Brevet FR2815706A1 — publié le 20020426

Etat de la technique La présente invention concerne un procédé de compensa- tion d'une dérive de décalage d'un capteur angulaire dont l'élément de capteur détecte un générateur monté sur un arbre et l'élément de capteur fournit un signal en forme de sinus et de cosinus à une unité d'exploitation en fonction de l'angle de rotation de l'arbre, cette unité d'exploitation déterminant l'angle de rotation à partir des signaux reçus de préférence en formant une fonction arc tangente. On connaît déjà des procédés de mesure électrique d'un angle de rotation. Pour cela on utilise des procédés de mesure exploitant des signaux en sinus et cosinus d'un capteur. On utilise par exemple des capteurs magnéto-résistants tels que des capteurs AMR ou GMR (capteurs à magnéto-résistance anisotrope, capteurs à résistance magnétique géante) qui fournissent chaque fois un signal en sinus et en cosinus par l'intermédiaire de deux ponts complets. Pour une conversion correcte en une fonction angulaire, il faut que les amplitudes des signaux en sinus et cosinus soient égales et ne présentent pas de décalage. Alors que l'on peut avoir une même amplitude par des mesures constructives, on ne peut prévoir ou prédéterminer des valeurs de décalage produites notamment par une influence de température une sollicitation permanente. Il en résulte qu'au cours de la durée d'utilisation d'un tel capteur angulaire, la précision varie considérablement et même à un point tel qu'il devient inutilisable. Dans son application la détermination de l'angle de rotation par exemple dans un véhicule automobile, il faut satisfaire à des conditions très strictes de précision et de stabilité pendant toute la durée de vie. Avantages de l'invention La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients et concerne à cet effet un procédé du type défini ci-dessus caractérisé en ce que l'unité d'exploitation présente un algorithme avec lequel, à partir des valeurs sinus et cosinus mesurées ou des valeurs déduites de celles-ci, on détermine une valeur de décalage et ainsi les signaux de capteur en fonction de la température et/ou du temps et on corrige ainsi l'angle de rotation. Le procédé selon l'invention de compensation d'une dérive de décalage d'un capteur d'angle présente l'avantage par rapport à l'état de la technique que pour la détermination de l'angle on tient toujours compte en correction, d'une valeur de décalage produite. La mesure angulaire devient plus fiable et reste constante dans une plage de précision de sorte que par exemple elle permet d'exécuter des opérations de commande. Suivant une autre caractéristique particulièrement avantageuse, les valeurs de décalage se déterminent dans un intervalle de températures données. En particulier pour les températures caractéristiques d'un véhicule, on obtient ainsi une détermination du décalage dépendant de la température, fournissant toujours des résultats de mesure de même valeur indépendamment de la température ambiante ou de la température du moteur. Il est particulièrement avantageux de déterminer les coefficients de décalage ou de températures pour au moins deux températures données pour permettre de calculer simplement les valeurs intermédiaires en procédant par interpolation. De plus, les moyens à mettre à oeuvre pour le contrôle en vue du calibrage sont réduits. Il est également avantageux que l'algorithme du décalage puisse se déterminer par des coefficients de températures non linéaires. Par exemple on peut également décrire le coefficient de température par un polynôme du troisième ordre. Ce polynôme donne une bonne approximation du comportement en température d'un capteur Pour avoir un accès simple à des valeurs de décalage correspondantes, on enregistre les valeurs de décalage de préférence dans un tableau. Les valeurs intermédiaires s'obtiennent avantageusement en procédant par une simple interpolation. Il est en outre particulièrement avantageux que notamment le comportement à long terme pendant le fonctionnement du capteur d'angle puisse se déterminer en faisant une simple moyenne des valeurs de décalage. La détermination d'au moins l'un des deux décalages de pont (COS, SIN) pendant le fonctionnement est toujours possible si l'angle électrique parcourt une plaque d'au moins 1800. Il suffit par exemple dans le cas de capteurs AMR pour lesquels l'angle électrique est le double de l'angle mécanique, d'utiliser une plage angulaire mécanique d'au moins 0 9ovo. 9 Pour enregistrer et former la moyenne des valeurs de décalage obtenues, on peut adapter progressivement le décalage à corriger pour éviter des fonctions de variation brusques. Cela augmente la sécurité de la mesure. Les applications préférentielles correspondent à des capteurs utilisés en principe optique. En variante, on peut également utiliser des valeurs de décalage obtenues par des capteurs magnéto-résistants et corrigées en conséquence. Il est en outre avantageux de surveiller la précision de la mesure du capteur angulaire à l'aide d'une fonction de diagnostic. Cela permet d'afficher plus facilement les fonctions d'erreur. En particulier lorsqu'on dépasse une valeur limite prédéterminée pour le décalage on peut émettre un signal d'alarme pour que les installations électroniques réagissent de manière correspondante. L'application du procédé à un capteur angulaire d'un véhicule automobile et en particulier à une colonne de direction est particulièrement avantageuse car, pour cela, les exigences de précision et de fiabilité relatives à l'installation de mesure sont particulièrement élevées. Dessins La présente invention sera décrite ci-après à l'aide d'un exemple de réalisation représenté schématiquement dans les dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 montre un capteur angulaire appliqué à un arbre rotatif, - la figure 2 montre un tableau, - la figure 3 montre un diagramme avec des signaux d'angle, - la figure 4 montre un autre tableau, - la figure 5 montre des diagrammes avec des courbes de décalage, - la figure 6 montre un diagramme de décalage avec une dérive en longue durée. Description de l'exemple de réalisation La figure 1 montre un capteur angulaire 1 installé à un endroit approprié d'un arbre 3. L'arbre 3 est par exemple la colonne de direction d'un véhicule automobile. En variante il est prévu d'installer le capteur angulaire 1 à l'extrémité de l'arbre 3. Le capteur angulaire 1 se compose principalement d'un générateur 2 par exemple en forme d'anneau et comportant un ou plusieurs repères. Ces repères peuvent être des repères optiques, inductifs et magnétiques ou autres. De plus il est prévu un capteur 5 qui par sa disposition et sa réalisation, détecte les repères du générateur 2 et fournit des signaux électriques correspondants à une unité d'exploitation 10 installés de préférence sur le même circuit imprimé 4 que lui. Pour réduire l'encombrement, la plaque de circuit imprimé 4 comporte une cavité 8 dans laquelle pénètre en partie le générateur 2. Un mode de réalisation préférentiel comprend un générateur aimanté 2 détecté par un capteur magnéto-résistant 5. Le capteur 5 est par exemple un élément AMR ou GMR ; par sa construction, il fournit à ses sorties séparées, un signal en sinus ou cosinus en fonction de l'angle de rotation de l'arbre 3. Selon une variante, le générateur 2 est prévu à l'extrémité de l'arbre 3 et ce générateur est par exemple un cylindre aimanté plat ou un aimant parallélépipédique. Le principe de la réalisation du capteur 5 et de la mesure angulaire est connu en soi. Le capteur 5 comporte essentiellement deux ponts complets AMR tournés à 45 ; en variante ils comportent deux ponts complets GMR tournés à 90 ; ces ponts fournissent des signaux en cosinus ou sinus. La détermination angulaire se fait par une opération arc tangente appliquant le signal sinus et le signal cosinus. La description plus détaillée du fonctionnement de ce dispositif sera faite à l'aide des figures suivantes. Pour une détermination précise de l'angle, il faut que les signaux sinus et cosinus possèdent la même amplitude et ne présentent pas de dérive. Cela est une condition qu'il faut satisfaire notamment par exemple dans le domaine des plages de température des véhicules automobiles. Mais l'expérience a montré que l'on rencontre une dérive à la fois avec une température croissante et en fonction du vieillissement des capteurs 5 (dérive à long terme). Cela aboutit le cas échéant à une forte détérioration de la précision de mesure d'un capteur 5 équilibré à la température ambiante, au cours du temps de mise en oeuvre et notamment aux fortes températures. La partie supérieure du tableau de la figure 2 montre une formule pour le calcul des tensions du signal en sinus et cosinus en tenant compte des dérives en fonction de la température TCVder et de la dérive LTDder engendrée par une sollicitation permanente. La partie inférieure du tableau de la figure 2 montre quelques paramètres que l'on peut mesurer à l'aide des capteurs habituels. La figure 3 montre de manière détaillée comment les signaux en sinus et cosinus peuvent varier en fonction de la température. Dans la partie gauche de la figure 3, on a représenté en trait interrompus le signal sinus et cosinus à la température ambiante ; ce signal est représenté en trait plein pour des températures plus élevées. On a utilisé un générateur aimanté et ayant une grande surface de manière à ce qu'une excursion complète en sinus (période) corresponde à un angle de rotation de 1800. Pour une rotation totale on a ainsi deux périodes. Dans ce cas il n'y a pas de dérive. Les deux diagrammes au milieu de la figure 2 montrent au contraire les courbes en sinus et cosinus avec une dérive positive et une dérive négative. Dans le diagramme à droite on a représenté les erreurs d'angle qui en résultent. La figure 4 montre un autre tableau reproduisant le comportement en dérive à long terme. Dans la partie gauche du tableau on a représenté les valeurs initiales. L'erreur angulaire est ici de 1, 3 . Les deux tableaux de la partie droite de la figure 4 montrent au contraire une erreur angulaire de 2, 9 ou + 3, 6 après une charge permanente pendant 5000 heures. Ces considérations ont été appliquées à une température de fonctionnement de 150 . La figure 5 montre trois autres diagrammes avec des courbes de décalage qui ont été obtenues pour un intervalle de températures de-50 C à +150 C. Le diagramme gauche de la figure 5 en traits-points, montre les valeurs de mesure pour le décalage du premier pont du capteur 5 (pont en cosinus) et à titre de comparaison le diagramme médian correspond au second pont (pont en sinus) du même capteur 5. Les courbes en trait plein ont été calculées par comparaison (Fit) et représentent une fonction d'approximation obtenue par un polynôme du troisième ordre. Le diagramme à droite de la figure 5 montre l'erreur de l'angle de mesure (Erreur ), résultant de la formation de la fonction Arc tangente à partir des signaux sinus et cosinus, leur décalage ayant été éliminé dans une très large mesure par des fonctions d'approximation polynomiales. Les courbes présentées ont été mesurées à titre d'exemple et la courbe de décalage non linéaire du pont en cosinus (diagramme à gauche) et le pont en sinus (diagramme central) d'un seul capteur 5 ont été choisis à titre d'exemple et pour une plage de température habituelle pour un véhicule automobile comprise entre-50 C et +150 C. Comme le montrent les courbes en trait plein, le coefficient de température non linéaire c'est-à-dire le décalage peut se décrire de manière relativement correcte par le polynôme du troisième ordre et ainsi corriger efficacement l'angle de rotation mesuré. Comme le montre le diagramme de droite, l'erreur angulaire résultante est encore très faible. Pour le calcul (Fit) il suffit d'utiliser au moins 2 et de préférence 3-4 valeurs d'appui. Chaque capteur est à cet effet chauffé à des températures déterminant des décalages et on calcule la fonction d'approximation. Le résultat est enregistré de préférence dans un tableau ce qui le rend facilement accessible. Cela se fait dans un mode de calibrage après la fabrication du capteur. Au cours du fonctionnement ultérieur, la résistance des éléments AMR, en forme de pont, servent de capteurs de température supplémentaires. Sa courbe de température est suffisamment linéaire et reproductible pour qu'avec l'élément AMR lui-même on puisse mesurer directement la température. Dans la fabrication ou le montage du capteur il faut déterminer les coefficients de température de décalage de chaque capteur car on ne peut prévoir la courbe précise de décalage. Pour déterminer les valeurs d'appui pour le calcul Fit, on tourne le capteur pour les températures réglées par exemple un aimant de référence. Le décalage respectif peut alors se calculer par l'adaptation des signaux sinus et cosinus enregistrés ou en formant une valeur moyenne. En variante des aimants de référence, que l'on a tournés, on peut utiliser un électroaimant pour prédéterminer la direction. La figure 6 montre schématiquement le développement dans le temps du décalage pour un stockage à haute température ; à des intervalles de temps prédéterminés, on effectue alors des mesures intermédiaires. L'axe gauche du diagramme montre la dérive de décalage alors que l'axe droit représente l'erreur angulaire résultante à la température ambiante (25 C) ou à 150 C. Les deux courbes représentées se distinguent en ce que pour la courbe en pointillés il n'y a pas de précontrainte thermique. La courbe en trait plein représente au contraire le décalage après une sollicitation en température (combustion) qui a précédé la charge permanente. L'expérience montre que le comportement de chaque capteur est différent de sorte que l'on ne peut faire une prévision précise de la dérive de décalage produite. Pour néanmoins corriger la dérive de décalage à long terme, l'invention propose un procédé de correction suivant : au cours d'une opération de guidage à partir des amplitudes du signal on détermine le décalage en formant une valeur moyenne. Si, utilisant un capteur AMR, l'angle de direction correspond à au moins 90 c'est-à-dire l'angle électronique correspond à deux fois l'angle mécanique c'est-à-dire 180 , on peut calculer au moins l'un des deux décalages de pont en formant une valeur moyenne car les deux ponts du capteur AMR sont l'un par rapport à l'autre dans un angle de 45 . Le décalage ainsi obtenu est enregistré et corrigé progressivement. Cette correction progressive, réalisée par exemple dans un circuit sous la forme d'un filtre passe-barre, évite des variations brutales du décalage. De telles variations brutales se produiraient nécessairement car les déviations entre la température de décalage et la température calculée (évitée) ne peuvent se distinguer des dérives de décalage à long terme. Un autre point de vue important de l'invention est que la valeur de décalage ou la valeur angulaire obtenue est surveillée par une fonction de diagnostic. En cas de dépassement d'une limité prédéterminée, on peut alors émettre un signal de défaut correspondant. L'introduction d'une fonction de diagnostic est importante car pour l'algorithme Cordic, utilisé usuellement pour le calcul de la fonction arc tangente, on calcule automatiquement la somme des carrés et signaux sinus et cosinus. Cette valeur devrait être constante par l'application de la relation mathématique connue sin2 (p + cos2cp = 1. En fait suivant la valeur des coefficients de température, cette valeur des amplitudes du signal et du décalage se déplace dans une certaine plage et fournit ainsi une relation entre un angle d'erreur et la durée d'utilisation du capteur. Pour une compensation de température après la fabrication du capteur on enregistre la plage des valeurs de ce coefficient de diagnostic. L'erreur angulaire maximale tolérée se convertit en une valeur de diagnostic maximale. Dès qu'au cours du fonctionnement ultérieur du capteur cette valeur se rapproche d'une valeur limite prédéterminée ou dépasse la valeur au cours de la durée vie, on émet le signal évoqué ci-dessus. Cela permet de détecter à la fois des dérives à long terme trop importantes ou des variations erronées pour des éléments de capteur. REVENDICATIONS 1 ) Procédé de compensation d'une dérive de décalage d'un capteur d'angle (1) dont l'élément de capteur (5) détecte un générateur (2) monté sur un arbre (3) et l'élément de capteur (3) fournit un signal en forme de sinus et de cosinus à une unité d'exploitation (10) en fonction de l'angle de rotation de l'arbre (3), cette unité d'exploitation déterminant l'angle de rotation à partir des signaux reçus de préférence en formant une fonction arc tangente, caractérisé en ce que l'unité d'exploitation (10) présente un algorithme avec lequel, à partir des valeurs sinus et cosinus mesurées ou des valeurs déduites de celles-ci, on détermine une valeur de décalage et ainsi les signaux de capteur en fonction de la température et/ou du temps et on corrige ainsi l'angle de rotation. 2 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les valeurs de décalage sont déterminées dans un intervalle de températures prédéterminé. 3 ) Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu' on prédétermine l'intervalle de température pour les températures caractéristiques d'un véhicule automobile. 4 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' on détermine les valeurs de décalage et/ou un coefficient de température dans une étape de calibrage par au moins deux étapes de températures prédéterminées. 5 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'algorithme a un coefficient de température non linéaire. 6 ) Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que le coefficient de température non linéaire est décrit par un polynôme du troisième ordre. 7 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les valeurs de décalage déterminées sont enregistrées dans un tableau. 8 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' on détermine les valeurs intermédiaires du décalage en procédant par interpolation. 9 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' en fonctionnement du capteur angulaire, par des répétitions de mesures angulaires, on calcule une valeur de décalage à long terme en formant une valeur moyenne et le calcul du décalage à long terme se fait par dépassement d'un angle de rotation de 90 . 10 ) Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce qu' on enregistre la valeur de décalage moyenne et on l'utilise progressivement pour la correction. 11 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' on effectue les corrections de décalage d'un capteur (5) et/ou d'un générateur (2) travaillant selon un principe optique. 12 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' on effectue les corrections de décalage sur un capteur (5) et/ou un générateur (2) fonctionnant selon le principe magnéto-résistant. 13 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' à l'aide d'une fonction de diagnostic, on émet un dépassement d'une limite de décalage prédéterminé. 14 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le capteur angulaire (1) est monté sur la colonne de direction (3) d'un véhicule automobile.