Brevet FR2731070A1 — publié le 19960830

DISPOSITIF DE MESURE DE POSITION PAR CAPTEURS POTENTIOMETRIQpES DESCRIPTION Domaine de l'invention L'invention concerne un dispositif de mesure de position par capteurs potentiométriques traitée en modulation et acquisition numérique synchrone, dans lequel le potentiomètre est alimenté par un signal carré qui assure une modulation de la mesure de position. L'invention trouve une application dans le domaine de la robotique pour mesurer la position des axes des bras de robots. En particulier, elle s'applique aux systèmes nécessitant une mesure de position précise accompagnée d'un câblage simple, ainsi que d'un coût et d'un encombrement réduit. Etat de la technique Pour mesurer des positions, notamment en robotique, il est connu d'utiliser des capteurs potentiométriques. Ceux-ci ont l'avantage d'avoir un coût relativement faible, d'être faciles à mettre en oeuvre et de présenter un encombrement relativement réduit. De tels capteurs potentiométriques sont décrits, par exemple, dans l'ouvrage de Georges ASCH, intitulé "Les capteurs en instrumentation industrielle", Editions DUNOD, 1987, page 304. Sur la figure 1, on a représenté schématiquement un exemple de capteur potentiométrique connu. Ce capteur comporte un potentiomètre 1, alimenté en énergie par une source d'alimentation 3 en courant continu. L'énergie fournie par cette source d'alimentation 3 est transmise au potentiomètre 1 par l'intermédiaire d'un câble blindé 5a. Plus précisément, ce câble 5a est une paire torsadée blindée. Un curseur 7 permet de lire, sur le pont de résistance du potentiomètre 1, la valeur de la tension recherchée qui est fonction de la position de ce curseur. Cette valeur de tension, ainsi que la valeur de tension de référence du potentiomètre, sont transmises, par l'intermédiaire d'une seconde paire torsadée blindée 5b, à un filtre analogique passe-bas, référencé 9. Ce filtre analogique passe-bas 9 permet d'éliminer une partie du bruit électromagnétique capté par les câbles blindés 5a et 5b, ainsi que les bruits électromagnétiques pouvant provenir de la source d'alimentation 3. Le signal filtré par ce filtre passe-bas 9 est ensuite envoyé à un système d'acquisition 11. Ce système d'acquisition traite les signaux obtenus pour déterminer la mesure de position recherchée. Pour ce type de traitement de capteur potentiométrique, le blindage des câbles 5a et 5b ne protège que partiellement le signal de mesure des bruits électromagnétiques ambiants. De plus, le filtre analogique passe-bas qui précède le système d'acquisition ne permet d'éliminer qu'une partie seulement du bruit électromagnétique induit sur les câbles de transmissions 5a et 5b. Aussi, du fait de ces défauts, les capteurs potentiométriques n'obtiennent qu'une résolution d'environ 0,5 % de leur course totale pour une bande passante de mesure de 50 Hz. En plus de ces défauts, les câbles blindés 5a et 5b présentent l'inconvénient d'être relativement volumineux. Ainsi, pour des systèmes électromécaniques complexes nécessitant l'utilisation de plusieurs capteurs potentiométriques, des problèmes de câblage et de connectique se posent. Or, dans certains domaines, et en particulier en robotique, il est nécessaire d'avoir une précision meilleure que celle proposée par les capteurs potentiométriques connus. Dans ces cas là, pour obtenir une plus grande résolution de mesure, l'homme du métier est obligé d'utiliser d'autres types de capteurs, tels que les codeurs optiques ou les résolveurs. Des exemples de codeurs optiques et de résolveurs sont décrits dans l'ouvrage de Georges ASCH, intitulé "Les capteurs en instrumentation industrielle, Editions DUNOD, 1987, respectivement, page 352 et page 333. Ces capteurs, que ce soit des résolveurs ou des codeurs optiques, permettent d'obtenir une bonne précision dans les mesures ; par contre, leur mise en oeuvre est délicate, leur coût élevé et leur encombrement important. Exposé de l'invention La présente invention a justement pour but de remédier aux inconvénients des capteurs de positions connus, décrits précédemment. A cette fin, elle propose un dispositif de mesure par capteurs potentiométriques dont le potentiomètre est alimenté par un signal carré qui assure une modulation de la mesure de position. De façon plus précise, l'invention concerne un dispositif de mesure de position par capteurs potentiométriques apte à déterminer une position en fonction d'une valeur de tension mesurée au moyen d'un potentiomètre alimenté par un signal carré. Ce dispositif comporte - des moyens de conversion numérique/analogique N/A (4) pour convertir le signal d'entrée numérique en un signal carré analogique qui est transmis au potentiomètre - des moyens de démodulation pour démoduler le signal carré issu du potentiomètre ; - des moyens de filtrage analogique connectés en sortie des moyens de démodulation ; - des moyens de conversion analogique/numérique A/N connectés en sortie des moyens de filtrage pour convertir le signal numérique démodulé filtré issu des moyens de démodulation en un signal numérique ; et - une unité de traitements pour déterminer, à partir de ce signal numérique issu des moyens de conversion A/N, l'information de position recherchée ; - une unité de séquencement permettant une synchronisation de l'acquisition A/N du signal démodulé avec le signal carré de modulation. Avantageusement, les moyens de démodulation consistent en un multiplieur apte à multiplier le signal carré issu du potentiomètre par le signal carré issu du convertisseur N/A. Le dispositif peut comporter un filtre analogique RC connecté entre les moyens convertisseurs numériques/analogiques et le potentiomètre pour assurer l'amortissement d'oscillations néfastes. Le signal carré issu du convertisseur numérique/analogique est un signal différentiel. Selon l'invention, le potentiomètre est un potentiomètre à deux ponts, l'un des ponts fournissant une tension de référence et l'autre pont fournissant la valeur de tension recherchée à mesurer. Selon un mode de réalisation de l'invention, le dispositif comporte une pluralité de potentiomètres, une pluralité de moyens de conversion A/N, une pluralité de moyens de démodulation et une pluralité de moyens de conversion N/A, chacun des moyens de conversion A/N ou N/A étant relié à une même unité de traitements et à une même unité de séquencement (34). Dans le cas où il comporte une pluralité de potentiomètres, le dispositif peut comporter une unité de séquencement fournissant à chaque unité de conversion numérique/analogique, un signal de fréquence multiple ou sous-multiple d'un facteur 2 par rapport aux autres unités de conversion numérique/analogique. Selon une alternative, il peut comporter une unité de séquencement fournissant à chaque unité de conversion analogique/numérique, un signal de fréquence sous-multiple de la plus haute fréquence (f=1/T) envoyée aux moyens de conversion numérique/analogique et décalée d'une demi-période (T/2) par rapport à celle-ci. Brève description des dessins - La figure 1, déjà décrite, représente schématiquement un capteur connu de type potentiométrique - la figure 2 représente schématiquement un dispositif de mesure de position par capteurs potentiométriques réalisé selon l'invention - la figure 3 représente schématiquement un dispositif de mesure de position comportant plusieurs potentiomètres ; et - la figure 4 représente un chronogramme des différents signaux présents dans le dispositif de l'invention. Description de modes de réalisations de l'invention Sur la figure 2, on a représenté schématiquement le dispositif de mesure de position de l'invention. Ce dispositif comporte un potentiomètre 2 alimenté par un signal carré. Ce signal carré est obtenu à partir d'un signal numérique introduit dans le capteur par l'entrée El et converti en signal analogique au moyen du convertisseur N/A, référencé 4. Ce convertisseur numérique/analogique 4 reçoit sur une de ses entrées un signal d'horloge fourni par un générateur de rythme 6. Ce signal d'horloge permet la commutation de niveau de la sortie du convertisseur N/A afin de créer un signal carré analogique synchronisé par le générateur de rythme 6. Plus précisément, ce convertisseur analogique/numérique 4 est un convertisseur différentiel qui fournit, sur une première voie de transmission V3, un signal carré de période T et, sur une seconde voie de transmission V4, un signal carré en opposition de phase, c'est-à-dire identique à celui de la voie V3, mais décalé d'une demi-période soit de T/2. Le potentiomètre 2 est ainsi alimenté par un signal carré différentiel. Le potentiomètre travaille lui aussi en différentiel car il est constitué de deux ponts un premier pont 2a constitué de deux résistances permettant d'obtenir un zéro virtuel, c'est-à-dire une valeur de tension de référence ; et un second pont 2b permettant d'obtenir la valeur de la tension à mesurer. L'utilisation de deux ponts a pour avantage de rendre le dispositif insensible aux fluctuations des références de tension du convertisseur N/A, ce qui lui permet de bénéficier de tous les avantages des transmissions différentielles (meilleure insensibilité vis-à-vis des bruits électromagnétiques). Le curseur 8 du potentiomètre assure la lecture, sur le pont de mesure 2b, de la valeur de la tension recherchée. La valeur de la tension mesurée est transmise sous forme de signal carré à un multiplieur différentiel 10. Ce multiplieur 10 reçoit également en entrée le signal carré d'origine, issu du convertisseur N/A 4 et assure la multiplication du signal issu du potentiomètre par ce signal carré d'origine. La multiplication du signal issu du potentiomètre 2 par le signal carré issu du convertisseur 4 permet de démoduler le signal issu du potentiomètre, puisque la multiplication d'un signal carré par un autre signal carré constitue une démodulation du signal. Le signal ainsi démodulé, issu du multiplieur 10, est ensuite filtré par un filtre numérique passe-bas 12 qui permet d'éliminer une partie du bruit électromagnétique capté ainsi que les problèmes de repliement de spectre avant numérisation. Il faut noter que grâce à la démodulation, le bruit électromagnétique a été décalé en fréquence d'un facteur f=1/T, T étant la période du signal carré issu du convertisseur N/A. Il en résulte que la réjection de bruit par ce filtre est très efficace puisque celui-ci, du fait de la démodulation, se retrouve rejeté vers de plus hautes fréquences. Il faut également noter que, grâce à la démodulation, on élimine par filtrage non seulement les fréquences de bruit qui se situent au-delà de la fréquence de coupure du filtre passe-bas 12, mais également toutes les fréquences de bruit se situant en-deçà de la fréquence de coupure du filtre 12 (et en particulier une fréquence bien gênante, le 50 Hz du secteur). Pour ce filtrage, il faut toutefois s'assurer que la fréquence 1/T du signal d'excitation (voie V3) est bien supérieure à la fréquence de coupure du spectre du bruit électromagnétique environnant. On obtient ainsi, en sortie du filtre 12 un signal quasi continu, proportionnel à la position du curseur 8 sur le potentiomètre. Ce signal démodulé et filtré obtenu en sortie du filtre 12 est ensuite reconverti en un signal numérique par le convertisseur analogique/numérique 14 de façon à pouvoir être traité. La conversion en signal numérique du signal analogique provenant du filtre passe-bas 12 doit être synchronisé avec le signal carré de modulation issu du convertisseur N/A. En effet, il est à noter que le signal issu du filtre passe-bas n'est pas parfaitement continu. La démodulation n'étant pas parfaite, il apparaît à chaque changement de front du signal carré des impulsions sinusoïdales amorties sur le signal démodulé. Ces impulsions n' ont pas une amplitude importante, mais elles réduisent tout de même la résolution de la mesure. Pour remédier à cela, il suffit d'effectuer une conversion analogique/numérique du signal démodulé, toujours au même instant par rapport au signal carré et de préférence à un temps équidistant entre deux changements de front du signal modulant. Pour cela, on utilise le générateur de rythme 6 qui envoie un signal d'horloge au convertisseur analogique/numérique 14 par la voie de transmission Vo. Comme indiqué précédemment, le signal d'horloge de la voie de transmission Vo envoyé au convertisseur A/N 14 est retardé par rapport au signal d'excitation de la voie de transmission V1 envoyé au convertisseur N/A 4. Par exemple, si la période du signal carré issu du convertisseur N/A 4 est T, alors le déclenchement du convertisseur analogique/numérique s'effectue avec un retard T/4. Ainsi, le générateur de rythme 6 fournit d'une part un signal d'horloge permettant la fabrication du signal carré par le convertisseur N/A 4 et d'autre part un signal d'horloge retardé permettant la transformation du signal carré en un signal analogique. Une unité de traitements 16 assure la gestion du séquencement de ces signaux. Cette unité de traitements consiste en un microcontrôleur connecté aux convertisseurs 4 et 14 par un bus. Il reçoit, en retour, les valeurs mesurées sur le potentiomètre 2 et converties par le convertisseur A/N 14. Ce microcontrôleur 16 effectue alors les traitements nécessaires pour déterminer, à partir des valeurs de tension mesurées, les informations de position recherchées, qui peuvent être obtenues sur la sortie S du microcontrôleur. Selon un mode de réalisation de l'invention, le microcontrôleur peut intégrer le générateur de rythme, le générateur de rythme et le microcontrôleur ne constituant, dans ce cas, qu'un seul élément. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, on connecte un filtre RC 18 entre le convertisseur numérique/analogique 4 et le potentiomètre 2. Ce filtre RC 18 permet d'adoucir les fronts de montée du signal carré provenant du convertisseur N/A 4. En effet, la self apportée par le câble de liaison vers le potentiomètre 2 génère des oscillations qui pourraient être préjudiciables à la mesure ; grâce au filtre RC, ces oscillations sont amorties sur les fronts de montée des signaux carrés et n'interviennent donc pas dans les mesures. Comme on le comprendra aisément, la transmission des signaux entre un élément et un autre du capteur de l'invention est réalisée au moyen de simples câbles à plusieurs conducteurs ; elle ne nécessite aucunement l'utilisation de câbles blindés. Cette suppression des blindages de câbles, par rapport aux capteurs potentiomètriques de l'art antérieur, permet de diminuer la section des câbles de transmission et donc d'obtenir des capteurs de position d'encombrement réduit. Sur la figure 2, on a représenté entre chaque élément (convertisseur N/A 4, filtres RC 18, potentiomètre 2, multiplieur 10, filtre passe-bas 12 et convertisseur analogique/numérique 14), deux cables de transmission puisque tout le traitement se fait en différentiel pour des raisons que nous avons déjà évoquées précédemment. La qualité de la mesure peut encore être améliorée en introduisant, dans le microcontrôleur 6, un ou plusieurs filtres numériques. Pour une application robotique, on choisira un filtre numérique passe-bas d'ordre 2 réglé à 50 ou 100 Hz et un filtre réjecteur sur les fréquences 50 Hz et ses premiers multiples. Sur la figure 3, on a représenté un autre mode de réalisation du dispositif de mesure de position de l'invention. Dans ce mode de réalisation, le dispositif comporte plusieurs voies de mesures. De façon plus précise, le dispositif comporte plusieurs potentiomètres et donc plusieurs circuits de traitement du signal, du type de ceux décrits sur la figure 2. Plus précisément encore, le dispositif représenté sur cette figure 3 comporte deux voies de mesure et, par conséquent, deux potentiomètres et deux circuits de traitement des signaux associés chacun à l'un des potentiomètres. La première voie de mesure (VOIE 1) de ce capteur comporte des éléments qui portent les mêmes références que ceux montrés sur la figure 2, puisque ces éléments sont, pour la plupart, identiques à ceux de cette figure 2. Cette voie de mesure est représentée sur la figure 3 par une accolade et est référencée VOIE 1. La seconde voie, référencée VOIE 2, comporte des éléments tout à fait identiques à ceux de la VOIE 1 et fonctionnant d'une façon tout à fait similaire. Seul diffère, par rapport à la figure 2, le générateur de rythme, référencé 34, et décrit ultérieurement. Cette seconde voie de mesure sera donc décrite très succinctement puisqu'elle est semblable à la voie 1 expliquée précédemment. Cette voie de mesure VOIE 2 comporte un potentiomètre 20 qui comprend un pont 20a permettant de fournir une valeur de tension de référence et une voie 20b permettant de fournir la valeur de la tension recherchée. Ce potentiomètre 20 est alimenté par un signal carré fourni par le convertisseur numérique/analogique 22. La valeur de tension recherchée est déterminée à partir de la position du curseur 24 sur le pont 20b du potentiomètre. La valeur de tension ainsi lue sur le potentiomètre est introduite dans le multiplieur 26. Celui-ci multiplie le signal carré issu du potentiomètre 20 par le signal carré d'origine provenant du convertisseur N/A 22. Le signal sortant du multiplieur 26 est donc un signal démodulé qui est introduit dans un filtre passe-bas 28 de façon à éliminer les bruits ambiants.Le signal démodulé et filtré est ensuite introduit dans le convertisseur analogique/numérique 30 qui permet de reconvertir le signal analogique représentatif de la tension mesurée en un signal numérique pouvant être traité par le microcontrôleur 16. Tout comme dans le capteur montré en figure 2, ce capteur comporte un filtre RC 32 qui permet de filtrer le signal carré issu du convertisseur 22. Le rôle de chacun des éléments de la VOIE 2 n'est pas décrit plus en détail car il est strictement le même que pour les éléments similaires de la VOIE 1. Par rapport à la figure 2, seul le générateur de rythme diffère sensiblement. Ce générateur de rythme 34 permet d'envoyer un signal d'horloge à chacun des convertisseurs 4, 14, 22 et 30 ; il diffère du générateur de rythme 6, montré sur la figure 2, par le fait qu'il est capable d'envoyer trois signaux différents vers les convertisseurs. Plus précisément, il envoie un signal d'horloge de période T vers le convertisseur numérique/analogique 4 et un signal d'horloge de période double, c'est-à-dire d'une période 2T, sur le convertisseur numérique/analogique 22 de la voie de mesure VOIE 2, ce qui permet d'éviter les problèmes de diaphonie. En outre, ce générateur de rythme 34 permet de déclencher l'acquisition analogique/numérique pour les deux voies de mesure VOIE 1 et VOIE 2 avec une cadence de 3T.Ce signal de déclenchement, émis sur une voie de transmission Vo, est le même pour la VOIE 1 que pour la VOIE 2 ; comme expliqué précédemment, il est décalé par rapport aux signaux d'horloge émis sur les voies de transmission V1 et V2 à destination des convertisseurs 4 et 22. L'envoi sur la voie de transmission V2 d'un signal carré de fréquence double par rapport à la voie précédente V1 permet de s'affranchir du problème de diaphonie que pourrait créer le fait de moduler plusieurs voies de mesure par un même signal carré. Ce procédé qui consiste à doubler les fréquences des signaux carrés permet, après démodulation respectivement par les multiplieurs 10 et 26, d'éliminer tout signal capté par diaphonie car un signal carré ne possède que des harmoniques impaires et donc ne peut avoir de fréquences communes avec un signal carré ayant une fréquence double de la sienne. Selon le mode de réalisation représenté sur cette figure 3, le signal de fréquence double est géré par le générateur de rythme 34. Toutefois, il pourrait être géré à partir des sorties d'un compteur numérique. Tout comme sur le mode de réalisation représenté en figure 2, chaque élément d'une voie de mesure du capteur est relié à l'élément suivant par deux câbles, puisqu'il s'agit d'un traitement de signaux différentiels. Les problèmes de diaphonie étant résolus en utilisant des fréquences doubles l'une de l'autre, les câbles de liaison inter-éléments peuvent être des câbles multibrins de faible dimension sans blindage. Sur la figure 4, on a représenté le chronogramme des signaux utilisés pour le fonctionnement du dispositif conforme à l'invention. Sur les voies de transmission V3 et V4, on a représenté le signal numérique carré fourni par le convertisseur numérique/analogique 4. Le chronogramme V3 montre le signal carré original et la voie V4, le signal carré de même fréquence que celui de V3, mais décalé d'une période de T/2. Ces deux signaux montrés en V3 et V4 forment le signal différentiel qui alimente le potentiomètre 2. Ces signaux sont émis avec une période T. Les voies VS et V6 représentent les signaux carrés fournis par le convertisseur numérique/analogique 22. Le chronogramme V5 correspond au signal carré original émis par le convertisseur N/A 22 et la voie V6 montre ce signal VS décalé d'une période T. Ces signaux v5 et V6 forment le signal différentiel qui alimente le potentiomètre 20. Ces signaux sont émis avec une période 2T. Le chronogramme VO représente le signal d'horloge envoyé par le générateur de rythme (6 ou 34 selon le mode de réalisation) vers les convertisseurs analogiques/numériques 14 et 30. Comme expliqué précédemment, ce signal d'horloge de la voie Vo est le signal de déclenchement des deux convertisseurs analogiques/numériques 14 et 30 ; ce signal permet de synchroniser l'ensemble des convertisseurs du capteur de position. La période de ce signal VO doit être un multiple de T. Dans l'exemple présenté sur la figure 3, nous avons choisi arbitrairement 3T. En règle générale, on choisira une fréquence au moins supérieure à dix fois la fréquence de coupure du signal potentiomètre à mesurer. REVENDICATIONS 1. Dispositif de mesure de position par capteurs potentiométriques apte à déterminer une position en fonction d'au moins une valeur de tension mesurée au moyen d'au moins un potentiomètre (2), ledit dispositif recevant en entrée (E) un signal numérique et fournissant en sortie (S) une information de position soit analogique, soit numérique, caractérisé en ce qu'il comporte - des moyens de conversion numérique/analogique N/A (4) pour convertir le signal d'entrée numérique en un signal carré analogique qui est transmis au potentiomètre (2) ;; - des moyens de démodulation (10) pour démoduler le signal carré issu du potentiomètre - des moyens de filtrage analogique (12) connectés en sortie des moyens de démodulation - des moyens de conversion analogique/numérique A/N (14) connectés en sortie des moyens de filtrage pour convertir le signal numérique démodulé filtré issu des moyens de démodulation en un signal numérique ; et - une unité de traitements (16) pour déterminer, à partir de ce signal numérique issu des moyens de conversion A/N, l'information de position recherchée ; - une unité de séquencement (6) permettant une synchronisation de l'acquisition A/N du signal démodulé avec le signal carré de modulation. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de démodulation (10) consistent en un multiplieur (10) apte à multiplier le signal carré issu du potentiomètre (2) par le signal carré issu du convertisseur N/A (4). 3. Dispositif selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il comporte un filtre RC (18) connecté entre les moyens convertisseurs N/A et le potentiomètre pour assurer l'amortissement d'oscillations néfastes. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le signal carré envoyé par le convertisseur N/A est un signal différentiel. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que le potentiomètre est un potentiomètre à deux ponts, l'un des ponts (2a) fournissant une tension de référence et l'autre pont (2b) fournissant la valeur de tension recherchée à mesurer. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte une pluralité de potentiomètres (2, 20), une pluralité de moyens de conversion A/N (4, 22), une pluralité de moyens de démodulation (10, 26) et une pluralité de moyens de conversion N/A (14, 30), chacun des moyens de conversion A/N ou N/A étant relié à une même unité de traitements (16) et une même unité de séquencement (34). 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comporte, pour une pluralité de potentiomètres, une unité de séquencement (34) fournissant à chaque unité de conversion numérique/analogique, un signal de fréquence multiple ou sous-multiple d'un facteur 2 par rapport aux autres unités de conversion numérique/analogique. 8. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comporte une unité de séquencement (6 ou 34) fournissant à chaque unité de conversion analogique/numérique, un signal de fréquence sous-multiple de la plus haute fréquence (f=1/T) envoyée aux moyens de conversions numérique/analogique et décalée d'une demi-période (T/2) par rapport à celle-ci.