Brevet FR2441831A1 — publié le 19800613

La présente invention, découlant des travaux effectués par N'Gally KOMA, avec la collaboration de Jean-Claude VIRLEUX, a pour objet un dispositif de mesure de la position angulaire d'un organe rotatif autour d'un axe par rapport à une position de référence. Elle trouve une application importante, bien que non exclusive, constituée par la détermination de la position angulaire d'un miroir d'installation de production d'énergie à partir du rayonnement solaire. L'invention vise notamment à fournir un dispositif capable de donner,avec une précision élevée1 une information de valeur proportionnelle à l'angle fait par un organe rotatif avec une position de référence, sans pour autant exiger des réglages complexes. Dans ce but, l'invention propose notamment un dispositif de mesure comprenant un moteur porté par l'organe rotatif et entraînant en rotation, autour d'un axe parallèle à celui de l'organe, un disque muni de premiers repères régulierement répartis angulairement à une distance déterminée R de l'axe de rotation du disque et d'un second repere placé à une seconde distance déterminée r de l'axe de rotation du disque, un support fixe comportant au moins deux détecteurs optoélectroniques placés à distance r de l'axe de l'organe rotatif pour fournir un signal au passage du second repère, ledit organe portant au moins deux détecteurs optoélectroniques placés dans deux positions angulaires différentes à distance r de l'axe et un détecteur fournissant un signal au passage de chacun des premiers repères, et des moyens associés aux détecteurs pour mesurer l'intervalle de temps qui sépare le passage du second repère devant les détecteurs optoelectronique du support fixe et de l'organe, pour fournir un signal représentatif de la vitesse de rotation du disque par rapport à l'organe et pour en déduire la position angulaire de l'organe rotatif par rapport à un des détecteurs optoélectroniques du support. A condition que la vitesse de rotation du moteur soit largement supérieure à la vitesse maximum de rotation de l'organe rotatif, un tel dispositif permet d'atteindre une précision élevée. Le dispositif a l'avantage de tolérer des décalages appréciables de l'axe de rotation du disque par rapport à l'axe de l'organe rotatif, ce qui facilite considérablement la réalisation du dispositif en élargissant les tolérances à respecter. Pour tenir compte du décalage, il suffira d'apporter une correction relativement simple et pouvant être effectué par une électronique analogique ou numérique de calcul associée, utilisant la présence de deux détecteurs au lieu d'un seul, d'une part, sur le support fixe, d'autre part, sur l'organe rotatif. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit d'un dispositif qui en constitue un mode particulier de mise en oeuvre donné à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels - la figure 1 est un schéma de principe, en coupe longitudinale, d'un dispositif de mesure de la position angulaire d'un organe constitué par un arbre susceptible de prendre des mouvements de rotation lente par rapport à un bâti, - la figure 2 est un schéma de principe, montrant, en perspective, les composants du dispositif de mesure portés par le disque rotatif, l'arbre et le support fixe, - la figure 3 est un schéma montrant les notations utilises pour le calcul, - la figure 4 est un schéma par blocs d'une électronique utilisable avec les composants montrés én figure 2. La figure 1 montre l'arbre 10 monté de façon à pouvoir tourner autour d'un axe il dans le b & i 12. Cet arbre se termine par un manchon 13 dans lequel est placé un moteur électrique 14, alimenté par un circuit non représenté. Ce moteur est d'un type quelconque susceptible d'entrainer une broche 15 autour d'un axe parallèle à l'axe 11 et aussi proche que possible de celui-ci. La broche 15 est centrée dans le manchon 13 par des paliers 16. On connait évidemment des types de paliers qui permettraient, après réglage, d'assurer une coincidence quasi-parfaite entre l'axe de la broche 15 et celui de l'arbre. L'invention permet au contraire de se contenter de paliers de qualité courante (roulements à billes par exemple) qui peuvent être montés sans précautions par ticulières. Le moteur 14 peut également être de constitution courante. La partie du moteur 14 fixée dans le manchon 13 pourra aussi bien constituer le rotor que le stator de ce moteur. Ce moteur 14 peut également être fixé sur le bâti 12 à condition de maintenir la broche 15 et les paliers 16 dans le manchon 13. -Sur un prolongement de la broche 15 est fixé un disque 17 qui tournera donc autour de l'axe de la broche. Ce disque 17 est encadré par un support 18 fixe et une plaque 19 solidaire de l'arbre 10, appartenant donc à l'organe rotatif. Sur la figure 1, le support 18 a été illustré sous forme d'une plaque raccordée par des pieds tels que 20, une douille 21 et des attaches telles que 22 au bati 12. La plaque 19, de forme circulaire, est fixée par tout moyen approprié au manchon 13, par exemple par des pattes 23. Le disque 17 (Fig. 2) est muni à sa périphérie de premiers repères constitués par exemple par des secteurs réfléchissants 24, au nombre de n, répartis sur une même circonférence de rayon R, à intervalles angulaires égaux à 2 w/n. Le disque 17 porte encore, à distance E de son axe de rotation, une tache réfléchissante 25 sur chaque face. Ces deux taches 25 sont symétriques par rapport au plan du disque 17. La plaque 19 (figure 2) porte de son côté, à distance R de l'axe de rotation 11, un détecteur optoélectronique à réflexion 27 destiné à fournir une impulsion électrique à chaque passage d'un repère 24. On pourrait utiliser, au lieu d'un détecteur à réflexion, un détecteur à fourche, les secteurs 24 étant alors remplacés par des fentes. La plaque 19 porte également, à distance r de l'axe 11, deux détecteurs optoélectroniques à réflexion 26a et 26b placés suivant des rayons qui font un angle de valeur connue. Enfin le support 18 porte, à distance r de l'axe 11, deux détecteurs optoélectroniques 27a et 27b destinés à fournir un signal lorsque la tache 25 située sur la face en regard passe devant eux. Le principe utilisé est la mesure du temps qui s'écoule entre le passage des taches 25, tournant à vitesse X constante, successivement devant un détecteur fixe, lié au bâti 12, et un repère mobile, lié à l'arbre 10. De cette mesure et de celle de la vitesse relative du disque 17 par rapport à la plaque 19 et à l'arbre 11, on peut déduire la position angulaire. Si l'on était assuré de la coincidence absolue de l'axe de rotation du disque 17 et de l'axe 11 avec un seul détecteur sur 18 et 19, la mesure pourrait s'effectuer de façon extrêmement simple. Comme le montre la figure 4, il suffirait d'appliquer le signal de sortie du détecteur 27 à un circuit de mise en forme 28 qui fournit un signal de sortie à une fréquence proportionnelle à la vitesse w, d'appliquer le signal de sortie du circuit 28 à l'entrée de comptage d'un compteur 33et d'exciter l'entrée de commande de celui-ci pendant l'intervalle de temps dt qui s'écoule entre la fourniture d'un signal par le détecteur 27a et la fourniture d'un signal par le détecteur 26a. Pour cela, il suffirait d'appliquer les signaux de sortie de 27a et 26a à un circuit 29 de génération d'un signal d'excitation. Comme on la indiqué plus haut, l'invention permet d'obte nir des résultats suffisamment précis meme dans le cas où l'axe de rotation du disque 17 n'est pas confondu avec l'axe 11. Avant d'indiquer comment l'invention résoud le problème, on donnera quelques considérations théoriques en se reportant à la figure 3. Sur cette figure 0 désigne le point où l'axe 11 traverse le plan de la plaque 19 ou du support 18 (c'est-à-dire le point à partir duquel est mesurée la distance r sur la plaque 19 et le support 18), 0' désigne le point où l'axe de rotation du disque 17 traverse le plan du disque 17. O est l'angle à déterminer, c'est-à-dire par exemple l'angle que font les rayons partant de 0 vers 26b et 27b (figure 3), + = w.t est l'angle effectivement mesuré, a est l'angle fait par 0 0' avec le rayon allant de O à 27a, d est la distance 0 0'. Dens oe oas, le montage montré en figure 4 fournit la valeur +, d'ou' O peut s déduire par un calcul représenté par : 8 = 9 + f(, d, a, r). La fonction f peut être déterminée par le calcul. En fai sant des approximations du premier. ordre, justifiées par les ordres de grandeur habituels des différents paramètres, on trouve Dans cette formule, a est égal à d La détermination de l'angle f et, par voie de conséquence, de l'angle 6, ne met en oeuvre que les détecteurs 26a et 27a (figure 3). Comme on l'a vu plus haut, le dispositif comporte en fait deux couples de détecteurs, ce qui permet d'améliorer la précision et, dans la pratique, il est nécessaire de tenir compte du fait que les détecteurs 27a et 27k ne peuvent pas être exactement alignés avec le centre 0, pas plus que les détecteurs 26a et 26b,du du fait des tolérances sur le positionnement. Dans la pratique, les rayons partant de O et allant vers 27a et 27b feront un angle s + x tandis que les rayons partant de O et allant vers 26a et 26b feront un angle fl + y (x et Y, algébriques, étant des angles faibles). Le calcul montre que 1 'angle réel 8 est donné par la formule Dans cette formule,+ et et 4 > ' sont les angles correspondant respec- tivement aux détecteurs 27a-26a et 27b-26b, OO = y - x et g est une fonction de 6, e0 et a Dans la pratique, il est possible de réduire e0 et g à une valeur telle que l'erreur correspondante soit tolérable, par exemple inférieure à 5 minutes d'angle dans un cas représen- tatif, celui de l'exemple qui sera détaillé plus loin. Dans ce cas, aucune correction n'est nécessaire. L'angle e peut être fourni directement sous forme numérique en associant aux détecteurs une électronique qui peut être celle montrée schématiquement en figure 4. Les signaux provenant des détecteursoptoélectroniques 27, 26a et 27a, 26b et 27b sont respectivement mis en forme par des circuits 28, 29 et 30 qui permettent d'obtenir des tops de comptage nets. Les impulsions périodiques fournies par le circuit de mise en forme 28 sont envoyées, d'une part, à un circuit de régulation 31, d'autre part, à un circuit multiplieur de fréquence 32, qui peut être une boucle à verrouillage de phase. Le rôle du circuit de régulation 31 est de maintenir la vitesse de rotation du moteur 14 d'entrainement du disque 17, de façon à maintenir la vitesse U dans une plage telle que les signaux fournis par le circuit de mise en forme 2R restent dans la plane de réponse du circuit 32. Ce circuit 31 n'est nécessaire que si la stabilité de w n'est pas suffisante. Le signal carré fourni par le circuit 32 est appliqué sur l'entrée d'horloge d'un compteur 33 dont l'entrée de commande est reliée à un circuit de traitement d'informations 34. Le compteur 33 est muni d'un circuit de correction par soustraction de la valeur ex/2, pour tenir compte des défauts de positionnement de 26a par rapport à 26b et de 27a parrapport à 27b. Le circuit de traitement d'informations 34 reçoit les signaux provenant des circuits de mise en forme 29 et 30 ainsi que du multiplieur 32. I1 élabore ( + ')/2 et son rôle est particulièrement important lorsque e est supérieur à s. Enfin, au compteur est associé un registre à mémoire 35 permettant de conserver la valeur de e d'une mesure à la suivante : le contenu du compteur 33 est inscrit en mémoire à réception d'un ordre de commande provenant du circuit de traitement d'informations 34. I1 faut encore noter que le rapport minimum à respecter entre la vitesse U de rotation du disque 17 et la vitesse maximum Q que peut prendre l'arbre est choisi en fonction de la précision à atteindre sur-la mesure. Si l'on désigne par P cette précision, exprimée en minutes d'angle, le calcul montre que l'on doit avoir n P w 43200 A titre d'exemple particulier de réalisation, on indiquera maintenant les caractéristiques d'un dispositif qui a effectivement été construit et utilisé et fournit une précision de 5 minutes. L'erreur maximum d était de 30 microns. Le rayon r moyen des cercles sur lesquels étaient répartis les détecteurs 26a, 26b, 27a et 27b était de 25 mm et la vitesse w était de 314 radians/ seconde. REVENDICATIONS 1. Dispositif de mesure de la position angulaire d'un organe rotatif, caractérisé en ce qu'il comprend un moteur porté par l'organe rotatif et entrainant en rotation, autour d'un axe parallèle à celui de l'organe, un disque muni de premiers repères régulièrement répartis angulairement à une distance déterminée R de l'axe de rotation du disque et d'un second repère placé à une seconde distance déterminée r de l'axe de rotation du disque, un support fixe comportant au moins deux premiers détecteurs optoélectroniques placés à distance E de l'axe de l'organe rotatif pour fournir un signal au passage du second repère, ledit organe portant au moins deux seconds détecteurs optoélectroniques placés dans deux positions angulaires différentes à distance E de l'axe et un détecteur fournissant un signal au passage de chacun des premiers repères, et des moyens associés aux détecteurs pour mesurer l'intervalle de temps qui sépare le passage du second repère devant les détecteurs optoélectroniques du support fixe et de l'organe, pour fournir un signal représentatif de la vitesse de rotation du disque par rapport à l'organe et pour en déduire la position angulaire de l'organe rotatif par rapport à un des détecteurs optoélectroniques du support. 2. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les premiers repères sont constitués par des fentes et en ce que le détecteur de ces premiers repères est un détecteur à fourche. 3. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les premiers repères sont des secteurs réfléchissants successifs et en ce que le détecteur correspondant est un détecteur à réflexion. 4. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les moyens pour fournir une indication de la position anguiaire comprennent un compteur dont l'entrée d'horloge reçoit des impulsions à une fréquence proportionnelle à celle des signaux de sortie du détecteur sensible au passage de chacun des premiers repères et dont l'entrée de commande reçoit un signal de validation, pendant l'intervalle de temps qui s'écoule entre le passage devant un premier détecteur optoélectronique et un second détecteur optoélectronique du repère du disque situé à distance r de l'axe de rotation du disque. 5. Dispositif suivant la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour appliquer au compteur un signal de validation égal à la moyenne entre les intervalles de temps fournis par les deux couples constitués chacun d'un premier et d'un second détecteur.