolveurs
Magnétique
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Selsyn: la combinaison de deux synchros
(schéma de branchement)


Construction d'un synchro


Transformateur rotatif (magnétoscope)


Control Transmitter au lieu de Torque Transmitter


Utilisation d'un servo à la place d'un selsyn

Synchro

Pour transmettre à distance une position angulaire (par exemple la position d'un gyrocompas) on utilise des synchros. Les synchros sont tous alimentés par la même ligne en alternatif monophasé, généralement du 115V ou 26V en 50, 60 ou 400Hz. Il est nécessaire que tous les synchos soient alimentés par une même ligne pour éviter les déphasages (pas possible d'alimenter un synchro à partir d'un transformateur et un autre synchro à partir d'un autre transformateur). Il s'agit du signal de référence.

Le stator est composé de trois bobinages et le signal en sortie dépend de la position du rotor. Quand le rotor tourne, le signal produit est une tension triphasée dont la fréquence dépend de la vitesse de rotation. L'amplitude maximale du signal entre phases (tension combinée) est de 90V (systèmes en 115V) ou 11.8V (systèmes en 26V). Le synchro peut être comparé à un alternateur triphasé de faible puissance (mais qui produit un signal sinusoidal avec une très faible distortion).

L'alimentation est transmise au rotor via des bagues de contact. On utilise actuellement un transfo rotatif pour transmettre l'énergie au rotor car il ne nécessite pas de contacts (moins d'usure et moins de frottement). Le transfo rotatif était utilisé dans tous les magnétoscopes pour transmettre le signal des têtes vidéo (montées sur un disque) à l'électronique (voir photo à droite).

Il y a normalement un transmetteur qui envoie le signal et un ou plusieurs récepteurs, mais si le transmetteur peut tourner librement et qu'on fait tourner un des récepteurs, celui-ci se transformera en émetteur et transmettra le signal de rotation aux autres synchros. Le transmetteur est généralement un peu plus grand que les récepteurs, mais autrement il n'y a aucune différence mécanique ou électrique entre un transmetteur et un récepteur.

Le synchro n'est pas destiné à produire un fort couple, il peut commander l'aiguille d'un afficheur ou modifier la position d'un servo (électrique ou hydraulique).

Un dispositif à retour de force peut être réalisé avec deux synchros identiques. Quand on agit sur un synchro, celui-ci agit en transmetteur et transmet l'impulsion au second synchro. Le second synchro envoie en retour la résistance mécanique (freinage). Le selsyn (self synchronising) est le nom donné à l'ensemble des deux synchros.

Utilisations pratiques:

  • Transmission du cap du gyrocompas aux répétiteurs
  • Transmission de l'angle de barre au tableau de bord sur le pont
  • Transmission de la position de la girouette
  • ...etc
Le synchro est donc principalement utilisé dans le téléaffichage. Une transmission de la position angulaire par selsyn est extrèmement fiable, mais est remplacée actuellement par des systèmes électroniques combinés où les signaux de différents capteurs sont numérisés et transmis simultanément sous forme numérique au poste de commande. Cela évite les très nombreux cables. Le signal du synchro est numérisé près de la source et multiplexé avec d'autres signaux, tous transmis par le même cable.

De par leur très grande fiabilité, les synchros sont encore utilisés dans des applications critiques (mesure de l'angle des vannes (centrales nucléaires, missiles,...), applications militaires, nautiques et aériennes,...).

Le couple qu'un selsyn peut transmettre est limité parce que le couple diminue au fur et à mesure que les synchros ont un angle qui se rapproche. Plus le couple à vaincre est important, et plus l'erreur (différence d'angle entre émetteur et récepteur) devient importante. S'il faut commander des charges plus importantes, on utilise un asservissement qui va amplifier le signal d'erreur pour commander un moteur qui corrige la position du récepteur jusqu'à ce que les deux synchros soient en juxtaposition.

Asservissement (servo)

Au lieu de produire un signal mécanique, il est également possible de produire un signal électrique (synchro comparateur). Ce signal électrique est détecté par un démodulateur synchrone commandé par le signal de référence. On obtient un signal positif ou négatif selon que l'erreur (différence d'angle entre le premier et le second synchro) est positive ou négative.

Le synchro comparateur (control synchro) a un bobinage au stator composé de plus de spires d'un fil plus fin pour obtenir un champ magnétique plus fort avec un courant moindre. Dans un synchro classique le récepteur se tourne automatiquement dans la position où le courant statorique est le moindre (juxtaposition). Le bobinage du stator peut surchauffer si le synchro est bloqué (synchro de force). Dans le cas d'un synchro comparateur, le courant maximal est limité par la résistance plus élevée du bobinage.

Si une précision élevée est nécessaire (répétiteur de gyrocompas) on utilise un asservissement où on compare la position du transmetteur (gyrocompas maitre) à la position de l'aiguille sur le gyrocompas répétiteur. Le signal de différence est amplifié et commande un petit moteur.

Si un selsyn n'est conçu que pour transmettre de petits couples, avec un asservissement il est possible de commander une puissance très élevée avec une grande précision.


Servo-commande à partir de synchros
Le premier synchro affiche la valeur de consigne, par exemple l'élévation ou l'azimuth demandé d'un canon (dans l'exemple il s'agit de l'azimuth) tandis que le second synchro indique la valeur effective (azimuth actuel). Le signal électrique de faible puissance est envoyé à un amplistat ou amplidyne (différents types d'amplificateurs magnétiques, on utilise souvent un amplistat suivi d'un amplidyne). On utilise évidemment plus d'amplidynes actuellement, le signal est amplifié électroniquement et envoyé à des transistors de puissance qui commandent le moteur.

Selon qu'on applique la tension de référence au récepteur (rotor), ou qu'on prélève la tension à ses bornes, on obtient un transfert de couple (torque transmitter) ou un transfert de signal (control transmitter). Un synchro de transfert de couple peut être utilisé à la place d'un synchro de transfert de signal, mais pas l'inverse. Un synchro de transfert de couple produit un signal plus puissant pour commander mécaniquement le synchro récepteur. Il y a également une différence du coté récepteur: le synchro comparateur (signal) utilise un bobinage statorique avec plus de spires de fil plus fin qu'un synchro de couple.


Torque Differential Transmitter

Torque Differential Transmitter

Un TDX (Torque Differential Transmitter) est un synchro particulier permettant l'addition (ou la soustraction) de deux angles, celui du transmetteur et celui du TDX. Le TDX n'a pas d'entrée pour le signal de référence, mais utilise le signal du transmetteur en entrée. Le rotor a ainsi trois bobinages. Le TDX permet de réaliser aisément un comparateur analogique (comparaison de la valeur de consigne à la valeur effective dans un servo-système électrique). Le synchro en sortie permet par exemple de commander les vannes d'un système hydraulique. Le feed-back (position effective) est mesuré par un TDX et comparée à la position de consigne (synchro transmetteur). quand il y a une différence entre la consigne et la position effective, le synchro récepteur déplace la vanne du système hydraulique.

Le TDX existe également en version CDX (signal électrique en sortie) moins courant.


Resolver


Transformateur de Scott


Transformation des coordonnées polaires en coordonnées cartésiennes


Augmentation de la précision

Résolveur

Le résolveur est l'équivalent biphasé du synchro. La seule différence est qu'il y a deux bobinages placés à angle droit. Le signal produit est proportionnel au sinus de l'angle du rotor (ou cosinus sur l'autre bobinage).

Le résolveur peut être utilisé à la place d'un synchro pour la transmission d'une position angulaire, mais il était à l'origine surtout utilisé comme calculateur analogique (pour calculer des sinus ou des cosinus) pour le guidage des canons. Plusieurs signaux peuvent être combinés: signal de guidage du radar, gîte du navire, distance de la cible et élévation et azimuth actuels du canon. Le calculateur analogique se base sur tous ces signaux et produit un signal de commande pour positionner les canons. Une autre application était l'immunisation magnétique des navires juste après la seconde guerre mondiale.

En comparaison d'un synchro, le résolveur transmet une puissance mécanique plus faible et n'est utilisé que pour commander les très faibles charges comme le déplacement d'une aiguille sur un cadran. Son utilisation principale est la fourniture d'un signal analogique qui sera utilisé dans un calculateur.

Le signal d'un résolveur peut être transformé en signal triphasé et inversément avec un transformateur de Scott. Le transformateur de Scott est utilisé pour transformer les coordonées polaires (angle (élévation) et distance) en coordonnées cartésionnes (x et y) ou l'inverse.

Les premiers radars à indicateur moderne (PPI Plan Position Indicator) utilisaient un résolveur (sweep resolver) pour déterminer la position de l'antenne. Le signal de mesure était envoyé directement aux bobinages de déflection de l'écran radar et cela fonctionnait très bien puisqu'on pouvait ainsi limiter le nombre de composants électroniques à l'époque peu fiables.

Résolveurs multipolaires

Les résolveurs et synchros multipolaires ont deux séries de bobinages. Le premier système de bobinage correspond aux deux bobinages utilisés dans un résolveur classique, qui fournit un signal complet par rotation de 360°. La précision du signal est limitée à quelques degrés. Le second groupe de bobinages qui fournit par exemple 9, 18 ou 36 signaux complets par rotation de 360° a une précision accrue. Le premier groupe de bobinages est malgré tout nécessaire pour fournir une position absolue. On utilise soit un résolveur avec deux groupes de bobinages, soit deux résolveurs.

Un asservissement utilise un commutateur qui transmet le signal du résolveur 1:1 tant que l'erreur est importante et puis passe au résolveur 1:36 pour obtenir une correction plus précise.

Rotary Variable Differential Transformer

Notez l'existance de transformateurs différentiels rotatifs (RVDT). Ils se composent d'un stator avec un bobinage primaire et deux bobinages secondaires. Le rotor composé de lamelles de fer doux dirige le flux plus vers l'un ou plus vers l'autre bobinage secondaire selon sa position. Le rotor n'a pas de bobinage.

Contrairement aux résolveurs, le signal produit est linéaire selon l'angle (ce qui facilite l'acquisition numérique). Le signal en sortie n'est valable que sur une plage limitée, par exemple -45° à +45° d'angle. La somme absolue des deux signaux secondaires est constante (proportionelle à la tension d'alimentation) et permet de déterminer le bon fonctionnement du capteur. Il existe également des transformateurs différentiels linéaires.


Mesure absolue de la position


Résolveur linéaire

Mesure numérique directe

S'il faut obtenir une mesure numérique directe (sans convertisseur) avec la même précision qu'un synchro ou un résolveur, on utilise une lecture optique: une source lumineuse éclaire un disque rotatif qui est codé sur par exemple 10 bits (1024 pas). La lumière est captée par 10 photodiodes alignées. Ce système permet une mesure absolue et précise de la position angulaire d'un axe. Les systèmes à contacts (rotary encoder) ne sont pas précis ni fiables dans le temps.

Résolveurs linéaires

Les résolveurs linéaires ont les bobinages mis à plat. L'échelle (SCALE) est fixe et alimentée en alternatif (5 à 10kHz). Le curseur (SLIDER) se compose de deux bobinages déphasés d'un quart de période. Le signal sur les bobinages dépend de la position du curseur. Ici également on utilise un démodulateur synchrone piloté par le signal de référence (qui ici a une fréquence plus élevée). Un écran électrostatique entre l'émetteur et le récepteur élimine les interférences. Il s'agit souvent d'un feuillet en cuivre qui est paramagnétique (il n'influence pas le champ magnétique).

Le bobinage à plat a un pas de 2mm et permet une précision dans la mesure de 100 microns ou mieux. La mesure n'est pas absolue et il faut un système pour indiquer la position zéro (barrière lumineuse à led en fin de course). Le signal produit est plus faible que celui d'un résolveur et doit toujours être amplifié.

Générateur tachymétrique

Un générateur tachymétrique est un synchro simplifié dont on n'utilise que l'indication de vitesse de rotation. Il se compose d'un aimant permanent (rotor) et un, deux ou trois bobinages au stator. La fréquence du signal dépend de la vitesse de rotation. On peut également utiliser l'amplitude du signal (qui dépend également de la vitesse de rotation) dans les tachymètres bon marchés. Un générateur tachymétrique est en fait une magnéto de faible puissance.

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