Brevet FR2809173A1 — publié le 20011123

DISPOSITIF POUR L'AMORTISSEMENT DES MOUVEMENTS PARASITES PROVOQUES PAR LE DEMARRAGE DE LA TOUPIE D'UN GYROSCOPE. L'invention concerne le domaine des gyroscopes à deux degrés de liberté angulaire vis à vis d'un bâti porteur, et plus particulièrement ceux à grand débattement angulaire comportant un générateur de couple de précession et une toupie aimantée entraînée par un moteur électrique. L'invention a trait notamment à un dispositif pour l'amortissement rapide des oscillations de nutation provoquées par le démarrage de la toupie. Lors du lancement d'un gyroscope, l'application d'un couple d'entraînement à la toupie dépointée peut provoquer sa mise en butée de limitation de débattement angulaire et l'apparition de mouvements indésirables, parmi lesquels des oscillations de nutation; celles-ci doivent être amorties le plus rapidement possible pour que le gyroscope soit opérationnel. Des réalisations antérieures ont montré que la nutation pouvait être amortie après que la toupie ait atteint sa vitesse nominale, par exemple grâce à l'utilisation d'une cavité torique partiellement remplie de mercure. Cependant, afin de réduire le délai de mise en oeuvre du gyroscope, on a cherché à amortir les oscillations de nutation pendant la phase de lancement de la toupie. Il a été proposé de réduire le couple d'entraînement lors du démarrage en décalant les instants d'application des courants statoriques par rapport aux maxima des forces contre-électromotrices, ceci afin de diminuer les couples transverses de dépointage, donc l'excitation de la nutation. I1 a également été proposé de court-circuiter les enroulements du générateur de couple de précession afin que les courants induits, qui ont tendance à s'opposer aux causes qui les produisent, génèrent des couples de recentrage de la toupie. Ces deux techniques ont bien sûr été utilisées conjointement pour accroître l'efficacité de l'amortissement. Cependant, on constate que, même dans ce dernier cas, la toupie atteint sa vitesse nominale avant que la nutation soit complètement amortie. Le but de l'invention est d'amortir efficacement les mouvements parasites avant que la toupie atteigne sa vitesse nominale, de façon à réduire le plus possible le délai de mise en oeuvre du gyroscope. L'inventior, atteint son but grâce à un dispositif pour l'amortissement des mouvements parasites provoqués par le démarrage de la toupie d'un gyroscope à deux degrés de liberté angulaire comportant un générateur de couple de précession et une toupie entraînée par un moteur électrique, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens produisant un signal d'erreur représentatif du dépointage de la toupie et des moyens de filtrage du signal d'erreur appliquant le signal résultant, pendant la phase de lancement, au générateur de couple de précession, pour former une boucle d'asservissement tendant à annuler le signal d'erreur. Le générateur de couple de précession peut avantageusement être constitué par un bobinage coaxial avec l'axe de rotation de la toupie du gyroscope dans sa position canonique (dépointage nul). Selon une caractéristique de l'invention, la boucle d'asservissement comporte un filtre actif du deuxième ordre, de gain supérieur à l'unité. Les moyens produisant le signal d'erreur peuvent comporter un bobinage coaxial avec l'axe de rotation de la toupie du gyroscope dans sa position canonique, ou être constitués par un circuit produisant un signal d'erreur proportionnel à la force contre-électromotrice efcm engendrée par l'induit du générateur de couple de précession et calculée à partir de la loi d'Ohm efcm = U-rI-LwI. Selon une autre caractéristique de l'invention, le dispositif peut comporter des moyens qui annulent le dépointage de la toupie avant son lancement, par application de courants statoriques qui exercent sur la toupie des couples de rappel s'opposant au dépointage. Le dispositif peut comporter de plus des moyens pour repérer l'orientation des pôles magnétiques de la toupie de façon à alimenter les induits statoriques avec des courants de polarité telle que cela crée dans chaque induit un champ attractif pour le pôle magnétique le plus proche, de façon à minimiser la rotation de la toupie lors de l'annulation du dépointage. La durée de la phase d'annulation du dépointage peut être fixée arbitrairement, ou asservie à un seuil de dépointage minimum de la toupie. Les induits peuvent être alimentés par des courants continus dont la polarité dépend de l'orientation de la toupie. L'alimentation des induits statoriques peut également se faire, pendant une durée fixée arbitrairement ou asservie à un seuil de dépointage de la toupie, par des courants dont l'amplitude et la phase sont déterminées par un asservissement de zéro utilisant des capteurs d'orientation de la toupie. Les capteurs d'orientation peuvent avantageusement être constitués par des capteurs à effet Hall. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description suivante d'un mode de réalisation non limitatif et au vu du dessin annexé sur lequel: - La figure 1 est une vue schématique d'un gyroscope à deux degrés de liberté angulaire vis-à-vis d'un bâti porteur; - la figure 2 représente le schéma électronique d'un exemple de réalisation d'une boucle d'asservissement du générateur de couple de précession tendant à annuler le dépointage de la toupie; - la figure 3 est un vue de dessus schématique d'un gyroscope montrant une toupie aimantée et les induits statoriques d'un moteur d'entraînement à deux paires de pôles; - la figure 4 représente le schéma électronique d'un exemple de réalisation d'un circuit de commande des induits statoriques visant à l'annulation du dépointage avant le lancement du gyroscope. Sur la figure 1 on a représenté de façon schématique un gyroscope 1 à deux degrés de liberté angulaire vis-à- vis d'un bâti -porteur 2. Le gyroscope 1 comporte une toupie aimantée 3 entraînée par un moteur électrique 4 à deux paires de pôles, non représenté sur cette figure. La toupie 3 est montée, par l'intermédiaire d'une liaison pivot d'axe (xx') perpendiculaire à l'axe de rotation de la toupie, dans un anneau de cardan intérieur 5. Le cadre intérieur 5 est monté, par l'intermédiaire d'une liaison pivot d'axe (yy') perpendiculaire à l'axe (xx'), dans le bâti 2. Le dépointage de la toupie 3 est nul (le gyroscope est dit être en position canonique) lorsque son axe de rotation est perpendiculaire au plan des anneaux de cardan. L'axe de rotation est alors confondu avec un axe (zz'). Dans le mode de réalisation décrit, le moteur 4 comporte deux paires d'induits 6-6' et 7-7', disposés perpendiculairement entre eux et visibles en vue de dessus sur la figure 3. Sur la figure 3, on a représenté schématiquement en pointillés un bobinage 8 d'axe (zz'), qui sert de générateur de couple de précession. Le bobinage 8 est habituellement associé à un circuit de commande 16, représenté schématiquement sur la figure 2, dont les caractéristiques dépendent de l'utilisation qui est faite du gyroscope. Etant donné que les caractéristiques du couple exercé par le bobinage 8 sur la toupie 3 dépendent de l'orientation des éléments magnétiques de celle-ci, le circuit de commande 16 doit être associé à des capteurs 9 d'orientation de la toupie 3. Les mouvements parasites provoqués par le démarrage de la toupie, qui se traduisent principalement par des oscillations de nutation, sont amortis grâce à une boucle d'asservissement dont on a montré un exemple de réalisation sur la figure 2. La référence 10 désigne un bobinage d'axe de symétrie (zz') qui produit un signal d'erreur représentatif du dépointage de la toupie. Le bobinage 10 est traversé par un flux magnétique constant en l'absence de dépointage. La tension recueillie à ses bornes est alors nulle. Par contre, lorsque la toupie aimantée 3 est inclinée sur l'axe (zz'), le bobinage 10 est traversé par un flux magnétique variable d'amplitude proportionnelle au sinus de l'angle de dépointage de la toupie. Le bobinage 10 agit donc comme un capteur mesurant l'inclinaison de l'axe de rotation de la toupie sur l'axe (zz') et fournit un signal d'erreur représentatif du dépointage. On pourrait également concevoir un circuit produisant un signal d'erreur proportionnel à la force contre-électromotrice efcm engendrée par l'induit du générateur de couple de précession et calculée à partir de la loi d'Ohm efcm = U-rI-LwI. I1 convient d'amplifier ce signal avant de l'appliquer au générateur de couple de précession 8. Afin de limiter les instabilités 'de la boucle d'asservissement aux fréquences élevées, l'amplificateur du signal fourni par le capteur mesurant le dépointage peut avantageusement être précédé ou suivi d'un filtre passe-bas. Le circuit 11 présenté sur la figure 2 est un filtre actif du deuxième ordre, de gain supérieur à l'unité. Le signal provenant du capteur 10 mesurant le dépointage est appliqué, à travers un ensemble de deux résistances R1 et R3 montées en série, à l'entrée inverseuse d'un amplificateur opérationnel 17. La sortie de l'amplificateur 17 est reliée, d'une part, directement à l'entrée inverseuse par un condensateur C2 et d'autre part, au point commum au deux résistances R1 et R3 par une résistance de contre-réaction R2. Au point commun au deux résistances R1 et R3 est relié un condensateur C1 mis à la masse. Un gain supérieur à l'unité, et par conséquent l'amplification du signal, est assuré en prenant R2 de valeur supérieure à R1. L'entrée non inverseuse de l'amplificateur opérationnel 17 est connectée à la masse du circuit. La sortie de l'amplificateur opérationnel 17 est dirigée, à travers un interrupteur électronique 12, vers un étage amplificateur de puissance 13 qui commande le générateur de couple de précession 8. L'interrupteur 12 est commandé par un circuit temporisateur 15, qui délivre un signal actif pendant une durée déterminée par l'expérience ou asservie à un seuil minimal de dépointage. L'interrupteur 12 bascule le signal de sortie de l'amplificateur opérationnel 17 sur l'entrée de l'étage amplificateur 13 tant que le signal de commande du temporisateur 15 est actif. Ensuite, l'interrupteur 12 commute l'entrée de l'étage de puissance sur le système de commande 16 du générateur de couple de précession 8 utilisé lorsque la toupie a atteint sa vitesse nominale. Afin d'améliorer encore l'efficacité de l'amortissement, le dispositif selon l'invention peut également comporter des moyens visant à réduire fortement le dépointage de la toupie avant le démarrage. I1 en résulte une efficacité accrue de l'amortissement des oscillations de nutation car, dans un tel cas, celles-ci ne sont que faiblement excités. Par ailleurs, le couple d'entraînement du rotor étant maximum lorsque le dépointage est quasi-nul, le temps de montée en vitesse est réduit. Selon le mode de réalisation décrit, le dépointage est annulé en faisant passer un courant continu simultanément dans tous les induits statoriques du moteur d'entraînement 4. Sur la figure 3 on a représenté en vue de dessus une toupie aimantée 3 à deux pôles et les induits statoriques 6,6',7,7' du moteur d'entraînement. Si l'on alimente les induits 6,6',7,7' par un courant continu, on crée un champ magnétique qui a pour effet d'exercer sur la toupie un couple de rappel tendant à s'opposer au dépointage. En effet, la toupie évolue pour se placer dans une configuration où la réluctance du circuit est minimale, c'est à dire lorsque l'aimant de la toupie est aligné avec les lignes de champ maximales crées par les induits statoriques 6,6',7,7', et qui se situent dans un plan perpendiculaire à l'axe (zz'): le dépointage de la toupie est alors quasi-nul. L'alignement de l'aimant sur les lignes de champ s'accompagne d'un mouvement de rotation autour de l'axe (zz') et dont il convient de réduire l'amplitude afin d'en limiter la durée; il faut donc appliquer les courants statoriques de façon à ce que les lignes de champ aient une orientation proche de l'orientation de l'aimant de la toupie. On a représenté sur la figure 3 par un trait pointillé l'orientation, supposée quelconque, de l'aimant de la toupie avant l'application des courants statoriques. On voit que la rotation de l'aimant sera minimale si l'on alimente les induits statoriques 6' et 7' avec une polarité telle que les induits se comportent comme des aimants ayant le pôle Sud tourné vers la toupie et les induits 6 et 7 comme des aimants ayant le pôle Nord tourné vers la toupie. Un schéma électronique visant à minimiser la durée de l'alignement est représenté sur la figure 4. Des signaux ayant une polarité représentative de l'orientation de l'aimant de la toupie sur les axes (xx') et (yy') sont délivrés respectivement par des capteurs 18 et 19. Le signal issu du capteur 18 a une polarité qui dépend de l'orientation de l'axe Nord-Sud de l'aimant de la toupie par rapport à l'axe orienté (xx'). Ce signal est appliqué à l'entrée d'un comparateur 20 qui délivre un signal capable d'attaquer l'étage d'entrée d'un amplificateur de puissance 24 de commande des induits 6,6' du moteur d'entraînement 4. De façon semblable, la polarité du signal issu du capteur 19 détermine la polarité du courant appliqué aux induits 7 et 7'. Un temporisateur 23 associé à un interrupteur électronique 22 contrôle la durée pendant laquelle le courant issu des comparateurs 20 et 21 est appliqué à l'entrée de l'étage amplificateur 24. Le temporisateur 23 peut délivrer le signal de commande de l'interrupteur 22 pendant une durée prédéterminée ou asservie à un seuil de dépointage minimal de la toupie. On peut également concevoir, sans sortir du cadre de l'invention, un asservissement de zéro à partir non seulement de la polarité du signal issu des capteurs d'orientation, mais de leur amplitude. Dans ce cas, le délai pour amener la toupie en position canonique se trouve encore réduit. REVENDICATIONS 1. Dispositif pour l'amortissement des mouvements parasites provoqués par le démarrage de la toupie (3) d'un gyroscope à deux degrés de liberté angulaire comportant un générateur de couple de précession (8) et une toupie entraînée par un moteur électrique (4), caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (10) produisant un signal d'erreur représentatif du dépointage de la toupie et des moyens de filtrage du signal d'erreur appliquant le signal résultant, pendant la phase de lancement, au générateur de couple de précession (8), pour former une boucle d'asservissement tendant à annuler le signal d'erreur. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de filtrage du signal d'erreur appliquant le signal résultant au générateur de couple de précession (8) comportent un filtre actif (11) du deuxième ordre, de gain supérieur à l'unité. 3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il est appliqué à un gyroscope comportant une toupie aimantée entraînée par un moteur électrique de type synchrone et un générateur de couple de précession (8) constitué par un bobinage coaxial avec l'axe de rotation de la toupie du gyroscope dans sa position canonique (dépointage nul de la toupie). 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens produisant un signal d'erreur représentatif du dépointage de la toupie comportent un bobinage (10) coaxial avec l'axe de rotation de la toupie du gyroscope en position canonique. 5. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens produisant un signal d'erreur représentatif du dépointage de la toupie sont constitués par un circuit produisant un signal d'erreur proportionnel à la force contre-électromotrice efcm engendrée par le bobinage (8) et calculéé à partir de la loi d'Ohm efcm = U-rI-LwI. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte de plus des moyens qui annulent le dépointage de la toupie avant son lancement, par application de courants statoriques qui exercent sur la toupie des couples de rappel s'opposant au dépointage. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte de plus des moyens qui annulent le dépointage de la toupie avant son lancement, par application de courants statoriques qui exercent sur la toupie des couples de rappel s'opposant au dépointage et des moyens pour repérer l'orientation des pôles magnétiques de la toupie de façon à alimenter les induits statoriques avec des courants tels que cela crée dans chaque induit un champ attractif pour le pôle magnétique le plus proche, de façon à minimiser la rotation de la toupie lors de l'annulation du dépointage. 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que les induits sont alimentés par des courants dont l'amplitude et la phase sont déterminées par un asservissement de zéro utilisant des capteurs d'orientation de la toupie. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 6 à 8 caractérisé en ce que la durée de la phase d'annulation du dépointage est fixée arbitrairement. 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 6 à 8 caractérisé en ce que la durée de la phase d'annulation du dépointage est asservie à un seuil de dépointage minimum de la toupie.