Brevet FR2577666A1 — publié le 19860822

Disoositif de déplacement à roue codée L'invention a pour objet un dispositif de mesure de déplacement, notamment en rotation autour d'un axe, du type comportant un organe tel qu'une roue entraînée dans la rotation et munie de repères codés régulièrement répartis autour de l'axe et au moins un capteur placé sur le trajet de circulation des repères. Un tel dispo- sitif permet de déterminer la distance parcourue par un mobile en liant mécaniquement la roue de mesure à une roue du véhicule, ainsi que la vitesse et l'accélération en mesurant le temps mis pour effectuer le déplacement. Des dispositifs connus de ce type comportent une roue en forme de disque ou de cylindre en matériau à forte perméabilité magnétique, munie d'une denture qui circule devant le capteur. Cette solution présente l'in- convénient de fournir un signal électrique binaire dont les niveaux sont souvent insuffisamment séparés pour permettre la mesure dans de bonnes conditions. L'invention vise notamment à fournir un disposi- tif de mesure de déplacement du type ci-dessus défini répondant mieux que ceux antérieurement connus aux exi- gences de la pratique et permettant en particulier d'ob- tenir un niveau élevé de signal de détection. Dans ce but, l'invention propose un dispositif dans lequel les repères représentant deux chiffres bi- naires sont constitués l'un par un trou traversant la roue, constituée en matériau conducteur de l'électrici- té, l'autre par un trou relié au bord de la roue le plus proche par une fente étroite, et le capteur (ou chaque capteur) comporte deux bobines placées face à face, cha- cune d'un côté de la roue, et associées à des moyens de détection de leur inductance mutuelle. On utilisera en général deux bobines à air ali- gnées, dont l'une est associée à un circuit d'excitation et l'autre à un circuit de comparaison de l'amplitude du signal de sortie de la bobine avec le signal d'excita- tion. Lorsqu'on souhaite mesurer simplement l'ampli- tude du déplacement ou la vitesse, il suffit de faire apparaitre dans la roue une suite-régulière de 0 et de 1. Lorsque, au contraire, on veut identifier la position de la roue, les repères doivent constituer un code binaire non cyclique, mémorisé dans un circuit de trai- tement associé au capteur, une séquence de huit bits suffisant pour repérer 256 positions, ce qui est souvent largement suffisant. L'effet de la présence d'un trou simple entre les deux bobines d'un capteur est équivalent à celui qu'aurait une spire en court-circuit ajoutée au secon- daire du transformateur que constituent les deux bo- bines. L'énergie rayonnée par la bobine d'émission, qui reçoit le signal d'excitation, est alors entièrement absorbée par la spire, de sorte que la tension et le courant dans la bobine de réception sont pratiquement annulés. L'effet d'un trou ouvert est le même que celui d'un condensateur reliant les deux points chauds des bobines. Ce trou relié par une fente au bord de la roue augmente sensiblement le niveau du signal de réception, qui devient bien supérieur au couplage des deux bobines à air en l'absence de la roue. Le système n'utilisant aucun circuit résonnant ou accordé, il peut fonctionner dans une plage de tempé- rature très large, et l'électronique de commande peut sans difficulté être éloignée du capteur, ce qui permet d'utiliser le dispositif dans des cas o l'environnement de la roue est sévère. L'invention vise également à fournir un disposi- tif assurant la sécurité de la mesure, en permettant un contrôle simple de la validité de cette dernière. En d'autres termes, elle vise à fournir un dis- positif comportant deux systèmes indépendants et de nature différente, fournissant des indications dont la cohérence peut être vérifiée à chaque mesure. Souvent les conditions ambiantes (température par exemple) sont telles qu'une mesure optique n'est pas possible. L'in- vention surmonte la difficulté en proposant un dispo- sitif qui comprend, en plus de la roue codée présentant un code binaire non cyclique à N repères, une roue- horloge à N dents associée à au moins un détecteur fournissant des impulsions à la cadence du passage des dents, ainsi qu'un circuit de traitement comportant une mémoire dans laquelle est enregistrée la séquence constituant le code non cyclique, ce circuit étant prévu pour vérifier, à chaque impulsion fournie par le détecteur, que la séquence portée par la roue codée est conforme à celle préalablement enregistrée. La roue-horloge peut notamment être constituée par une couronne en matériau présentant une perméabilité magnétique élevée à haute fréquence, munie de la den- ture, le détecteur ayant des moyens à carcasse magné- tique présentant, en regard des dents, des pôles décalés d'un demi-pas et supportant des bobines de mesure mon- tées de façon que la réluctance du circuit magnétique d'une bobine augmente lorsque l'autre diminue. Bien que cette constitution de roue-horloge soit particulièrement favorable (et soit d'ailleurs utili- sable indépendamment de la roue codée mentionnée plus haut), elle peut être remplacée par d'autres types pour garantir le caractère sécuritaire de la mesure. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit d'un dispositif qui en constitue un mode particulier d'exécution, 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 montrant les roues d'un dispositif suivant l'invention et un dé- tecteur associé à la roue-horloge; - la figure 2 est un schéma synoptique du cap- teur et de l'électronique associée à la roue codée; - la figure 3 est un développement en plan mon- trant une constitution possible d'un circuit de traite- ment associé au capteur de la roue-horloge. Le dispositif montré en figure 1, permettant de déterminer le déplacement en rotation d'un arbre 10, comporte une roue codée 12 et une roue-horloge 14 calées sur l'arbre. La roue-horloge 14 est constituée par un disque constitué, au moins dans sa partie circonféren- tielle, en matériau à forte perméabilité magnétique à haute fréquence. A la périphérie est taillée une denture régulière de pas D. Il n'est pas indispensable que la roue soit en forme de disque. Elle peut aussi bien être en forme de cylindre ou même de tronc de cône. - A la roue est associé au moins un détecteur 16. On connait de nombreux types de détecteurs utilisables. Mais la plupart exigent une comparaison de signal avec un seuil, ce qui les rend très sensibles aux parasites. -Au surplus beaucoup tolèrent mal les variations de fré- quence et d'amplitude du signal d'excitation du détec- teur. Le dispositif suivant l'invention qui sera main- tenant décrit utilise un principe tout à fait différent, basé sur une détection de changement du déphasage entre signal d'excitation (pris comme référence) et signal détecté. Ce signal détecté pourra être constitué par la différence des tensions prélevées aux bornes de deux bobines appartenant à un même capteur. Le détecteur 16-montré à titre d'exemple en Fi- gures 1 et 3 comporte deux carcasses magnétiques, avan- tageusement du même matériau que la roue, présentant chacune deux pièces polaires dont le développement cir- conférentiel est sensiblement égal à celui d'une dent écartées d'un pas (ou d'un nombre entier de past. Ainsi, les deux pôles sont sensiblement face à une dent. Les deux carcasses sont décalées d'un nombre entier de pas, plus un demi-pas et elles portent des bobines respec- tives 18 et 20. On voit que, lorsque la roue 14 est en mouvement, la réluctance du circuit magnétique compre- nant la première carcasse et "vue" par la bobine 18 augmente lorsqu'elle diminue pour la bobine 20 portée par l'autre carcasse, et réciproquement. Il existe une position géométrique o les inductaces sont égales. La tension aux bornes de chacune des bobines 18 et 20 est déterminée par le sens de variation de la réluctance. En effectuant la somme algébrique des tensions développées aux bornes des bobines 18 et 20 du même capteur 16, la phase s'inverse brusquement lorsqu'on passe d'un côté à l'autre de la position d'équilibre. Cette inversion de phase est facilement détectée par comparaison entre le signal d'excitation et le signal obtenu par somme algé- brique. Il faut remarquer que les bobines représentent un organe sommateur commode mais pourraient cependant être remplacées par un amplificateur différentiel flot- tant. Cette détection de phase peut notamment être réalisée à l'aide d'un circuit du genre montré en Figure 3. Ce circuit comporte un oscillateur haute fréquence 22 fournissant une porteuse (travaillant habituellement dans un domaine compris entre 40 kHz et 1 MHz) qui atta- que, par l'intermédiaire d'un amplificateur 24, les bobinages primaires, placés en série, de deux trans- formateurs de couplage 26 et 28. Chacun des transforma- teurs de couplage 26 et 28 comporte un secondaire 30 ou 32 d'attaque d'une bobine respective 18 ou 20 et un secondaire 34 ou 36 de sortie de signal. On voit que les bobines 18 et 20 constituent un diviseur inductif et que la tension de sortie se répartit proportionnellement aux inductances de ces bobines, inductances liées aux réluctances des circuits magnétiques. Un circuit somma- teur algébrique constitué de résistances R permet de faire la somme algébrique des signaux fournis par les secondaires 34 et 36 et de l'appliquer à un comparateur- démodulateur 38 qui reçoit également un signal de réfé- rence provenant de l'amplificateur 24. On obtient ainsi, à la sortie du comparateur-démodulateur, des créneaux dont chaque front correspond à une position d'équilibre des réluctances des bobines 18 et 20. On voit que ce système est insensible aux varia- tions d'amplitude ou de fréquence qui peuvent provenir de l'oscillateur d'excitation ou d'un guidage mécanique imparfait de la roue: l'inversion de phase intervient toujours pouur la même position de la roue. Un second détecteur 40, décalé de D/4 du pre- mier, peut être prévu pour permettre de déterminer le sens de déplacement de la roue 14. D'autres détecteurs encore, décalés entre eux d'une fraction entière du pas dentaire D, peuvent être prévus pour obtenir un plus grand nombre de points de mesure par tour de roue, par utilisation d'un montage du genre Vernier. La roue codée 12 est constituée d'un disque (pouvant être remplacé par un cylindre) mince en maté- riau non magnétique bon conducteur de l'électricité, tel que le cuivre ou l'aluminium. Les repères codés en binaire sont constitués par des trous de deux types différents. Les trous 42 sont de simples perforations circulaires: on supposera qu elles correspondent à des zéros. Les autres trous 44 comportent des perforations identiques aux précédentes, mais reliées au bord de la roue par une fente étroite. On supposera qu'elles in- diquent des "uns". Après perforation le disque peut être enrobé d'un matériau isolant obturant les trous, afin qu'il présente une surface lisse. Les trous 42 et 44 sont répartis régulièrement sur un cercle au même pas angulaire D que les dents de la roue 14. Le capteur associé à la roue 12 comporte deux bobines 46 et 48 démunies de noyaux magnétiques, placées en regard l'une de l'autre chacune d'un côté du disque, en un emplacement tel que les trous circulent devant elles. La détection est basée sur la radiation du cou- plage mutuel entre les bobines 46 et 48. En effet, l'effet de la présence d'une perfora- tion circulaire entre les bobines 46 et 48 est équiva- lent à celui d'une spire en court-circuit ajoutée au secondaire du transformateur que forment les deux bo- bines a. air. La présence d'une perforation débouchant à la périphérie du disque a un effet équivalent à celui d'une capacité reliant les deux points chauds des bo- bines 46 et 48. Le couplage est alors supérieur à celui que donnent les bobines à air en l'absence du disque perforé. Pour tirer tout l'avantage possible de cette disposition, la fente doit avoir une largeur dont l'or- dre de grandeur est du dixième de celui du trou. Au surplus, la distance entre trous, et entre chaque trou et le bord du disque, ne doit pas être sensiblement su- périeure au diamètre du trou (ou à ses dimensions si ce trou n'est pas exactement circulaire). La circuit de détection compté peut notamment être celui schématisé en figure 2. Ce circuit comprend un oscillateur 50 qui attaque, par l'intermédiaire d'un amplificateur 52, la bobine émettrice 46. La bobine ré- ceptrice 48 est reliée, par l'intermédiaire d'un ampli- ficateur 54, à un circuit de détection et de mise en forme 56 qui reçoit également pn signal de référence provenant de l'amplificateur 52. Dans ce cas, lorsqu'une perforation 42 se trouve entre les bobines, l'énergie rayonnée par la bobine émettrice 46 est absorbée par l'effet de spire en court- circuit: le courant qui traverse la bobine de réception 48 devient pratiquement nul. Lorsque, par contre, une perforation débouchante 44 se trouve entre les bobines, le niveau du signal de réception fourni par la bobine 48 est supérieur à celui qu'elle donnerait en l'absence du disque 12. Par un dimensionnement approprié des bobines 46 et 48, de leur écartement et de la forme des trous, on peut obtenir, aux bornes de la bobine réceptrice 48. une variation de tension supérieure à 30 dB suivant que les bobines sont en regard d'un trou 42 ou 44. La détection peut se faire de façon classique par comparaison de l'amplitude du signal de sortie avec celle du signal d'excitation. Pour assurer une grande sécurité à la mesure, le dispositif comporte de plus un calculateur 58. Dans la mémoire du calculateur 58 est enregistrée la séquence binaire représentée par les trous 42 et 44. Les impul- sions fournies par le détecteur 16 sont appliquées au calculateur pour provoquer une lecture de l'information fournie par la bobine 48 à chaque passage devant une dent. Si une opération de calage a été effectuée initia- lement, pour déterminer la position angulaire de la roue 12, il suffit de comparer, a chaque nouvelle impulsion fournie par le circuit 38, le code mémorisé dans le cal- culateur 58 et le code lu sur la roue codée 12. Lorsque les informations coincident, la probabilité pour que le système fonctionne correctement est très élevée. En effet, la défaillance de l'un du capteur ou du détecteur détruit la séquence normale et permet de constater la panne du système. Quant à la panne simultanée du capteur et du détecteur, elle peut être décelée par envoi d'une séquence de test dès que la roue- horloge n'envoie plus d'impulsions, après écoulement d'une temporisatidn. L'invention est susceptible de nombreuses va- riantes de réalisation. En particulier, il n'est pas in- dispensable que les trous 42 et 44 soient circulaires: on peut notamment leur donner des formes se rapprochant du cercle, voire même une forme de rectangle, bien que la forme circulaire soit avantageuse du point de vue 9g électrique. Par ailleurs, elle est directement trans- posable à la mesure de déplacement ou de position d'un organe mobile en translation. REVENDICATIONS 1. Dispositif de mesure de déplacement, notam- ment en rotation autour d'un axe, comportant une roue (12) entrainée dans la rotation et munie de repères co- dés régulièrement répartis autour de l'axe et au moins un capteur placé sur le trajet de circulation des re- pères, caractérisé en ce que les repères représentant deux chiffres binaires sont constitués l'un par un trou (42) traversant la roue, constituée en matériau conduc- teur de l'électricité, l'autre par un trou (44) relié au bord de la roue le plus proche par une fente étroite, le- capteur comportant deux bobines (46,48) placées face à face, chacune d'un côté de la roue, et associées à des moyens de détection de leur inductance mutuelle. 2. Dispositif selon la revendication 1, caracté- risé en ce que les deux bobines sont des bobines à air alignées, dont l'une est associée à un circuit d'excita- tion à haute fréquence (50) et l'autre à un circuit (56) de comparaison du signal de sortie de la bobine avec le signal d'excitation. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les repères sont constitués par une séquence régulière de O et 1. 4. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les repères constituent un code binaire non cyclique mémorisé dans un circuit de traite- ment (58) associé au capteur. 5. Dispositif selon l'une quelconque des reven- dications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend, en plus de la roue codée, une roue-horloge (14) ayant un nombre de dents identique au nombre des repères, asso- ciée à au moins un détecteur (16) fournissant des impul- sions à la cadence du passage des dents. 6. Dispositif selon la revendication 5, caracté- risé en ce que la roue-horloge (14) est constituée par une couronne en matériau présentant une perméabilité magnétique élevée à haute fréquence, munie des dents, le détecteur (16) ayant des moyens à carcasse magnétique présentant, en regard des dents, des pôles décalés d'un demi-pas et supportant des bobines de mesure (18,20) montées de façon que la réluctance du circuit magnétique d'une bobine augmente lorsque l'autre diminue. 7. Dispositif selon la revendication 6, carac- térisé en ce que le détecteur comprend deux carcasses dont chacune présente deux pôles simultanément en regard de deux dents, carcasses écartées d'un nombre impair de demi-pas et portant les bobines de mesure, et un circuit de sommation algébrique des signaux fournis par les bo- bines de mesure lorsqu'elles sont excitées par un même signal haute fréquence. 8. Dispositif selon la revendication 6 ou 7, * caractérisé en ce qu'il comporte un circuit de traite- ment (58) ayant une mémoire dans laquelle est enre- gistrée la séquence constituant un code binaire non cyclique porté par la roue codée, ce circuit (58) étant prévu pour vérifier, à chaque impulsion fournie par le détecteur (16), que la séquence portée par la roue codée est conforme à celle préalablement enregistrée.