Brevet FR2861458A1 — publié le 20050429

Système de mesure de rotation haute résolution, et roulement équipé d'un tel système. La présente invention concerne le domaine des capteurs de rotation capables de fournir un signal représentatif des paramètres de rotation d'une pièce tournante, notamment les capteurs dits incrémentaux dont un signal indique un déplacement en rotation d'un incrément angulaire déterminé. On connaît des systèmes de mesure à interpolateur capables de déterminer la position dans un tour d'une pièce comprenant un codeur magnétique annulaire portant un aimant muni de pôles de polarité opposées qui sont diamétralement opposés sur le codeur, et des premier et second capteurs magnétiques. Les capteurs mesurent un champ variant de façon sinusoïdal et décrivant une sinusoïde lorsque le codeur ' effectue un tour complet, et émettent des signaux correspondants. Les capteurs sont décalés angulairement de 90 et émettent des signaux en quadrature, correspondant à un sinus et un cosinus. Un interpolateur applique la fonction trigonométrique arctangente au rapport du sinus sur le cosinus pour déterminer la position du codeur dans un tour et délivre une impulsion à chaque fois que le codeur se déplace d'une fraction de tour déterminée ou incrément, qui dépend du taux d'interpolation spécifié, c'est-à-dire du nombre d'impulsions par tour. L'interpolateur permet d'obtenir un signal incrémentai de fréquence augmentée par rapport au signal sinusoïdal de mesure dont la période correspond à un tour de codeur. Néanmoins, la précision de la mesure de position dépend de façon importante du profil magnétique du codeur magnétique, des signaux de mesure des capteurs, et de la précision du guidage en rotation du codeur. En outre, la précision du signal incrémentai varie comme une fonction inverse du taux d'interpolation. En d'autres termes, plus le taux d'interpolation est important, plus la précision du signal incrémentai diminue. Un but de l'invention est de proposer un système de mesure de rotation permettant de remédier à ces inconvénients et d'obtenir une précision de mesure améliorée, tout en conservant la simplicité du système et en facilitant l'utilisation d'un interpolateur incrémentai. Un tel système de mesure de rotation comprend un codeur magnétique annulaire tournant portant une pluralité d'éléments de codage agencés circonférentiellement de façon périodique sur le codeur, en formant un nombre entier de périodes sur ladite circonférence du codeur, ledit nombre de périodes étant supérieur ou égal à 2, et un ensemble capteur non tournant magnétique. Selon un aspect de l'invention, l'ensemble capteur comprend au moins un premier groupe de capteurs et un second groupe de capteurs, les capteurs d'un groupe étant situés en regard des éléments de codage en étant décalés angulairement les uns relativement aux autres d'un nombre entier de périodes, de façon que les capteurs d'un même groupe émettent des signaux de mesures identiques lors de la rotation du codeur, les capteurs de l'autre groupe de capteurs étant décalés angulairement d'un nombre de périodes non entier relativement aux capteurs du premier groupe. Les éléments de codage sont de préférence régulièrement espacés de façon que les capteurs émettent des signaux de mesure sinusoïdaux. Un groupe de capteurs disposés à différents endroits circonférentiellement d'un codeur périodique, mais mesurant une même grandeur simultanément, permet d'utiliser les mesures des différents capteurs pour compenser des dispersions de fabrication du codeur et/ou de l'ensemble capteur, des défauts de géométrie du codeur et/ou de l'ensemble capteur, ou des défauts de coaxialité dans leur guidage en rotation. La précision des mesures est améliorée. Les deux groupes de capteurs décalés d'un nombre non entier de périodes du codeur permet d'obtenir des signaux de mesure en décalage en fonction de la rotation du codeur. La comparaison des signaux décalés permet d'augmenter la précision de mesures de rotation du codeur, par exemple à l'aide d'un interpolateur notamment un interpolateur incrémental. En outre, compte tenu de la périodicité du codeur, un interpolateur réalise une interpolation du déplacement du codeur non pas sur un tour de codeur, mais sur chaque fraction de tour correspondant à une période du codeur. Par conséquent, on peut conserver un nombre d'impulsions d'incrémentation par tour, tout en diminuant un taux d'interpolation. Le taux d'interpolation peut en fait être divisé par le nombre de périodes du codeur. La précision d'un signal incrémental est améliorée. Comme le codeur comporte un nombre augmenté de pôles magnétiques, le champ magnétique perçu par les capteurs à partir de chaque pôle est plus faible, mais, quel que soit le profil magnétique des pôles, plus la distance entre les pôles et les capteurs est importante, plus un signal perçu par les capteurs correspond à une sinusoïde, ce qui améliore la précision des mesures dans le cas d'un interpolateur basé sur des fonctions sinusoïdales. Le second groupe peut avantageusement être décalé du premier groupe d'un quart de période pour obtenir des signaux de mesure en 20 quadrature. Un groupe de capteurs comprenant deux capteurs diamétralement opposés permet de corriger efficacement des défauts de coaxialité ou de guidage en rotation. Le système peut comprendre des moyens de traitement aptes à additionner les signaux de mesure provenant des capteurs d'un même groupe en un signal résultant servant d'entrée à une unité de traitement, et éventuellement à réaliser une moyenne à partir de signaux fournis par les capteurs d'un même groupe. Pour ce faire, les capteurs d'un même groupe peuvent être reliés à une entrée d'une unité de traitement en parallèle et par l'intermédiaire de résistances égales. Avantageusement, le système de mesure comprend une unité de traitement comportant un interpolateur recevant en entrée les signaux de mesure provenant d'au moins deux groupes de capteurs décalés, l'interpolateur étant apte à déterminer la position absolue du codeur entre deux positions décalées d'une fraction de tour correspondant à une période à partir de la comparaison des signaux de mesure des deux groupes décalés. Dans un mode de réalisation, les éléments de codage sont agencés régulièrement sur le codeur de façon que des groupes de capteurs décalés d'un quart de période émettent des signaux sinusoïdaux en quadrature, l'interpolateur étant adapté pour appliquer une fonction du type arctangente au rapport d'un signal résultant d'un groupe de capteurs sur celui de l'autre groupe de capteurs. Avantageusement, le système comprend un interpolateur du type incrémental qui délivre une impulsion à chaque fois que le codeur s'est déplacé d'un angle déterminé. On obtient ainsi un système de mesure incrémental fournissant un signal de mesure incrémental, une impulsion correspondant à une rotation du codeur d'un angle supplémentaire déterminé. Dans un mode de réalisation, le système comprend en outre un compteur électronique, recevant le signal incrémental et un signal de position absolue, lesdits signaux étant émis par l'interpolateur L'invention concerne également un roulement instrumenté comprenant une bague extérieure, une bague intérieure et au moins une rangée d'éléments roulants, et un système de mesure de rotation selon un aspect de l'invention. La présente invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description détaillée de quelques modes de réalisation pris à titre d'exemples nullement limitatifs et illustrés par les dessins annexés, sur lesquels: -la figure 1 est une vue en coupe axiale d'un palier à roulement équipé d'un système de mesure de rotation selon un aspect de 30 l'invention; -la figure 2 est une vue de face en élévation du codeur et de l'ensemble capteur d'un système de mesure selon un premier mode de réalisation; -la figure 3 est une vue en coupe axiale correspondant à la figure 2; -la figure 4 est une vue schématique d'une unité de traitement du système de mesure selon les figures 2 et 3; -la figure 5 est une vue schématique d'une unité de traitement du système de mesure selon les figures 2 et 3 munie d'un compteur électronique. Comme on peut le voir sur la figure 1, un palier à roulement 1 comprend une bague extérieure 2 pourvue d'un chemin de roulement 3, une bague intérieure 4 pourvue d'un chemin de roulement 5, une rangée d'éléments roulants 6, ici des billes, disposés entre les chemins de roulement 3 et 5, une cage 7 de maintien de l'espacement circonférentiel des éléments roulants 6, et un joint d'étanchéité 8 monté sur la bague extérieure 2 et venant en frottement avec une portée cylindrique 4a de la bague intérieure 4, tout en étant disposé radialement entre les deux bagues 2 et 4 et axialement entre la rangée d'éléments roulants 6 et l'une des surfaces latérales des bagues 2, 4. Le joint d'étanchéité 8 est monté dans une rainure annulaire 9 formée dans la bague extérieure 2, à proximité de sa surface latérale radiale 2a. Du côté opposé, la bague extérieure 2 est également pourvue d'une rainure 10, symétrique à la rainure 9, par rapport à un plan passant par le centre des éléments roulants 6.. Un bloc capteur, référencé 11 dans son ensemble, est monté sur la bague extérieure 2 du côté de la rainure 10. Le bloc capteur 11 comprend un support métallique 12, un capot métallique 13, et des éléments capteurs 14, dont un seul est visible sur la figure 1, noyés dans une partie centrale en matériau synthétique 15. Le support métallique 12, de forme générale annulaire, est accroché dans la rainure 10 et entoure radialement la partie centrale 15 et le capot métallique 13 qui présente une forme générale de disque. La partie centrale 15 est limitée radialement par le support 12 vers l'extérieur et présente un alésage 15a, de diamètre tel qu'il subsiste un espace radial suffisant pour le codeur qui sera décrit plus loin. Les éléments capteurs 14, solidaires de la partie centrale 15, affleurent l'alésage 15a. Une extrémité de la partie centrale 15, en saillie radiale vers l'extérieur, forme un terminal 19 de sortie de fil 20. Le terminal 19 passe par une échancrure formée dans le support 12. Le fil 20 est relié à un connecteur 21, apte à être relié à un connecteur complémentaire, non représenté, en vue de l'alimentation électrique et de la transmission d'informations. Le codeur 16 comprend un support 17 annulaire et une partie active 18. Le support 17 est de forme annulaire à section en T et comprend une portion radiale 17a, axialement en contact avec une surface frontale radiale 4b de la bague intérieure 4, du même côté que le bloc capteur 11, et une portion cylindrique 17b s'étendant à partir du bord extérieur de la portion radiale 17a, axialement des deux côtés, en étant emmanchée du côté de la bague intérieure 4 sur une portée cylindrique 4c de la bague intérieure 4. La portée 4c est, de préférence, symétrique de la portée 4a par rapport à un plan radial passant par le centre des éléments roulants 6. La partie active 18 du codeur 16 est de forme annulaire, de section généralement rectangulaire, disposée sur le pourtour extérieur de la portion cylindrique 17b. La partie active 18 s'étend axialement en direction des éléments roulants 6, au-delà de la portion radiale 17a, entre les bagues extérieure 2 et intérieure 4, sensiblement jusqu'au niveau de la rainure 10 de la bague extérieure 2. La partie active 18 s'étend jusqu'à proximité de l'alésage 15a de la partie centrale 15, avec lequel elle forme un entrefer radial. Lors de la rotation de la bague intérieure 4, par rapport à la bague extérieure 2, la partie active 18 du codeur 16 défile à rotation devant les éléments capteurs 14, qui sont capables de fournir en sortie un signal électrique. La partie active 18 du codeur 16 est une bague magnétisée multipolaire, par exemple en plastoferrite. Le codeur 16 et le bloc capteur 11 forment un ensemble de détection de paramètres de rotation. Le bloc capteur 11 comprend en outre un module électronique 22 noyé dans la partie centrale 15 et relié, d'une part, aux éléments capteurs 14 et, d'autre part, au connecteur 21 par l'intermédiaire du fil 20. Le module électronique 22 porte des moyens de traitement des signaux émis par les éléments capteurs. Sur les figures 2 et 3, où les références aux éléments semblables à ceux de la figure 1 ont été conservées, un codeur 16 comporte un support annulaire 17 portant sur sa périphérie extérieure une zone active constituée d'éléments de codages 23, ici sous la forme d'une alternance régulière de pôles magnétiques de polarités opposées, nord (N) et sud (S), sur la circonférence du codeur 16, formant ainsi un motif périodique constitué d'un pôle nord et d'un pôle sud , répété un nombre entier de fois lorsque l'on parcourt la circonférence du codeur, ici seize fois. Chaque motif périodique couvre donc une fraction de un seizième de tour correspondant à un angle de 22, 5 . Un ensemble capteur comprend une pluralité de capteurs disposés radialement en regard de la zone active du codeur 16. P'MsPrr'ntélecIpteur comprend deux groupes de capteurs. Chaque groupe de capteur comprend une pluralité de capteurs, ici quatre, décalés angulairement d'un nombre entier de périodes du codeur. Ainsi, lorsque le codeur défile devant les capteurs, les capteurs d'un même groupe voient simultanément le même motif est émettent des signaux identiques. Les capteurs d'un groupe de capteurs sont en revanche décalés angulairement d'un nombre non entier de périodes relativement aux capteurs de l'autre groupe. Les deux groupes sont ici décalés d'un quart de période. Compte tenu de l'alternance régulière de pôles nord et sud , les capteurs émettront des signaux sinusoïdaux en fonction de la position angulaire du codeur. Compte tenu du décalage d'un quart de période, les signaux des capteurs d'un groupe seront en quadrature avec les signaux des capteurs l'autre groupe. Compte tenu de la périodicité du codeur, les signaux des capteurs décriront une sinusoïde complète lorsque le codeur se déplacera d'une fraction de tour correspondant à la période du codeur et se répèteront ensuite pour chaque période ou fraction de tour. Plus précisément, le premier groupe de capteurs 24a, 24b, 24c, 24d comprend quatre capteurs répartis à équidistance sur la périphérie du codeur de sorte que les capteurs 24a, 24b, 24c, 24d sont décalés angulairement deux à deux de 90 . Le premier groupe de capteur comprend donc deux couples de capteur diamétralement opposés 24a, 24c et 24b, 24d les couples étant décalés de 90 . Les capteurs 25a, 25b, 25c, 25d du second groupe de capteurs sont répartis de façon similaire, en étant décalés de 39,375 dans le sens trigonométrique relativement aux capteurs 24a, 24b, 24c, 24d du premier groupe. Tel que représenté sur la figure 2, les capteurs 24a, 24b, 24c, 24d du premier groupe sont situés à cheval sur une zone de polarité nord et une zone de polarité sud , et les capteurs 25a, 25b, 25c, 25d du second groupe de capteurs sont au centre de zones de polarité sud , ce qui correspond bien à un décalage d'un quart de période. Sur la figure 3, le système de mesure comprend un module électronique 22 portant les capteurs, seuls deux 24a, 24c étant visibles sur la figure 3. Le module électronique 22 est illustré plus en détail sur la figure 4. Le module électronique 22 peut être réalisé sous la forme d'une carte de circuit imprimé supportant un ou plusieurs circuits intégrés et un ou plusieurs éléments discrets. Les sorties des capteurs 24a, 24b, 24c, 24d du premier groupe sont reliées en parallèle à une première entrée 27 d'une unité de traitement 28, chaque sortie étant reliée à l'entrée par l'intermédiaire d'une résistance 29. Les résistances 29 possèdent toutes la même valeur. De cette façon, les signaux de sortie des capteurs 24a, 24b, 24c, 24d sont additionnés en un premier signal résultant qui est la moyenne arithmétique des signaux de sortie des capteurs 24a, 24b, 24c, 24d du premier groupe. De même, les sorties des capteurs 25a, 25b, 25c, 25d du second groupe sont reliées en parallèle à une seconde entrée 30 de l'unité de traitement 28, chaque sortie étant relié à l'entrée 30 par l'intermédiaire d'une résistance 31, les résistances 31 possédant la même valeur que les résistances 29 associées au premier groupe de capteurs. Le second signal résultant de la seconde entrée est la moyenne arithmétique des signaux de sortie des capteurs du second groupe. L'unité de traitement 28 comprend un étage de filtrage 32, un étage convertisseur analogique/numérique 33, et un étage d'interpolation 34. Les étages sont montés en série. Les première et seconde entrées 27, 30 sont reliées à l'étage de filtrage 32. L'étage convertisseur 33 est monté en aval de l'étage de filtrage 32 et réalise une conversion des premier et second signaux résultant filtrés analogiques en signaux numériques. L'étage d'interpolation 34 est disposé en aval de l'étage convertisseur 33 et présente deux entrées et une sortie. L'étage d'interpolation 34 reçoit les premier et second signaux résultants numérisés et détermine un signal représentatif de la position du codeur 16. Les signaux sinusoïdaux des capteurs décrivant une période sinusoïdale à chaque fois que le codeur 16 se déplace d'une fraction de tour correspondant à une période du codeur 16 et se répétant ensuite, l'interpolation ne permet de connaître que la position du codeur 16 entre deux positions successives du codeur 16 décalées d'une fraction de tour correspondant à une période du codeur 16, mais avec une précision améliorée, car pour un petit déplacement donné du codeur, les variations d'intensité des signaux de mesures sont importantes, ce qui permet d'améliorer la précision du calcul d'interpolation et finalement la précision des mesures des petits déplacements. On peut prévoir une interpolation basée sur la fonction trigonométrique arctangente, qui fait correspondre à un couple de valeurs de signaux sinusoïdaux en quadrature, une valeur unique qui peut être convertie en une valeur d'angle de déplacement du codeur 16. L'étage d'interpolation 34 peut fournir en sortie directement la position à l'intérieur d'une période déterminée, ou fournir un signal incrémentai où une impulsion correspond à un déplacement d'une fraction de tour prédéterminée ou d'un angle déterminé, dont la valeur dépend d'un taux d'interpolation. Le réseau de résistances 29 et 31 permet de réaliser des moyennes des signaux des capteurs d'un même groupe pour former des signaux résultants en compensant les différents défauts, par exemple des défauts d'excentricité du codeur, des défauts locaux de magnétisation du codeur, ou des défaut de positionnement des capteurs magnétique relativement au codeur. Etant donné que les signaux sont moyennés, on peut utiliser un interpolateur prévu pour fonctionner avec un capteur, sans changer les paramètres de cet interpolateur. Dans les modes de réalisation décrit, on notera que l'on pourra remplacer les bagues multipolaires avec une alternance de pôles à polarité associé à des capteurs à effet Hall, par d'autre type de codeurs et de capteurs magnétiques, par exemple par une roue dentée associée à des capteurs magnétiques actifs générant un champ magnétique modifié par le passage des dents du codeur, et détectant ladite modification. La figure 5, où les références aux éléments semblables à ceux de la figure 4 ont été reprises, illustre des moyens de traitement adaptés pour fournir une information de position du codeur sur plusieurs tours à partir du système de mesure des figures 2 et 3.. Une unité de traitement 28 diffère du mode de réalisation de la figure 4 en ce qu'elle comprend un compteur 36 qui reçoit un signal incrémentai I provenant de l'étage d'interpolation 34 et un signal de position absolue A dans une fraction de tour correspondant à une période du codeur. En fonction du sens de rotation, l'étage d'interpolation 34 émet un signal d'incrémentation ou de décrémentation du compteur 36. Le sens de rotation peut être déterminé à partir de la quadrature des signaux de mesure. En comptabilisant le nombre d'impulsions, et donc de déplacements angulaire d'une valeur déterminée, à partir d'une position de référence, il est possible de connaître la position absolue du codeur à partir de cette position de référence, et ce quel que soit le nombre de fraction de tours correspondant à une période du codeur effectué, ou le nombre de tours complets effectués par le codeur. Une alimentation, non représentée, doit être prévue pour le module électronique 22 et en cas de coupure d'alimentation, l'information de position du codeur risque d'être perdue. A la remise sous tension, seule la position du codeur à l'intérieur d'une fraction de tour correspondant à une période du codeur pourra être connue à partir de l'interpolateur 34. Pour palier à cela, on peut prévoir des moyens d'alimentation temporaire 37 du compteur 36 aptes à alimenter une mémoire du compteur 36. Les moyens d'alimentation temporaire 37 peuvent être une batterie, ou une pile. Grâce à l'invention, on dispose d'un système de mesure de rotation permet d'améliorer la précision de mesure obtenue, notamment avec l'utilisation d'un interpolateur, et de compenser des défauts du système de mesure et d'améliorer ainsi la précision des mesures. Le système peut facilement être adapté pour fournir une information de position du codeur sur plusieurs tours. REVENDICATIONS 1. Système de mesure de rotation comprenant un codeur magnétique (16) annulaire tournant portant une pluralité d'éléments de codage (23) agencés circonférentiellement de façon périodique sur le codeur, en formant un nombre entier de périodes sur ladite circonférence du codeur, et un ensemble capteur non tournant magnétique, caractérisé par le fait que l'ensemble capteur comprend au moins un premier groupe de capteurs (24a, 24b, 24c, 24d) et un second groupe de capteurs (25a, 25b, 25c, 25d), les capteurs d'un même groupe étant situés en regard des éléments de codage en étant décalés angulairement les uns relativement aux autres d'un nombre entier de périodes, de façon que les capteurs d'un même groupe émettent des signaux de mesures identiques lors de la rotation du codeur, les capteurs d'un groupe étant décalés angulairement d'un nombre de périodes non entier relativement aux capteurs de l'autre groupe. 2. Système selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comprend un second groupe décalé du premier groupe d'un quart de période. 3. Système selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé par le fait qu'un groupe de capteur comprend au moins deux capteurs diamétralement opposés (24a, 24c), 4. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il comprend des moyens de traitement aptes additionner les signaux de mesure provenant des 25 capteurs (24a, 24b, 24c, 24d) d'un groupe en un signal résultant servant d'entrée à une unité de traitement (22). 5. Système selon la revendication 4, caractérisé par le fait que les moyens de traitement sont aptes à réaliser une moyenne à partir des signaux des capteurs d'un même groupe de capteurs. 6. Système selon la revendication 5, caractérisé par le fait que les sorties d'un groupe de capteurs sont reliées à une entrée d'une unité de traitement en parallèle et par l'intermédiaire de résistances égales. 7. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il comprend une unité de traitement (22) comportant un interpolateur (34) recevant en entré les signaux de mesure provenant de deux groupes de capteurs décalés, l'interpolateur étant apte à déterminer la position du codeur (16) entre deux positions décalées d'une fraction de tour correspondant à une période du codeur à partir d'une comparaison desdits signaux de mesure. 8. Système selon la revendication 7, caractérisé par le fait que les éléments de codage sont agencés régulièrement sur le codeur de façon que des groupes de capteurs décalés d'un quart de période émettent des signaux de mesure sensiblement sinusoïdaux en quadrature, l'interpolateur étant adapté pour appliquer une fonction du type arctangente au rapport d'un signal résultant d'un groupe de capteur sur celui de l'autre groupe de capteur. 9. Système selon l'une quelconque des revendications 7 ou 8, caractérisé par le fait qu'il comprend un interpolateur incrémentai 20 délivrant une impulsion à chaque fois que le codeur s'est déplacé d'un angle déterminé. 10. Système selon la revendication 9, caractérisé par le fait qu'il comprend un compteur électronique, recevant le signal incrémentai et un signal de position absolue, lesdits signaux étant émis par l'interpolateur. 11. Roulement instrumenté comprenant une bague extérieure, une bague intérieure et au moins une rangée d'éléments roulants, et un système de mesure de rotation selon l'une quelconque des revendications précédentes.