Brevet FR2529665A1 — publié le 19840106

Capteur rotatif de Position angulaire à sorties numé- riques. La présente invention concerne un capteur rotatif de position angulaire à sorties numériques utilisant un dispositif de codage à poids variable. D'une manière générale on sait que les capteurs rotatifs de position font généralement intervenir un disque rotatif muni de plusieurs pistes de lecture circulaires concentriques, comportant chacune une série alternée de secteurs de deux types différents. Au droit de chacune de ces pistes est associé un détecteur approprié (senseur), susceptible de changer d'état lorsqu'il passe d'un secteur de l'une des séries à un secteur de l'autre série, ces détecteurs pou- vant par exemple consister, selon la nature des sec- teurs, en des balais, des microcontacts, des couples optoélectroniques, etce Dans l'état actuel de la technique, on utilise généralement des capteurs rotatifs de type à codage absolu, qui, pour une résolution angulaire de -T 2 n nécessitent l'utilisation de N détecteurs disposés respectivement sur N pistes concentriques. Ainsi, par exemple, dans le cas d'un codeur de résolution de 21 (c'est-à-dire 4-), le disque com- 8 23 prendra nécessairement trois pistes associées respec- tivement à trois détecteurs, à savoir, une première piste comprenant quatre secteurs du premier type alternant avec quatre secteurs du deuxième type, une deuxième piste comprenant deux secteurs du premier type alternant avec deux secteurs du deuxième type, et une troisième piste comprenant un secteur du premier type alternant avec un secteur du second type. Il est clair que l'utilisation de codeurs absolus ne convient que dans le cas de capteurs de dimensions relativement importantes et de résolution élevée. -2- Par contre,, il s'avère que, dans le cas d'un codeur de faibles dimensions et de très haute résolution, le diamètre de la nèe piste serait si faible que le réalisation du disque ainsi que le positionnement des secteurs, nécessiteraient des précisions incompatibles avec des moyens classiques de fabrication. A titre d'exemple, dans un capteur à codage absolu, de résolution 2-1 du type de celui précédemment décrit, utilisant un disque de diamètre D = 24 mm et présentant des pistes d'épaisseur e = 0,6 mn, le diamètre de la 12 ème piste, d = D 2 ne serait de 9,6 mm et la largeur d'un incrément sur cette piste serait 1 = x -M 2 212 0,007 mm Il est clair que la réalisation d'un tel codeur poserait des problèmes techniques considérables. L'invention a donc pour but de supprimer ces incon- vénients En vue de permettre la réalisation, par des techniques classiques de fabrication, des détecteurs de faibles dimensions avec cependant une haute réso- lution, elle propose une première solution permettant de diviser par deux le nombre des pistes qui seraient nécessaires dans le cas d'une réalisation classique. Cette première solution consiste à diviser chaque piste en 2 x 4 k secteurs et à lire cette piste par deux détecteurs disposés de manière à former entre eux un angle de ( 1 + 2 k) k T radians. 2 x 4 k (kt et k étant des nombres entiers kt étant le numéro de la piste). Toutefois, cette solution ne permet pas, elle non plus, la réalisation de capteurs de très petites dimensions et à très haute résolution. C'est la raison pour laquelle l'invention propose une seconde solution basée sur le principe de codage à poids variable et qui fait intervenir sur le disque: au moins une première piste divisée en z 1 zones dans lesquelles les secteurs sont de largeur variable -3- d'une zone à l'autre Au droit de cette piste sont dis- posés uniformément z 1 détecteurs permettant de défi- nir z 1 bits de décodage relatif de la position angu- laire e du disque, et au moins une piste supplémentaire permettant de réaliser un système de codage absolu du type de ceux précédemment décrits, ce système de codage faisant intervenir z 2 détecteurs permettant de définir la po- sition du disque par rapport aux zt détecteurs associés à la première piste et de déterminer les z 2 bits de poids fort de la position angulaire & recherchée ainsi que le poids relatif des bits issus des z 1 détecteurs associés à la première piste. Bien entendu, selon cette solutions pour une réso- lution de 2 TT le nombre total des détecteurs utilisés 2 n soit z 1 + Z 2 doit être au moins égal à n. Par ailleurs, la résolution du système de codage absolu qui détermine le poids des bits délivrés par les détecteurs Z associés à la première piste doit 1 21 T être au moins égal à -. z 1 Selon une autre caractéristique de l'invention le disque du capteur peut comprendre, en partant du centre, une ou plusieurs pistes de codage absolu, et une ou plusieurs pistes de codage à poids variable. Dans ce cas, la ou les pistes de codage absolu permettent de définir au moins le premier bit de poids fort de la position angulaire du disque ainsi que le poids relatif des bits générés par la première piste de codage à poids variable suivante. Dans le cas o le disque comprend une deuxième piste de codage à poids variable, le poids relatif des bits générés par cette piste sera alors déterminé par un décodage des bits générés par la ou les pistes de codage absolu et par la première piste de codage à poids variable. Il est clair que ce processus peut être étendu à un capteur dans lequel le disque comprend 2 pistes de codage à poids variable Dans ce cas, le poids des bits générés par la p ième piste de codage à poids variable est déterminé par décodage des bits générés par les p t me pistes de codage à poids variable et par la ou les pistes de codage absolu. Il convient de noter que le codage des pistes peut être effectué en binaire naturel ou en tout autre code. 1 M Toutefois il convient de noter que si on utilise un code de type "Gray", pour lever toute amsbigu Yté de lecture, les bits générés par la zone comprenant les plus petits secteurs, ne changeant que tous les deux incréments, la largeur de ces secteur& est deux fois plus importante dans le code Gray que dans le code binaire naturel. Des modes de réalisation de l'invention seront décrits ci-après, à titre d'exemples non limitatifs, avec référence aux dessins annexés dans lesquels: La figure 1 représente le disque d'un capteur ro- tatif de type classique, à résolution Zf et à codage absolu. La figure 2 représente le disque d'un capteur ro- 27 T tatif de résolution, à codage absolu, comprenant deux pistes lues, chacune par deux détecteurs. La figure 3 est un tableau de correspondance des positions angulaires e en fonction de l'état des détec- teurs utilisés dans le capteur représenté figure 2. La figure 4 représente le disque d'un capteur rota- tif de résolution Ad utilisant le principe du codage à poids variable, avec codage en binaire absolu de la position angulaire & recherchée. La figure 5 est la matrice de transcodage du capteur représenté figure 4. La figure 6 est un tableau représentant le codage en binaire absolu des positions angulaires 6 en fonction -5- des détecteurs utilisés dans le mode de réalisation représenté figure 4, dans le cas o les détecteurs 1 et 2 sont à l'état O (première ligne de la matrice de transcodage). La figure 7 représente le disque d'un capteur rotatif de résolution LI 2 utilisant un codage à poids variable 2 La figure 8 est un tableau représentant le poids des détecteurs en fonction de la configuration des trois premiers bits de codage absolu. La figure 9 représente la matrice de transcodage du capteur représenté figure 7. La figure 10 représente le disque d'un capteur de résolution 2 utilisant le principe du codage à poids variable dans lequel est introduit un codage binaire réfléchi. La figure 11 est la matrice de transcodage du cap- teur représenté figure 10. La figure 12 est un tableau représentant le codage de la position angulaire 8 en fonction de la configu- ration des détecteurs sur un demi-tour du disque. La figure 13 représente le disque d'un capteur de résolution 2 à codage à poids variable, et en code binaire réfléchi. La figure 14 est la matrice de transcodage du cap- teur représenté figure 13. Comme précédemment mentionné, un codeur absolu clas- sique de résolution nécessite l'utilisation d'un disque muni de N pistes lues respectivement par N dé- tecteurs (balaise, couples optoélectroniques, etc). A titre -d'exemple, on a représenté sur la figure 1 le disque d'un capteur rotatif à codage absolu de réso- lution 8 (ctest-à-dire 23) Ce disque comprend, en con- 8 23 séquence, trois pistes de lecture concentriques auxquelles sont respectivement associés trois détecteurs. Il est clair que dans le cas d'un capteur de faibles dimensions et de très haute résolution, le diamètre de -6 - la nième piste serait si faible que la réalisation du disque, ainsi que le positionnement des détecteurs, nécessiteraient des précisions incompatibles avec les moyens classiques de fabrication. La première solution proposée pour éviter cet in- convénient permet de diviser par deux le nombre de pistes nécessaires. On rappelle que selon cette solution, chaque piste est divisée en 2 x 4 k secteurs et est lue par deux détecteurs disposés de manière à former entre eux un angle de (i + 2 k) kd radians (kt et k étant des 2 x 4 nombres entiers). Les figures 2 et 3 permettent d'illustrer le prin- cipe de ce type de capteurs. Dans l'exemple représenté figure 2, le capteur de résolution Et, comprend un disque muni de deux pistes concentriques, à savoir: une piste munie de deux secteurs (kt = O, k = O) et lue par deux détecteurs 1, 2 formant un angle de 2 et une piste munie de huit secteurs (k' = 1, k = 2) et lue par deux détecteurs 3, 4 formant un angle de 8 Il apparaît clairement, à la lecture de la figure 3, qu'à chaque position angulaire 6 & du disque (à 8 près) correspond un chiffre binaire de 4 bits directement fourni par l'état des capteurs 1, 2, 3 et 4. Toutefois, cette solution, bien que constituant une sensible amélioration, s'avère insuffisante dans le cas de capteurs de très petites dimensions et de très haute résolution. C'est la raison pour laquelle l'invention propose une deuxième solution basée sur le principe du codage à poids variable. Pour mieux faire apparaître ce principe, on a tout d'abord représenté sur la figure 4 le disque d'un capteur 7- TT de résolution 2. Ce disque comprend deux pistes concentriques, à savoir: a) Une piste intérieure comprenant deux secteurs et à laquelle sont associés deux détecteurs 1 et 2 dis- posés a 2 Il est clair que cette disposition corres- 2 I 1 W pond à celle d'un codeur absolu de résolution 2, à deux détecteurs, du type de ceux proposés dans la solution précédente. b) Une piste extérieure, coaxiale à la piste inté- rieure et divisée en quatre zones 1, Il, III, IV de chacune La zone I comprend deux secteurs, la zone II en comprend 4, la zone III en comprend 8 et la zone IV, 16 Au droit de cette piste sont disposés quatre détec- teurs A, B, C, D disposés à 1-l'un de l'autre. Dans ce cas, la position angulaire & du disque sera déterminée par un chiffre binaire de 6 bits, 9, l,,9 s, obtenu à partir du chiffre de 6 bits repré- sentatifs de l'état des détecteurs 1, 2, A, B, C, Do La transformation du chiffre binaire représentatif de l'état des capteurs en le chiffre binaire représen- tatif de la position angulaire & en binaire absoluv s'obtient alors au moyen de la matrice de transcodage représentée figure 5. Dans cette matrice, la configuration des détecteurs 1 et 2 (deux premières colonnes) permet de déterminer d'une part, les bits de poids fort et e ainsi que le poids des détecteurs A, B, C et Do Ainsi, par exemple, si les détecteurs 1 et 2 sont tous les deux à l'état 0, les bits et seront à 0, le détecteur A déterminera le bit de poids 3, le dé- tecteur B déterminera le bit Q, le détecteur C déter- minera le bit et le dtecteur D terminera le bit r Par ailleurs les deux premiers bits de poids fort seront déterminés de la façon suivante: le bit Q sera égal au bit fourni par le détecteur 1 et le bit sera égal au résultat de l'opération logique 1 02, le signe G étant représentatif du "OU exclusif". Le tableau représenté sur la figure 6 représente les chiffres binaires t Q @ correspondant aux positions angulaires e comprises entre 2 et dans le quadrant défini par l'état O des détecteurs 1 et 2. Il est clair que les tableaux correspondant aux trois autres configurations des détecteurs 1 et 2 se déduisent d'une façon évidente. Le disque de capteur de résolution 2-& représenté figure 7 comprend trois pistes concentriques (au lieu de 12, dans le cas d'un codeur absolu de type clas- sique), à savoir: a) deux pistes intérieures onlformées d'une façon analogue au disque du capteur de résolution, la piste centrale étanlt lue par deux détecteurs 1, 2 à 900 et la deuxième piste étant lue par deux détecteurs 3 et 4 à È, b) une piste extérieure divisée en 8 zones compre- nant, la première, 4 secteurs, la deuxième, 8 secteurs et ainsi de suite jusqu'à la huitième Au droit de cette piste sont disposés huit détecteurs, A à H, à 450 les uns des autres. Dans ce cas, le poids des détecteurs A, B, C, D, E, F, G, H est déterminé comme représenté figure 8 par la configuration des détecteurs 1, 2 et 3. De la table représentée figure 8 se déduit aisément la matrice de transcodage de la figure 9 dans laquelle le bit de poids fort consiste en le bit fourni par le détecteur 1, le bit est égal au résultat de l'opération logique 1 2, le bit consiste en le bit du détecteur 3 et le bit vest égal au résultat de l'opération logique 3 O 4, l opérateur étaft le OU exclusif. Dans le cas o le disque présente un diamètre D = 24 mm 9 _ et des pistes de largeur e = 0,6 mm, les incréments prévus sur la piste de plus faible diamètre pourront présenter une largeur 1 = 0,015 mm. La figure 10 représente le disque d'un capteur de résolution M permettant d'illustrer le principe d'un codage à poids variable utilisant le code binaire ré- fléchi (code Gray). Ce disque fait intervenir deux pistes de lecture, à savoir une piste intérieure comprenant deux secteurs, cette piste étant lue par deux détecteurs 1 et 2 dis- posés à 900 (codeur absolu de résolution È), et une piste munie de six secteurs de dimensions différentes, cette piste étant lue par deux détecteurs A et B disposés à 1800. Dans ce cas, la disposition des secteurs et celle des détecteurs sont prévues de telle manière qu'un seul détecteur change d'état à la fois. Dans cet exemple, le poids des bits délivrés par les détecteurs A et B sont déterminés par l'état du détec- teur 1, ce qui aboutit à la matrice de transcodage re- présentée figure 11. De cette matrice de transcodage se déduit de façon évidente le tableau de correspondance entre les chiffres binaires fournis par les capteurs 1, 2, A, B et les chiffres binaires in, /, I O (en binaire réfléchi) représentatifs des positions angulaires e du disque, et ce, pour un demi tour du disque. La figure 13 représente le disque d'un capteur de résolution 212 à codage à poids variable et en binaire réfléchi. Ce disque comprend trois pistes concentriques, à savoir, deux pistes associées à quatre détecteurs, 1, 2, A, B selon la disposition du capteur de résolution Dû représenté figure 10, et une piste extérieure à huit - secteurs associés à huit détecteurs C, D, E, F, G, H, I, J, disposés à 450. Dans ce cas, les détecteurs 1 et 2 déterminent les 2 bits et Ude poids fort de O ainsi que le poids relatif des bits issus des détecteurs A, B (d'une façon analogue à l'exemple représenté figure 10). Par ailleurs, le décodage des trois bits de poids fort Q, , de * permet de définir le poids relatif des bits issus des détecteurs C, D, E, F, G, H, I et J. On parvient ainsi à la réalisation de la matrice de transcodage représenté figure 14 dans laquelle pour chacun des états des détecteurs 1, 2, A, B est indiqué le poids des capteurs 1, 2, A, B, C, D, E, F, G, H, I, J dans le chiffre binaire de 12 bits, , , ,,, ,, (,, Q représentatif de la position angulaire O du disque. A partir de cette matrice de transcodage, il est aisé d'obtenir un tableau de correspondance du type de celui représenté figure 6 ou figure 12, mais codé en binaire réfléchi En raison de son importance, nous n'avons pas représenté ce tableau. Il convient de noter que dans le cas d'un décodage à poids variable en binaire réfléchi, il convient d'ef- fectuer, après l'application de la matrice de transco- dage, une conversion binaire réfléchi/binaire naturel. Par ailleurs, on constate que ce système présente l'avantage consistant en ce que, du fait que le bit de plus faible poids ne change que tous les deux incréments, la longueur des secteurs est deux fois plus importante que dans le cas o on utilise un codage binaire naturel. Dans l'exemple représenté figure 13, cette longueur peut être de 0,036 mm. z 9665 11 _ REVENDICATIONS 1) Capteur rotatif de position angulaire à sorties numériques faisant intervenir un disque rotatif muni dune ou plusieurs pistes de lecture circulaires con- centriques comportant chacune deux séries alternées de secteurs de deux types différents, lesdites pistes étant lues par des détecteurs appropriés susceptibles de changer d'état lorsqu'ils passent d'un secteur de l'une des séries à un secteur de l'autre série, carac- térisé en ce que, pour une résolution angulaire de -T le susdit disque rotatif comprend au moins N capteurs disposés respectivement sur M pistes concentriques, en ce que chacune de ces pistes est divisée en 2 x 4 sec- teurs et est lue par deux détecteurs disposés de manière à former entre eux un angle de ( 1 + 2 k) 7, radians, k et k' étant des nombres entiers. 2) Capteur rotatif de position angulaire à sorties numériques faisant intervenir un disque rotatif muni de plusieurs pistes de lecture circulaires con- centriques comportant chacune deux séries alternées de secteurs de deux types différents-, lesdites pistes étant lues par des détecteurs appropriés susceptibles de chan- ger d'état lorsqu'ils passent d'un secteur de l'une des séries à un secteur de l'autre sérier caractérisé en ce que le susdit disque comprend: au moins une première piste divisée en z 1 zones dans lesquelles les secteurs sont de longueur variable d'une zone à l'autre, un nombre de z 1 détecteurs per- mettant de définir z 1 bits de décodage relatif de la position angulaire e du disques étant disposés autour de cette piste, et au moins une piste supplémentaire permettant de réaliser un système de codage, par exemple un système de codage absolu, faisant intervenir z 2 détecteurs per- mettant de définir la position du disque par rapport 12 _ aux Z 1 détecteurs associés à la première pistes et de déterminer les z 2 bits de poids fort de la position angulaire e du disque ainsi que le poids relatif des bits issus des z détecteurs associés à la première piste. 3) Capteur rotatif selon la revendication 2, carac- térisé en ce que, pour une résolution de s, le nombre total de détecteurs utilisés, soit z + z 2 doit être au moins égal à n, et en ce que la résolution du système de codage absolu qui détermine le poids des bits déli- vrés par les détecteurs z associés à la première piste doit être au moins égale à z 4) Capteur rotatif selon l'une des revendications 1 et 2 dans lequel le disque comprend, en partant du centre, une ou plusieurs pistes de codage absolu et plusieurs pistes de codage à poids variable, caracté- risé en ce que: la ou les pistes de codage absolu définissent au moins le premier bit de poids fort de la position an- gulaire du disque ainsi que le poids relatif des bits générés par la première piste de codage à poids variable suivante: Le poids relatif des bits générés par la deuxième piste de codage à poids variable est déterminé par un décodage des bits générés par la ou les pistes de codage absolu et par la première piste de codage à poids va- riable. le poids des bits générés par la p piste de codage à poids variable est déterminée par décodage des bits générés par les p lîèmes pistes de codage à poids variable et par la ou les pistes de codage absolu. ) Capteur rotatif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le codage des pistes peut être effectué en binaire naturel, en binaire réfléchi, ou en tout autre code. 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