Brevet FR2276559A1 — publié le 19760123

La présente invention concerne les détecteurs de position du genre adapté à traduire sous forme d'un signal électrique le déplacement d'un organe mobile1 ainsi que les asservissements équipés de détecteurs de ce genre. Un tel détecteur est habituellement constitué par la mise en oeuvre d'un potentiomètre au curseur duquel est attelé l'organe mobile dont on veut suivre les déplacements. Les détecteurs ainsi conçus présentent une série d'inconvénients bien connus, résultant de défauts de fiabilité dAs aux contacts frottants, de l'effort d'entratnement non négligeable en raison des frottements, de la définition médiocre dans le cas d'utilisation de potentiomètres bobinés. L'invention a pour objet un détecteur de position exempt de ces inconvénients, gr ce à l'absence de tout contact frottant et à un entratnement n'exigeant qu'un effort négligeable et une définition exempte de toute limitation. Un autre objet de l'invention est la réalisation d'un détecteur de position susceptible d'offrir une robustesse considérable mEme dans une ambiance vibratoire. L'invention vise encore la constitution de systèmes asservis compacts comportant un détecteur de position. L'invention propose, à cet effet, un capteur sous forme d' instrument électromagnétique comprenant un circuit magnétique à entrefer non uniforme, un équipage mobile adapté à se déplacer dans cet entrefer et deux bobines, dont l'une au moins est portée par ledit équipage mobile En disposant les deux bobines dans un montage en pont alimenté en courant alternatif, il devient possible de capter aux bornes de ce pont un signal électrique d'écart représentatif de la position mécanique de l'équipage mobile. Un dispositif d'asservissement est constitué, d'autre part, selon l'invention, par l'association à un tel capteur d'un moteur magnéto électrique, capteur et moteur pouvant btre avantageusement intégrés dans un mEme instrument. Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront d'ailleurs de la description qui va suivre, à titre d'exemple, en référence aux dessins annexés dans lesquels la figure 1 est une vue schématique d'un capteur de position angulaire selon l'invention la figure 2 est une vue semblable d'une variante de réalisa tison la figure 3 est un schéma électrique de montage du capteur la figure 4 est un schéma électrique d'ensemble du détecteur;; la figure 5 montre la courbe de réponse d'un tel détecteur la figure 6 est une vue semblable à la figure 1, mais relative à une forme de réalisation où le capteur est associé à un moteur magnéto-électrique la figure 7 est un schéma électrique d'un système asservi équipé d'un tel ensemble capteur-moteur la figure 8 montre une variante de la figure 6 la figure 9 est relative à une deuxième variante la figure 10 est une vue en élévation en coupe d'une troisième variante la figure 11 est une vue en plan selon la flèche 11 de la figure 10 la figure 12 est une vue semblable selon la flèche 12 de la figure 10 la figure 13 est une vue schématique en coupe d'un capteur de déplacement linéaire la figure 14 est une vue en coupe suivant la ligne 14-14 de 1 la figure 13. Suivant la forme de réalisation choisie et reprEsentée à la figure 1, un capteur de déplacement angulaire est constitué par un instrument du type logomètre, mais dépourvu d'aimant. Cet instrument comporte de manière connue en soi un circuit magnétique composé d'un noyau cylindrique 21 maintenu au moyen d'une paire de cales amagnétiques diamétralement opposées 22, 23 à l'intérieur d'une carcasse 24 de forme allongée déterminant autour du noyau 21 un entrefer qui présente une largeur minimale le long du plan axial A-A et allant en croissant de manière progressive et symétrique de part et d'autre de ce plan jusqu'au cales 22, 23. L'instrument comporte, par ailleurs, sur un axe 25 un équipage mobile portant ici deux cadres mobiles identiques 26, 27 formant entre eux un certain angle a. Les deux cadres 26, 27 sont montés (figure 3) respectivement en série avec deux résistances 28, 29, de manière à constituer un montage en pont qui, lorsqu'il est alimenté sous une certaine tension alternative E délivre sur ses bornes de sortie 30, 31, une certaine tension alternative u. Le montage en pont ainsi constitué, désigné par la référence 32, est incorporé dans un dispositif détecteur constitué selon le schéma de la figure 4 où l'on voit en 33, la source alternative délivrant la tension d'alimentation E du pont ; la tension u captée aux bornes de celui-ci est appliquée par l'intermédiaire d'un amplificateur 34 à un démodulateur 35 auquel est appliqué, d'autre part, une fraction de la tension d'alimentation E par l'intermédiaire d'un circuit 36 de référence de phase. A la sortie 37 du démodulateur 36 est captée une tension continue U dont la figure 5 montre la variation en fonction de l'angle OC formé par l'équi- page mobile du capteur par rapport à l'axe de symétrie de celui-ci Le fonctionnement du dispositif ainsi constitué peut s'analyser comme suit. Lorsque les enroulements des deux cadres 26, 27 sont parcourus par un courant alternatif, chacun d'eux produit dans le circuit magnétique du capteur un flux d'induction alternatif dont 1' intensité est déterminée par une certaine distribution de lignes d'induction, distribution qui à son tour dépend de la position du cadre considéré. A ces distributions correspond une réluctance dont la valeur est essentiellement fonction de la longueur du tube d'induction traversant l'entrefer. Lorsque les deux cadres occupent des positions symétriques par rapport au plan de symétrie A-A du circuit magnétique, les flux qu'ils induisent dans ce dernier sont égaux. Les inductances propres des deux bobines sont égales et leur inductance mutuelle a une valeur bien définie.Les courants dans les deux moitiés du pont de la figure 3, sont alors égaux et en phase entre eux ; la tension de sortie u est donc nulle. Cette position particulière est prise pour origine des déplacements. Pour toutes les autres positions de l'équipage mobile les flux créés par les deux bobines ne sont plus égaux, ce qui entraî- ne une modification des inductances. Les deux courants dans les ristances du pont ne sont plus égaux ni en phase entre eux. Une tension de sortie u non nulle apparat alors aux bornes 30, 31 du pont, qui est fonction de l'angle d'écart Oc mesuré par rapport à la position symétrique. De plus, en raison de la symétrie, pour deux écarts égaux, mais de sens opposés, les actions des cadres 26 et 27 sont simplement permutées. On obtient donc deux tensions de sortie égales, mais dont les phases diffèrent entre elles de 180 , ce qui permet de les différencier dans le démodulateur 35 gracie à la référence de phase déterminée par le circuit 36. Les variations de réluctance restant naturellement faibles, la tension de sortie u, fonction du déplacement angulaire, est également faible en amplitude et son déphasage par rapport à la tension d'alimentation seécarte très peu de la valeur limite vers laquelle il tend lorsque u s'annule. Cette valeur ne dépend que des caractéristiques du circuit magnétique et de celles du pont de mesure. Après amplification en 34, et démodulation en 35, on obtient à la sortie du détecteur (figure 4) une tension continue U positive ou négative suivant le sens du déplacement et de grandeur proportionnelle à celui-ci. Le fonctionnement est tout à fait semblable à ce que l'on vient de voir dans le cas de variante de la figure 2, où l'on fait appel à un instrument du type logomètre à cadres parallèles. Deux cadres 27', 28', sont juxtaposés dans ce cas sur un équipage mobile sur un axe 25', cet axe étant situé ici à l'extérieur d'un circuit magnétique 38 qui détermine un entrefer de largeur symétriquement variable de part et d'autre du plan de symétrie A-A entre deux faces cylindriques 39 et 40 de rayons de courbure différents. Les capteurs ainsi constitués présentent comme avantages, outre la linéarité, l'absence totale de contacts frottants et le fait que le couple électro-magnétique appliqué à l'équipage mobile a une valeur moyenne nulle. En conséquence, l'effort nécessaire pour l'entrainement mécanique est parfaitement négligeable ; il n'y a donc aucune réaction sur le déplacement de l'organe contr- lé et aucune usure du détecteur de position lui-m8me. Ce type de capteur remplace donc très avantageusement le potentiomètre dans la réalisation de systèmes asservis. Son emploi est tout indiqué notamment dans le cas d'utilisation d'un moteur magnéto-électrique de faible puissance, c'est à dire dans le cadre de dispositifs du genre dit : "galvanomètre asservi Selon un développement de l'invention, on réalise une combinaison de nature à renforcer encore cet avantage en intégrant le captaur au moteur magnéto-électrique, réunissant ainsi dans un sous-ensemble compact le moteur d'asservissement, d'une part, et le capteur, générateur de la tension de retour d'asservissement, d'autre part. Un exemple d'une telle réalisation est illustré par la figure 6 qui est une vue semblable à la figure 1, mais montrant un instrument du type logomètre où un aimant permanent 41 est incorporé dans le noyau intérieur 21' et où l'équipage mobile est complété par un troisième cadre 42 qui est rendu ainsi solidaire des caves 26, 27 du capteur. Ainsi que le montre le schéma de la figure 7, dans un système asservi équipé d'un tel dispositif, le cadre 42 est alimenté par la sortie d'un amplificateur différentiel 43 qui reçoit sur son entrée 44 la tension de commande Uc du système et sur sa seconde entrée 45 la tension de retour d' asservissement U, les autres éléments du montage restant conformes à ceux des figures 3 et 4. Le cadre 42 se déplaçant dans le champ magnétique continu de l'entrefer constitue le moteur magnéto-électrique entraînant le capteur. L'organe central de l'asservissement est donc réalisé ainsi à l'aide d'un logomètre classique dans lequel aux deux cadres ordinaires 26, 27, on a ajouté un troisième cadre 42 qui est placé suivant l'axe de symétrie des deux premiers. Un tel dispositif assure l'asservissement de la position angulaire de l'équipage mobile portant les trois cadres à la tension de commande Uc appliquée à l'entrée. Suivant le choix des éléments, on peut obtenir sur l'axe 25 du rotor un couple plus ou moins important et réaliser ainsi des fonctions de commande variées. Le couple mécanique de sortie peut autre très important compte tenu de la taille de l'appareil, gr ce, d'une part, à 1' action de l'amplificateur 43, et grace, d'autre part, à la possibilité de faire circuler dans le cadre moteur 42 des courants de commande très importants, ces courants ayant, en effet, un caractère transitoire ; ce seront donc des impulsions et des impulsions d'autant plus courtes que l'inertie mécanique de l'équipage mobile est infime.Ceci est à souligner en regard des systèmes synchro usuels ; le rotor a une masse infime en raison de l'absence de fer dans la partie mobile. Le temps de réponse est pour cette meome raison toujours très faible ; l'utilisation d'un circuit magnétique commun au moteur et au capteur entrain, outre une notable réduction de l'encombrement, un gain de poids considérable. La figure 8 montre une variante de réalisation qui ne diffère de la figure 6 que par le fait de faire appel à un instrument type logomètre, où l'aimant, au lieu d'etre inclus dans le noyau intérieur au cadre mobile, est constitué à l'extérieur dudit noyau sous la forme de deux pièces polaires 47, 48, en saillie sur deux branches opposées d'une carcasse magnétique 46. Dans ces types de réalisations, le champ magnétique agissant sur le cadre moteur n'est pas constant, mais dépend de la position de l'équipage mobile dans l'entrefer. Toutefois, le variation est faible et ne constitue par un inconvénient sensible au sein d'un système asservi, car le gain de l'amplificateur d'attaque minimise l'effet de la légère réduction de sensibilité que produit la diminution du champ aux extrémités de la plage d'utilisation. On peut cependant séparer entièrement les fonctions moteur d'une part, et détecteur d'écart, d'autre part, moyennant un léger accroissement du volume du circuit magnétique et les figures 9, d'une part, et 10 à 12, d'autre part, montrent deux exemples de réalisation de ce genre qui résultent l'quiet l'autre de la modification d'un galvanomètre de type usuel. Dans le cas de la figure 9, deux zones distinctes sont ménagées dans une meme carcasse extérieure 49, de part et d'autre d' une pièce magnétique commune 50. Dans la partie supérieure un entrefer de largeur constante est formé entre une pièce polaire à face cylindrique 52 et la face semblable 53 de la carcasse, un champ magnétique continu et constant étant créé par l'aimant permanent 51, dans ledit entrefer dans lequel est adapté à se déplacer le cadre moteur 42' porté par un équipage mobile 54 pivoté sur l'axe 25'. Dans la zone inférieure, en regard d'une partie convenablement arrondie de la pièce 50 est disposée une pièce magnétique 52 d'épaisseur variable selon un tracé général en arc de cercle centré sur l'axe 25' ; dans l'entrefer non constant déterminé par cette pièce à réluctance variable, et autour de celle-ci se déplace une bobine 56 du capteur à laquelle est associée une seconde bobine de capteur 58. Dans lé cas de cette forme de réalisation,cet- te seconde bobine 58, au lieu d'etre mécaniquement liée à la bobine associée 56, est laissée dans une position fixe sur la pièce 55. I1 est facile de constater en se reportant au mode de fonctionnement tel qu'expliqué en référence aux figures 1 à 4, que cette possibilité de laisser immobile l'une des deux bobines associées est applicable à tous les cas considérés et qu'elle ne modifie pas le comportement général du capteur. Dans la forme de réalisation des figures 10 à 12, le moteur, d'une part, et le capteur de déplacement, d'autre part, sont encore superposés à l'intérieur d'une carcasse commune 59, de part et d'autre d'une cloison 60 que traverse l'axe 61 de l'équipage mobile. On reconnatt dans la partie supérieure autour d'un noyau 62, garni d'un aimant permanent 63 (figure 12), le cadre moteur 64 d'un moteur galvanomètre de structure classique. Le détecteur de déplacement réalisé dans la partie inférieure comporte deux bobines 66, 67 se déplaçant le long d'un noyau 58 qui réalise avec la surface en regard 69 de la carcasse le circuit magnétique à réluctance variable. Cette disposition qui dissocie le détecteur et le moteur d' asservissement garde l'avantage d'une grande compacité tout en supprimant toute possibilité de réaction de l'un des organes sur 1'autre. Etant donné que les dimensions du capteur de déplacement peuvent être très réduites, son intégration dans la carcasse du moteur magnéto-électrique n'entrain qu'un très léger allongement de celui-ci. Les figures 13 et 14 montrent enfin un détecteur de déplacement linéaire. Ce détecteur comporte dans une carcasse magnétique 70 de forme cylindrique allongée et munie d'une fente longitudinale 71, entre deux plaques terminales 72, 73, un noyau axial 74 de section progressivement variable entre une partie terminale cylindrique 75 et une seconde partie terminale également cylindrique 76. Une bobine 78 solidaire d'un organe d'antratnement 79 est adaptée à coulisser le long du noyau 74, tandis qu'une seconde bobine 80 est disposée en position fixe sur la partie terminale 76, un écran magnétique 77 pouvant avantageusement entre ménagé entre les deux bobines. REVENDICATIONS 1. Détecteur de position du genre adapté à traduire sous forme d'un signal électrique le déplacement mécanique d'un objet par rapport à une position de référence, caractérisé par une capteur sous forme d'instrument électromagnétique comprenant un circuit magnétique à entrefer non uniforme, un équipage mobile adapté à se déplacer dans cet entrefer et deux bobines dont l'une au moins portée par ledit équipage mobile, ces deux bobines étant insérées dans un montage en pont en vue de l'élaboration d'un signal représentatif de l'écart entre les valeurs de leurs inductances respectives. 2. Détecteur de position selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend une source de courant alternatif pour 1' alimentation du montage en pont, un amplificateur du signal capté aux bornes de celui-ci et un détecteur synchrone avec une entrée de référence de phase reliée à la dite source. 3. Détecteur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les deux bobines de l'instrument sont portées par l'équipage mobile de l'instrument. 4. Dispositif d'asservissement comportant un détecteur de position selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé par l'acoouplement de l'équipage mobile dudit instrument avec un moteur du type magnéto-électrique. 5. Dispositif d'asservissement selon la revendication 4, caractérisé en ce que le moteur magnéto-électrique ét le capteur sont intégrés dans un m8me instrument. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que les deux bobines du capteur et l'enroulement mobile du moteur sont portés par un équipage mobile commun. 7. Dispositif selon la revendication 5 ou 6, caractérisé par un circuit magnétique commun au capteur et au moteur. 8. Dispositif selon la revendication 5 ou 6, caractérisé par deux circuits magnétiques respectivement associés au capteur et au moteur.