Brevet FR2647205A1 — publié le 19901123

PROCEDE ET DISPOSITIF POUR LA DETERMINATION DE L'ANGLE DE ROTATION D'UN ELEMENT ROTATIF. La présente invention a pour objet un procédé et un dispositif pour la de'terirnation de l'angle de rotation d'un élément rotatif. D'une façon générale, on sait qu'une telle détermination peut etre effectuée à l'aide d'un résolveur comprenant, selon une structure classique, un enroulement rotorique solidaire en rotation du susdit élement et monté rotatif dans le champ magnétiaue produit par deux enroulements statoriques angulairement décalés l'un par rapport à l'autre, par exemple de 900. Ces deux enroulements statoriques sont habituellement excités par deux tensions sinusoïdales respectives, à savoir une tension t = U sin wt et une tension t = U cos wt (U étant le module de ces deux tensions, w sa pulsation et t le temps). Dans ce cas, la tension VR aux bornes de la bobine rotorique est de la forme VR = K1 U sin (wt + ) formule dans laquelle - e représente l'angle formé par l'axe de la bobine rotori que avec un angle de référence, et - K1 est une constante dont la valeur dépend du rapport de transformation. I1 est clair qu'à partir de la valeur de cette tension VR, l'angle # rechrchépeut être obtenu à l'aide de circuits flectroniques classiques réalisant notamment les fonctions arc sin, démodulation, multiplication, mesure de phase, etc... I1 s'avère cependant qu'en pratique les principes de ce genre sont généralement coûteux, notamment en raison de la difficulté et du coût de la réalisation des circuits permettant d'obtenir : les tensions sinusoïdales U1 et U2 dépha sexes rigoureusement de 2, ainsi que les fonctions précitées. L'invention a donc plus particulièrement pour but de supprimer cet inconvénient. Elle propose à cet effet un procédé faisant intervenir une Structure de résolveur du type de celle précédemment évo avec, avec les deux enroulements statoriques axés à 900 l'un de t'autre, et consistant plus particulièrement - à exciter les deux bobines statoriques par deux signaux rectangulaires respectifs U1 et U2, de meme amplitude, de même fréquence mais déphasés l'un par rapport à l'autre d'un angle de préférence égal à #, 2 - à prélever, au cours de chacune des périodes T des signaux U1 et U2, quatre échantillons VR1, VR2, VR3 et VR4 de la tension présente aux bornes de la bobine rotorique, ces prélèvements étant effectués à des instants tl, t2, t3, t4 respectivement compris entre O et T T # et T T et 3T 3T et T, 4 - à déterminer le quadrant dans lequel se trouve l'angle e à mesurer par comparaison logique des tensions VR1, VR2, VR3, VR4, - a déterminer l'angle e à partir de la tension V présente aux bornes de la bobine rotorique en utilisant une rela tion de la forme e = K1 arc sin K2 V + 9 avec # = 4 dans le premier quadrant 0# e ç # = ## dans le second quandrant # # # # T 2 = ## dans le troisième quadrant T # # # 3T 2 = 2 dans le quatrième quadrant 32 2 " 4 I1 apparaît clairement que le procédé précédemment déCrlF présente tout d'abord l'avantage de ne nécessiter pour l'excitation des bobines statoriques que des tensions se présentant sous la forme de signaux rectangulaires qui peuvent etre facilement obtenus par exemple au moyen de deux commutateurs inverseurs statiques pilotés par une horloge du type de celles utilisées de façon usuelle dans les circuits de traitement de signaux numériques. En outre, un avantage important de cette solution en ce qu'elle convient particulièrement bien à la converSIOt en valeur numérique de l'angle de rotation e du résolveur. Dans ce cas, la tension V, présente aux bornes de la bobine rotorique, pourra être directement appliquée à l'entrée analogique d'un microprocesseur approprié programmé de manière à exécuter le procédé précédemment défini, ou, par l'intermédiaire d'un convertisseur analogique-numérique, dans le cas où le microprocesseur ne comprend pas d'entrée analogique. Des modes d'exécution de l'invention seront décrits ciaprès, à titre d'exemples non limitatifs, avec référence aux dessins annexés dans lesquels La figure 1 est une représentation schématique d'un dispositif pour la détermination de l'angle d'un résolveur, utilisant un microprocesseur sans entrée analogique La figure 2 est une représentation schématique d'un dispositif similaire à celui de la figure 1 mais uti lisant un microprocesseur à entrées analogiques La figure 3 est un diagramme représentant, en fonction du temps, les tensions U1 et U2 respectivement appli quées aux deux bobines statoriques du résolveur et la tension V aux bornes de la bobine rotorique, pour des valeurs e = o, e = e = -2' e = 34 et e = r de 4 l'angle formé par 11 axe rotor avec un axe de référen ce La figure 4 est un diagramme montrant les courbes de variation des échantillons de tension VRl, VR2, VR3, VR4 en fonction de l'angle e du rotor du résolveur et La figure 5 est un diagramme indiquant, en fonction du temps, la forme des signaux H1, H2. Comme précédemment mentionné, le dispositif selon l'invention utilise une structure de résolveur de type classique 1 faisant intervenir deux bobines statoriques 2, 3 axées à angle droit l'une par rapport à l'autre et une bobine rotorique 4 montée rotative autour d'un axe de rotation 5 situé sur la bissectrice de l'angle formé par les axes 1, L2 des deux bobines statoriques 3, 2. L'angle e du résolveur qui doit être déterminé consiste en l'angle formé par l'axe n de la bobine rotorique 4 et l'axe A1 de la bobine statorique 3. Dans les exemples représentés sur les figures 1 et 2, les bobines statoriques 2, 3 sont excitées par deux signaux rectangulaires U1 (t) et U2 (t) engendrés par deux commutateurs statiques inverseurs respectifs I1, 12 recevant chacun une tension + V Ref, - V Ref et pilotés par deux signaux rectangulaires El et H2 émis par un microprocesseur 6.Ces deux signaux rectangulaires U1 et U2, de même que les signaux H1 et H2, présentent une meme fréquence, une même amplitude, ne comprennent pas de composante continue et sont déphasés l'un par rapport à l'autre d'un angle de Dans l'exemple représenté sur la figure 1, la tension Vr engendrée aux bornes de la bobine rotorique 4 est appliquée après filtrage et atténuation éventuelle (résistance R1, capacité Cl) à l'entrée d'un convertisseur analogiquenumérique CAN piloté par le microprocesseur 6. Afin d'atténuer l'effet des dérives de la tension de référence V Ref, ce convertisseur CAN sera conçu de manière à effectuer une conversion de type ratiométrique permettant de fournir à sa sortie, par exemple sur un bus parallèle 7 relié au microprocesseur 6, la valeur numérique N de la mesure de la tension V à l'entrée du convertisseur CAN, soit V = VR . K2 (K2 étant le gain de l'étage d'entrée du convertisseur CAN), selon une relation du type : N = V Vef NM V Ref V Ref étant la tension de référence du convertisseur qui, dans cet exemple, est la même que la tension VR précédemment mentionnée, NM étant la valeur numérique de la pleine échelle du tisseur CAN. Dans le cas où la valeur numérique de la mesure est fournie par huit bits, la valeur NM sera égale à 255, tandis que dans le cas où cette valeur numérique est fournie par dix bits, la valeur de NM sera égale à 1023. Compte tenu de la structure de résolveur 1 précédemment décrite, la tension VR aux bornes de la bobine rotorique sera de la forme VR = K1 U1 (t) sin e + K1 U2 (t) cos e avec U1 (t) = U entre 0 et T et U1 (t) = - U entre T et T 2 2 U2 (t) = U entre T et 3T et U2 (t) = -U entre 3T et 5T 2 2 2 2 K1 étant fonction du rapport de transformation du résolveur. La figure 3 montre la forme que présente la tension VR pour des valeurs # = 0, # 0 = #, # = #, #= ## et # = Comme précédemment mentionné, le microprocesseur est programmé de manière à prélever à chaque période T des échantillons de la valeur numérisée de la tension VR fournie par le convertisseur CAN à des instants tl, t2, t3, t4 respectivement compris entre O et T T et T T et ##, 3T w, 4 2' 2 7' 7 et T, à savoir - un échantillon VR1 présentant la valeur de VR à l'instant tl, - un échantillon VR2 présentant la valeur de VR à l'instant t2, - un échantillon VR3 présentant la valeur de VR à l'instant t3, - un échantillon VR4 présentant la valeur de VR à l'instant t4. La valeur de ces échantillons en fonction de l'angle e sera alors déterminée selon les expressions suivantes: VR1 = K1U (sin # - cos #) = V2 K1U sin (#- VR2 = K1U (sin e + cos e) = J2 K1U cos (e VR3 = - K1U (sin e - cos e) = - J2 K1U sin VR4 = - K1U (sin e - cos e) = - /2 K1U cos (# - #) = -V2 VR1 = - VR3 = /2 K1U sin (# VR2 = - VR4 = V2 K1U cos (6 - 4) Si on ramène VR1, VR2, VR3, VR4 à des fonctions sinus, on obtient VR1 = K1U V 2 sin (# - #) VR2 = K1U V2 sin (# - 74) VR3 = K1U V2 sin (# - ##) VR4 = K1U :2 sin (# - ##) La variation des valeurs des échantillons VR1 à VR4 en fonction de l'angle e (entre O et 2.) est représentée sur la figure 4. Bien entendu, le temps de prélèvement de ces échantillons devra être court devant la période T des signaux U1 (t) et U2 (t). La fin de chaque prélèvement devra intervenir avant les transitions des signaux U1 (t) et U2 (t). C'est l'examen des valeurs de ces tensions VR1 à VR4 (ou de leurs valeurs numériques N1 à N4 par rapport à K1U (ou à NM NM sin # = ##) qui permettra de déterminer le quadrant dans lequel se situe l'angle e à mesurer. Cette détermination du quadrant pourra être effectuée à partir des valeurs numériques N1 à N4 des tensions VR1 à VR4 par un processus de comparaison logique faisant par exemple intervenir une table de correspondance du type de celle représentée ci-après, utilisable pour un convertisseur CAN de + 9 bits avec N variant de O à 384 pour une variation de l'angle e comprise entre 0 et 450. Détermination du quadrant Valeur de e N2 > 384 0 # # # -/2 # = arc sin ### + 45 ou N4 -384 (T/4) N1 > 384 T/2 # # # T # = arc sin ### + 135 ou N3 -384 (3T/4) N4 > 384 T # # # 3T # = arc sin ### + 225 2 ou N2 -384 (5T/4) N3 > 384 3T # # # 2T # = arc sin ### + 315 2 ou NI -384 (7T/4) I1 ressort de ce qui précède que la tension V appliquée à l'entrée du convertisseur CAN est de la forme V = Kl K2 U V2 sin (# avec # = # dans le premier quadrant # = ## dans le deuxième quadrant = ## dans le troisième quadrant, et # = = 34 dans le quatrième quadrant La valeur numérique de V à la sortie du convertisseur CAN sera alors égale à N = K1 K2 ############## Si les amplitudes des tensions d'excitation Ul, U2 sont proportionnelles à V Ref, soit U = K3 V Ref, on obtient alors N = K1 K2 K3 .2 sin (# - # x NM L'angle e à déterminer peut alors être obtenu au moyen de la formule générale suivante # = arc sin ########## Cette formule peut être simplifiée en posant K1 K2 K3 V2 = K avec K1 : rapport de transformation du résolveur K2 : gain de l'étage d'entrée en amont du convertisseur CAN K3 : K3 = U V Ref rapport entre tension d'excitation du résolveur et tension de référence de sorte que la valeur numérique N devient N = K sin La valeur maximum de N, soit N maxi = NM, sera alors obtenue pour une valeur K maxi = 1, soit (K1 K2 K3) maxi = 72 Dans ce cas, la valeur numérique N sera de la forme N = sin (e - ç) x NM et la valeur de e pour N maxi = NM sera 6 = arc sin ## + avec K = 1 Cette.valeur de 6 peut avantageusement être obtenue au moyen d'une table de correspondance N/# du du type N = -511 ... -384 ... 0 ... +384 ... +511 e = -70,20 ... -45 0 +450 ... +70,2 I1 convient de noter que les valeurs analogiques des échantillons VR1 à VR4 servant à déterminer le quadrant seront converties en valeurs numériques N1, N2, N3 et N4, la valeur N(1, 2, 3, 4) étant alors comparée à sin # = ## NM 4 Pour cela, il est nécessaire de choisir K = K1 K2 K3 V2 afin que la pleine échelle du CAN corresponde à un angle supérieur à Dans ces conditions, en utilisant un convertisseur analogique-numérique CAN de + 9 bits (10 bits sans signe), on obtient NM-= 511 N KNM = 0.707 et K = Kl K2 K3 /2 = 1,062 Si K1 = K3 = 1 on a alors K2 = 0,751 Le circuit électronique du dispositif selon l'invention peut être avantageusement simplifié en utilisant un microprocesseur à entrées analogiques tel que le microcontrôleur 10 à deux entrées analogiques EA1, EA2 représenté sur la figure 2. Dans cet exemple, l'élaboration des tensions Ul et U2 appliquées aux enroulements statoriques 2, 3 du résolveur s'effectue d'une manière identique à la précédente, à partir des signaux rectangulaires H1, H2 délivrés par le microprocesseur, à l'aide de commutateurs inverseurs similaires à I1 et I2 qui n'ont pas été représentés. La tension Vr est alors appliquée à un montage discriminateur utilisant de façon classique deux amplificateurs opérationnels Al, A2, qui permet de transmettre à l'entrée EA1 un signal positif 0, + V en correspondance avec les alternances positives de la tension Vr et, à l'entrée EA2 un signal négatif 0, + V en correspondance avec les alternances négatives de la tension Vr. Le traitement effectué par les microcontrôleur est analogue à celui effectué par l'ensemble convertisseur analogiquenumérique CAN, microprocesseur 6 utilisé dans le mode d'exécution précédemment décrit. I1 est clair que cette solution présente l'avantage de simplifier considérablement les circuits électroniques et les câblages qu'ils imposent. Revendications 1. Procédé pour la détermination de l'angle de rotation d'un élément rotatif au moyen d'un résolveur comprenant, selon une structure classique, un enroulement rotorique solidaire en rotation du susdit élément couplé audit élément et monté rotatif dans le champ magnétique produit par deux enroulements statoriques angulairement décalés, l'un par rapport à l'autre, d'un angle de 900, caractérisé en ce qu'il consiste - à exciter les deux bobines statoriques par deux signaux rectangulaires respectifs U1 et U2, de même amplitude, de même fréquence, mais déphasés l'un par rapport à l'autre d'un angle de préférence égal à 2 ;; - à prélever au cours de chacune des périodes T des signaux Ul et U2, quatre échantillons VR1, VR2, VR3, VR4 de valeur numérique Nl à N4 de la tension présente aux bornes de la bobine rotorique, ces prélèvements étant effectués à des instants tl, t2, t3, t4 respectivement compris entre O et T T T et 3T 3T et T ; 4, 4 et 2' 2 et 7' et T 7 - à déterminer le quadrant dans lequel se trouve l'angle e à mesurer, par comparaison logique des valeurs numériques N1 à N4 des tensions VR1, VR2, VR3 et VR4 ; à la valeur T '(2 sin 4 = }2, ces valeurs numériques étant convenablement calibrées - à déterminer l'angle e à partir de la valeur numérique N correspondant à la tension V présente aux bornes de la bobine rotorique en utilisant une relation de la forme # = K1 arc sin ## + # NM étant la valeur numérique de pleine échelle du CAN avec # = ## dans le premier quadrant O 4 e # 2 73 dans le second quadrant 2r ç e #T = ## dans le troisième quadrant # # # # 3T = ## dans le quatrième quadrant 3# # # # 2# 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la détermination du quadrant à partir des valeurs numériques des échantillons N1 à N4 est obtenue au moyen d'une table de correspondance du type ler quadrant N2 > 2N o ç e 2 ou N4 -LN 2ème quadrant Nl > LN 2 4 e 4 T ou N3 -2N 3ème quadrant N4 > LN # # 3T ou N2 -2N 4ème quadrant N3 > 2N 2 # e X 2 T ou N1 -LN tableau dans lequel AN correspond à la variation de N pour une variation de l'angle e comprise entre 0 et 450 3.Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la détermination de la valeur de l'angle de rotation e de l'enroulement statorique à partir de la valeur numérique N de la tension V aux bornes de cet enroulement statorique, s'effectue à l'aide d'une table de correspondance faisant correspondre pour chacun des quadrants une valeur e à une valeur numérique N de la tension V. 4. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon alune des revendications précédentes, cafactérisé en ce que les bobines statoriques (2, 3) de la structure de résolveur sont excitées par des signaux rectangulaires U1 (t) et U2 (t) engendrés par deux commutateurs inverseurs respectifs I1, I2 recevant chacun des tensions + V Ref et - V Ref, et pilotés par deux signaux rectangulai hes émis par un microprocesseur (6), et en ce que la tension Vr engendrée aux bornes de la bobine rotorique est appliquée à l'entrée d'un convertisseur analogique-numérique CAN piloté par le microprocesseur (6) qui transmet la valeur numérique N représentative de la tension VR à ce microprocesseur (6). 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que les bobines statoriques (2, 3) de la structure de résolveur sont excitées par des signaux rectangulaires U1 (t) et U2 (t) engendrés par un microcontrôleur (10) possédant deux entrées analogiques EA1, EA2, et en ce que la tension VR engendrée aux bornes de la bobine rotorique est appliquée à un montage discriminateur permettant de transmettre à l'entrée EA1 du microcontrôleur (10) , un signal positif o, + V en correspondance avec les alternances positives de la tension Vr et, à l'entrée EA2, un signal négatif 0, + V en correspondance avec les alternances négatives de la tension Vr.