Brevet FR2697909A1 — publié le 19940513

"Circuit d'exploitation d'un capteur inductif" La présente invention concerne un circuit d'exploitation d'un capteur inductif de position com- prenant au moins deux bobines dont les inductances va- rient en sens inverse en fonction de la position à dé- terminer, un oscillateur relié alternativement à une inductance par l'intermédiaire d'un moyen de commuta- tion. Pour déterminer la position d'une pièce, par exemple celle d'un organe de réglage dans un régula- teur, il est connu d'utiliser des capteurs de position inductifs, dans lesquels il y a modification de l'in- ductance d'au moins une bobine et de préférence de deux bobines en fonction de la position L'inductance qui s'établit à ce moment représente alors une lecture de la position Usuellement, de tels circuits compor- tent un oscillateur et des branches de circuit oscil- lant commutables Un tel capteur inductif ou le cir- cuit d'exploitation correspondant sont connus par20 exemple selon le document US-A-4 644 570 Dans ce mon- tage connu, l'élément de détection de position est un capteur différentiel; cela signifie que les deux in- ductances varient en sens opposé, en fonction de la position détectée Les deux bobines coopèrent selon le25 principe des courants de Foucault avec un noyau qui, selon sa position, se rapproche de l'une des bobines pendant qu'il s'éloigne de l'autre; ces bobines sont reliées alternativement à un condensateur ce qui donne une première branche de circuit oscillant pour l'une des positions et une seconde branche de circuit oscil- lant pour l'autre position Les deux branches de cir- cuit oscillant coopèrent en alternance avec un oscil- lateur, en couplage oscillant et suivant l'inductance, fonction de la position, on obtient les fréquences propres correspondantes L'exploitation de ces fré- quences propres permet ainsi de déterminer la posi- tion. Un inconvénient du capteur inductif connu ou du circuit d'exploitation correspondant est de n'avoir qu'une sensibilité relativement faible et de plus de ne pas être linéaire En outre, la commutation des circuits oscillants peut engendrer des oscillations parasites qui faussent le résultat de la mesure Un autre inconvénient est que le signal de sortie est analogique ou est modulé en largeur d'impulsion si bien qu'il faut un convertisseur analogique/numérique avant de poursuivre le traitement par voie numérique. La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients des solutions connues et concerne à cet effet un circuit correspondant au type défini ci- dessus, caractérisé en ce que le signal de sortie de l'oscillateur est appliqué à un diviseur commandant une bascule bi-stable et un compteur, le compteur comptant les impulsions d'un autre oscillateur les états de comptage étant enregistrés pour être traités dans une unité arithmétique et logique pour générer un signal de sortie numérique. Le circuit d'exploitation selon l'invention d'un capteur inductif offre l'avantage de fournir di- rectement un signal de sortie sous forme numérique. Cela est possible car la partie du circuit d'exploita- tion de l'invention, située en sortie, est numérique. Comme l'exploitation du signal de capteur se fait à des intervalles de temps équidistants, on a les condi- tions d'un traitement purement numérique. Il est également avantageux que le capteur d'oscillations se compose d'un circuit oscillant pa- rallèle LC, commutable, avec une excitation fortement ohmique ce qui permet d'intégrer le circuit d'exploi- tation en technique C-MOS L'oscillateur est avanta- geusement un oscillateur Colpitts. La formation de l'état de comptage différen- tiel est réalisée par soustraction des états de comp- tage engendrés par l'une et par l'autre bobine, l'état de comptage de l'une ou de l'autre inductance se dé- terminant par alternance dans chaque intervalle d'ex- ploitation avec enregistrement intermédiaire du second état de façon à obtenir avantageusement un doublement de la résolution du signal par rapport à celui des procédés connus. Le comportement en oscillation de l'oscilla- teur du capteur est figé avec deux périodes d'oscilla- tions Le décomptage des N périodes d'oscillations de l'oscillateur du capteur se fait par un diviseur auto- bloquant ce qui permet une exploitation avantageuse du signal en synchronisme. Un dispositif de débordement pour l'afficha- ge d'erreurs permet de détecter un fonctionnement er- roné en cas de dépassement du cadre synchrone au cours de l'exploitation Un moyen de redise à l'état initial permet de remettre l'ensemble du circuit à un état dé- terminé. La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide des dessins annexés dans lesquels: la figure 1 montre un capteur inductif équipé d'un circuit d'exploitation selon un mode de réalisation de l'invention. la figure 2 montre un oscillateur Col- pitts, numérique, pour l'excitation du capteur de la figure 1. la figure 3 montre le chronogramme pour un diviseur de fréquence avec N = 2. la figure 4 montre un montage de régula- tion coopérant de façon particulièrement avantageuse avec un capteur selon l'invention y compris le circuit de capteur. Description. A la figure 1, le capteur dont on veut ex- ploiter le signal de sortie porte la référence 10 Il se compose d'un noyau mobile 11 et de deux bobines ayant des inductances Ll et L 2 variables en fonction de la position du noyau 11. Le capteur 10 est relié au circuit d'exploi- tation 13 proprement dit par un câble blindé 12 La liaison entre le capteur 10 et le circuit d'exploita- tion 13 consiste à relier la jonction des deux induc- tances Ll, L 2 à un condensateur C 51 du circuit d'ex- ploitation 13, les deux bornes opposées des inductan- ces Ll, L 2 étant reliées à deux entrées d'un commuta- teur analogique 14 du circuit d'exploitation 13. Le commutateur analogique 14 est relié par un oscillateur 15, constitué par exemple par l'oscil- lateur Colpitts représenté à la figure 2, à un divi- seur de fréquence 16 Ce diviseur divise la fréquence d'émission fsen de l'oscillateur 15 pour donner une fréquence fsen/N, N étant un nombre entier quelconque par exemple N = 2 Entre l'entrée de l'oscillateur 15 et la masse on a un condensateur C 52. Le diviseur de fréquence 16 comporte deux sorties une première est reliée à un Flip-Flop 17 (bascule bi-stable) par exemple à un Flip-Flop à dé- clenchement dont les sorties sont reliées au commuta- teur analogique 14 La seconde sortie du diviseur de fréquence 16 est reliée à un compteur 18 recevant les signaux du second oscillateur 19; la fréquence de cet oscillateur est beaucoup plus élevée que celle de l'oscillateur 15. Par sa seconde entrée, le diviseur de fré- quence 16 reçoit les signaux de synchronisation qui sont appliqués à la borne Sync du circuit d'exploita- tion 13 pour arriver dans un bloc 20 assurant la syn- chronisation de démarrage Ce bloc reçoit par ailleurs les signaux de sortie de l'oscillateur 15 Un moyen de temporisation 21 relie la synchronisation de démarrage au diviseur de fréquence 16; une autre sortie de la synchronisation de démarrage 20 conduit à l'entrée d'effacement (Clear) du compteur 18. Le compteur 18 est relié à deux registres 22, 23, eux-mêmes reliés à une unité logique et arith- métique 24 dont la sortie fournit le signal de sortie numérique Sd. Le circuit d'exploitation 13 comporte en ou- tre un bloc de détection de débordement 25 recevant les signaux du diviseur de fréquence 16 et de l'entrée de synchronisation Sync et dont la sortie donne un si- gnal affichant un défaut de débordement Un dispositif de remise à l'état initial 26 reçoit les signaux cor- respondants de remise à l'état initial par une borne de remise à l'état initial (Reset). La figure 2 montre un oscillateur Colpitts, numérique, servant avantageusement comme oscillateur Par rapport aux oscillateurs connus, il offre une stabilité en fréquence particulièrement bonne Si l'on renonce à cette stabilité de fréquence, on peut égale- ment utiliser un autre type d'oscillateur pour l'os- cillateur 15. L'oscillateur Colpitts, numérique, selon la figure 2, se compose des deux inductances de capteur Lt, L 2, d'un montage en série de deux résistances Rt, R 2 branchées entre la tension de batterie Ub et la masse et un montage amplificateur Vl auquel sont re- liées l'une des deux bornes des deux inductances Lt, L 2 Le même point de jonction conduit par un amplifi- cateur V 2 à la sortie fournissant le signal fsen. Un montage en série des condensateurs C 51, C 52, dont le point de liaison est à la masse, est re- lié aux inductances Lt, L 2 et conduit par un condensa- teur CK au diviseur de tension Rt, R 2. Les commutateurs analogiques sont quatre transistors à effet de champ TG 1, TG 2 branchés en por- te de transmission; ces transistors sont montés entre les inductances Lt, L 2 pour les relier aux condensa- teurs C 2 S et CK; ces transistors sont commandés par un amplificateur V 3 qui transmet le signal d'entrée Sel. La figure 3 montre le chronogramme corres- pondant par exemple à un coefficient diviseur N = 2 du diviseur de tension 16; la partie 3 a de la figure re- présente l'état du compteur en fonction du temps t sous la forme d'une courbe en trait interrompu et le contenu des registres par des traits pleins; la par- tie 3 b montre la fréquence de l'oscillateur fosc en fonction du temps et la partie 3 c de la figure montre la fréquence de capteur fse j également en fonction du temps Les références T Synct Tsenl,2 et T Bu SY repré- sentent la période du signal de synchronisation, la durée d'oscillation du capteur et la double période du signal Busy pour N = 2 L'instant de commutation porte la référence U et l'instant du transfert de registre la référence R La signification de ces désignations apparaîtra dans la description suivante du circuit d'exploitation du capteur. L'entrée Sync fournit le signal de synchro- nisation au circuit 13; ce signal sert à synchroniser l'exploitation du signal du capteur Ce signal est un signal rectangulaire dont chaque flanc positif déclen- che une nouvelle phase de conversion; l'expression phase de conversion désigne la sélection du multiple N de la période d'oscillation de l'oscillateur du cap- teur avec les inductances Ll ou L 2 dans le circuit os- cillant Cette impulsion de démarrage remet en même temps le compteur commun 18 à l'état initial par le signal "Clear". Après un retard de deux périodes de capteur Tsen, qui sont déclenchées par le dispositif de tempo- risation 21, le diviseur de fréquence programmable 16, qui reste jusqu'à cet instant dans un état d'attente, est chargé du coefficient de division N et libéré pour le comptage La libération du diviseur fait passer le signal "BUSY" de l'état logique O à l'état 1 en acti- vant l'entrée d'horloge "ENABLE" du compteur 18. Les N périodes d'horloge suivantes de l'os- cillateur de capteur 15 sont comptées par le diviseur de fréquence 16 Pendant ce temps, l'état de comptage du compteur 18 augmente à la fréquence d'horloge fo,, générée dans l'oscillateur 18, cette dernière fréquen- ce étant beaucoup plus élevée que la fréquence fsen de l'oscillateur 15 Ce choix de fréquence garantit une résolution aussi élevée que possible du signal du cap- teur. Lorsque le diviseur 16 atteint un état de comptage qui conduit au blocage automatique du divi- seur, c'est-à-dire qu'il conduit au passage dans un état d'attente, le signal "BUSY" reprend l'état logi- que O et désactive ainsi l'entrée d'horloge du comp- teur 18 de manière à conserver l'état de comptage ob- tenu En même temps, le diviseur 16 signale par une l't impulsion, c'està-dire par un passage de O à 1, la fin de la phase de conversion au Flip-Flop à déclen- chement 17. Le flanc montant de cette impulsion fait commuter l'état de mémoire du Flip-Flop à déclenche- ment 17 Le flanc positif du signal fourni à la sortie Q ou Q assure le transfert du contenu du compteur dans le registre 22 ou 23. Le Flip-Flop à déclenchement 17 charge ainsi en alternance l'état de comptage chaque fois dans l'un des registres 22, 23 L'unité arithmétique et logique 24 en aval des registres fait la soustraction du con- tenu de ces registres Le résultat numérique Sd ainsi obtenu est transmis comme signal de sortie numérique de capteur, comme valeur réelle par exemple à un régu- lateur numérique tel que celui représenté à titre d'exemple à la figure 4. En reliant les entrées de commande du commu- tateur analogique 14 de l'oscillateur 15 du capteur aux sorties Q et Q du Flip-Flop, l'inversion d'état du Flip-Flop 17 modifie également la position du commuta- teur analogique 14 si bien qu'à la fin de chaque phase de conversion on change l'inductance du circuit oscil- lant du capteur en commutant par exemple de Ll sur L 2 ou de L 2 sur Ll e Le temps qui reste jusqu'au flanc positif suivant du signal de synchronisation SYNC est à la disposition du circuit oscillant du capteur en plus du temps de retard fixe égal à 2 Tsen formé dans le bloc de temporisation 22 et constituant ainsi un temps de stabilisation d'oscillation, supplémentaire. Lorsque la phase de conversion du diviseur 16 n'est pas terminée avant l'arrivée du signal de synchronisation suivant, cela se traduit par un défaut de débordement dans le circuit d'exploitation Ce dé- faut est détecté par la détection de débordement 25 en combinant les signaux SYNC et BUSY puisque les deux signaux sont fournis à la détection de débordement 25. Ce défaut de débordement peut être affiché et pour y remédier on dispose de plusieurs moyens par exemple la réduction de la fréquence du signal de syn- chronisation, la réduction de la capacité des conden- sateurs C 51, C 52 ou la réduction du diviseur N, la me- sure la plus appropriée pouvant être choisie. Le moyen de remise à l'état initial 26 qui reçoit un signal correspondant de remise à l'état ini- tial permet de remettre l'ensemble du circuit d'ex- ploitation 13 dans un état initial déterminé Dans le cas d'une activation, les deux registres 22, 23 ainsi que le compteur 18 sont remis à l'état 0, un défaut de débordement affiché par la détection de débordement 25 est effacé, le Flip-Flop de déclenchement 17 est mis dans un état déterminé et le diviseur 16 est mis dans un état de retenue. Il est possible de reconnaître la résolution que peut assurer le signal de sortie numérique du cap- teur avec la figure 3 La résolution A y est définie comme nombre nécessaire de position binaire pour la représentation duale du signal de sortie de capteur A Zmax dont l'amplitude est la plus grande, avec un bit pour tenir compte de l'inversion du signe algébrique. Les grandeurs qui sont également nécessaires découlent du procédé d'exploitation Ainsi: A Décomptage du multiple par N de la durée d'oscilla- tion de l'oscillateur du capteur avec les inductances Ll et L 2 Z 1 = N * Tseni * foc: Registre 1 Z 2 = N * Tsen 2 * foc: Registre 2 avec: Tseni = 211 * / Li * C'; durée d'oscillation sans amortissement. La fréquence de comptage de l'oscillateur auxiliaire est beaucoup plus grande que la fréquence de comptage de l'oscillateur On a ainsi: Tosc AZ = Z 1 Z 2 Z = N * fosc * 211 * F * ( 47, L 2) Pour une petite variation d'inductance par variation de position, on a ainsi par approximation: AZ = N * fosc * 21 r * * * AL / 2 L 1 La variation de course As est proportionnel- le à la variation d'inductance, avec une bonne ap- proximation Ainsi: As = AL / Li et As AZ Pour une exploitation optimale il faut sa- tisfaire également à la condition suivante: J Tsyn > N * Tseni, max Tseni, max + 2 ir ÀC Li; On a alors Z relations selon la figure 3, il est clair que la fré- quence de l'oscillateur auxiliaire et la durée de la période du signal de synchronisation Tsy, exercent la plus grande influence sur la résolution possible A En doublant la fréquence de l'oscillateur ou la durée de la période du signal de synchronisation, on augmente chaque fois la résolution A du montage, d'un bit, A correspondant ainsi au nombre de positions binaires pour A Zmax en représentation duale, à savoir A = Log 2 (f Osc) + Log 2 (T y) + Log 2 (AL / 2 L 1 max) A Log 2 (fosc) Pour la mise en oeuvre du circuit d'exploi- tation 13 il faut fixer les capacités des circuits d'oscillation, C ou C 51, C 52 dans un oscillateur Col- pitts, numérique, le diviseur N ainsi que la fréquence de l'oscillateur auxiliaire Pour des inductances de courant de Foucault de 12 18 p H, on peut donner une durée de période du signal de synchronisation de 100 microsecondes et fixer la résolution du signal de sor- tie numérique du capteur avec 9 ou 10 bits. En plus, il faut veiller à une utilisation aussi bonne que possible de la durée de la période du signal de synchronisation pour la phase de conversion et assurer que la capacité des circuits oscillants soit très différente des capacités parasites de ligne CP avec 100 200 p F/m. Lorsque le capteur représenté à la figure 1 ainsi que le circuit d'exploitation correspondant sont utilisés dans un montage de régulation comme celui dé- crit dans la demande non encore publiée P 41 17 815 7, on peut utiliser le signal de sortie numérique Sd du circuit d'exploitation 13, directement comme valeur réelle pour la régulation si le capteur est lui-même utilisé comme générateur de valeur réelle La figure 4 montre l'ensemble du montage, le régulateur étant seu- lement représenté sous la forme d'un bloc 27 compre- nant un calculateur 29, une interface de bus 30, des mémoires RAM pour enregistrer les paramètres, une mé- moire ROM pour les programmes de commande du déroule- ment du procédé et une commande d'étage de sortie 31 qui reçoit la grandeur de réglage SG du calculateur 29 Sa construction et son fonctionnement sont décrits dans le document évoqué ci-dessus. Cette figure montre que le régulateur 27, à l'exception des semi-conducteurs de puissance 28 cor- respondants, peut être intégré sur une seule plaquette (Chip) et que ce régulateur qui commande l'actionneur 32, dont la position est déterminée par le capteur 10, peut recevoir le signal de sortie numérique du circuit d'exploitation 13, directement, sans nécessiter de convertisseur analogique/numérique. Comme interface entre le capteur et le cir- cuit d'exploitation qui peut également être intégrée sur le Chip on peut utiliser une interface de bus 30 normalisée pour les micro-ordinateurs. Ce montage permet de décaler l'unité arith- métique et logique 24 dans le calculateur ou réduire les câblages nécessaires au capteur. R E V E N D I C A T I O N S 1 ') Circuit d'exploitation d'un capteur in- ductif de position comprenant au moins deux bobines dont les inductances varient en sens inverse en fonc- tion de la position à déterminer, un oscillateur relié alternativement à une inductance par l'intermédiaire d'un moyen de commutation, circuit d'exploitation ca- ractérisé en ce que le signal de sortie de l'oscilla- teur ( 15) est appliqué à un diviseur ( 16) commandant une bascule bistable ( 17) et un compteur ( 18), le compteur ( 18) comptant les impulsions d'un autre os- cillateur ( 19) les états de comptage étant enregistrés pour être traités dans une unité arithmétique et logi- que ( 24) pour générer un signal de sortie numérique. 20) Circuit d'exploitation selon la revendi- cation 1, caractérisé en ce que le diviseur est un di- viseur de fréquence, auto-bloquant, selon un coeffi- cient de division N. ) Circuit d'exploitation selon la revendi- cation 2, caractérisé en ce que le coefficient de di- vision N peut être n'importe quel nombre entier. ) Circuit d'exploitation selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la bascule bi-stable ( 17) est une bascule à déclenchement avec des sorties Q, Q reliées au commutateur { 14) ce dernier commutant en fonction de l'état sur Q, Q. ) Circuit d'exploitation selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'un signal de synchronisation commande le compteur et après une temporisation définie par le dispositif de temporisation ( 21) il commande le diviseur ( 16). 6) Circuit d'exploitation selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par une fonc- tion de débordement ( 25) qui affiche un défaut de dé- bordement. ) Circuit d'exploitation selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par un moyen de remise à l'état initial ( 26) qui permet de remettre le circuit d'exploitation ( 13) dans un état déterminé. 80) Circuit d'exploitation selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'oscillateur ( 15) est un oscillateur Colpitts, numé- rique. ) Circuit d'exploitation selon la revendi- cation 8, caractérisé en ce que la fréquence de l'os- cillateur ( 15) est beaucoup plus petite que la fré- quence de l'oscillateur ( 19). ) Circuit d'exploitation selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le circuit d'exploitation ( 13) est monté sur une plaquet- te (Chip) en technique C-MOS.