Brevet FR2907617A1 — publié le 20080425

DISPOSITIF ET PROCÉDÉ DE CARACTERISATION D'UN ELEMENT MOBILE La présente invention se rapporte à un dispositif et à un procédé permettant de caractériser un élément mobile en rotation à partir d'un support d'information. De nombreux équipements appartenant au domaine industriel, automobile ou de l'automatique tels que des moteurs, micromoteurs, pompes, alternateurs, alterno-démarreurs sont pourvus d'un élément mobile en rotation pour lequel, dans le cadre d'applications diverses, il est nécessaire de pouvoir déterminer les caractéristiques se rapportant à la vitesse de rotation, au sens de rotation, ou encore à la position. On connaît dans l'art antérieur des dispositifs faisant appel à des capteurs fixés sur une partie externe de l'arbre d'un moteur, tel qu'un rotor. Certains de ces capteurs fournissent directement une vitesse de rotation de manière analogique. C'est le cas de génératrices tachymétriques qui délivrent une tension proportionnelle à la vitesse de rotation du rotor. D'autres capteurs comme des résolveurs et codeurs déterminent la position du rotor respectivement de manière analogique et numérique, et déterminent la vitesse de rotation par calcul. L'inconvénient de ces capteurs est qu'ils nécessitent une grande minutie lors de leur fabrication et de leur mise en place, ce qui engendre un coût important. Il n'est pas rare en effet, pour des moteurs de faible puissance que le prix d'un capteur dépasse celui du 2907617 2 moteur. Par ailleurs ils sont sensibles aux perturbations électromagnétiques. On connaît aussi dans l'art antérieur la demande 5 de brevet US2005-0076982 qui décrit un dispositif comprenant un module électronique intégré dans un pneumatique et prévu pour remplir certaines fonctionnalités comme la mesure de paramètres tels que la température, la pression et la vitesse de rotation. 10 Le module est alimenté électriquement par des batteries et comporte un transpondeur RFID et un compte-tours. La vitesse de rotation est alors déterminée sur la base de données provenant d'un compte-tours, qui sont transmises par un transpondeur 15 RFID à une station de base. D'autres dispositifs du même type sont connus avec des capteurs exploitant des phénomènes physiques particuliers tels que la déformation mécanique, la force de Coriolis. L'inconvénient dans un tel dispositif est que le 20 transpondeur RFID ne remplit qu'une fonction de relais par la transmission de données relatives à des mesures émanant de capteurs divers. De plus de tels dispositifs associant des capteurs avec un transpondeur RFID ne sont pas électriquement 25 indépendants et nécessitent d'être démontés régulièrement afin d'en changer les batteries. On connaît aussi la demande de brevet japonais JP10115626 qui décrit un procédé permettant de 30 déterminer la vitesse de rotation d'un élément mobile à partir d'au moins un support d'information monté sur ledit élément mobile en rotation, et au moins un lecteur comprenant au moins une antenne et un microcontrôleur. 2907617 3 L'inconvénient d'un tel procédé est que le support d'information collé sur l'élément mobile doit, après avoir envoyé un premier signal au lecteur, effectuer une rotation complète avant d'envoyer un 5 second signal pour déterminer la vitesse de rotation. Ce procédé n'est pas adapté aux vitesses lentes. L'invention vise à pallier les inconvénients de l'art antérieur. 10 Un des buts de l'invention est de pouvoir caractériser avec une grande précision un élément mobile monté en rotation sans qu'il ait effectué une rotation complète. Un autre but de l'invention est de proposer une 15 caractérisation d'un élément mobile dont la réalisation et la mise en place sont à un coût faible. Pour ce faire, la présente invention concerne un procédé pour caractériser un élément mobile en 20 rotation à partir d'au moins un support d'information monté sur ledit élément mobile en rotation, et au moins une antenne et un microcontrôleur, comportant : - une étape de génération par ladite antenne 25 d'un champ électromagnétique dans un cône englobant une surface dudit élément mobile, - une étape d'émission à un débit binaire fixe, par ledit support d'information, d'un nombre de bits de données en direction de ladite antenne lorsque 30 ledit support d'information est compris dans ledit cône, - une étape de détermination par ledit microcontrôleur d'au moins une caractéristique de 2907617 4 ladite rotation à partir dudit nombre de bits de données reçu par ladite antenne. L'invention permet de caractériser un élément mobile en rotation à partir d'un support d'information et 5 d'une antenne et d'un microcontrôleur sans que la détermination des caractéristiques de cet élément mobile nécessite qu'il effectue une rotation complète. A chaque exécution d'une rotation de l'élément mobile, au moins un transpondeur passe dans le cône englobant 10 une surface de l'élément mobile afin qu'une mesure de différentes caractéristiques de l'élément mobile soit effectuée à partir d'une échange de données entre le transpondeur et l'antenne. 15 Dans une variante, à partir d'au moins deux supports d'information, ladite caractéristique est le sens de rotation et/ou vitesse de rotation et/ou la position dudit élément mobile. Dans une autre variante, à partir d'au moins un 20 support d'information, ladite caractéristique est la vitesse de rotation et/ou la position dudit élément mobile. Dans une autre variante, ledit support 25 d'information comprend des données relatives à sa position sur ledit élément mobile. La présente invention se rapporte aussi à un dispositif comprenant au moins un support 30 d'information monté sur un élément mobile en rotation, et au moins une antenne et un microcontrôleur dans lequel : 2907617 5 - ladite antenne est apte à générer un champ électromagnétique dans un cône englobant une surface de l'élément mobile, et - ledit support d'information est apte à 5 émettre à un débit binaire fixe un nombre de bit de données en direction de ladite antenne lorsqu'il est dans le cône, et - ledit microcontrôleur est apte à déterminer au moins une caractéristique de ladite rotation à 10 partir dudit nombre de bits de données reçu pour ladite antenne Dans une variante, ledit microcontrôleur comprend des moyens de calcul. Dans une autre variante ledit support 15 d'information est compris dans l'élément mobile. L'avantage d'un positionnement du support d'information dans l'élément mobile permet de limiter les effets d'usure de ce support d'information sur cet élément mobile. Ceci est notamment rendu possible 20 grâce à l'auto-alimentation de ce support d' information. Dans une autre variante, ledit support d'information est un transpondeur RFID. L'avantage d'utiliser un support d'information 25 comme un transpondeur RFID est dû à son faible coût et à ses dimensions qui permettent de le positionner dans divers éléments mobile comme celui d'un servomoteur par exemple. Dans une autre variante, ladite antenne et ledit 30 microcontrôleur sont compris dans un lecteur. Dans une autre variante, ledit support d'information est auto-alimenté en énergie. 2907617 6 On comprendra mieux l'invention à l'aide de la description, faite ci-après à titre purement explicatif, d'un mode de réalisation de l'invention, en référence aux figures annexées données comme des 5 exemples non limitatifs et sur lesquelles : la figure 1 illustre une vue éclatée d'un moteur électrique dans lequel est implémentée l'invention ; la figure 2 illustre une vue d'un mode 10 réalisation comportant un transpondeur RFID ; la figure 3 illustre un transpondeur RFID et une station de base ; la figure 4 illustre un mode réalisation comportant plusieurs transpondeurs RFID . 15 - la figure 5 illustre la transmission de données en mode série et à débit binaire fixe. la figure 6 illustre un mode de fonctionnement de l'invention. 20 La figure 1 représente le dispositif selon l'invention se rapportant à un moteur électrique 1, pour lequel on détermine les différentes caractéristiques se rapportant à un élément mobile tel qu'un rotor 2. Ces caractéristiques correspondent par 25 exemple à une vitesse de rotation, à un sens de rotation, ou encore à la position du rotor 2. L'invention comprend un support d'information correspondant à un transpondeur (transmetteur/répondeur) RFID 6 (acronyme anglais de 30 Radio Frequency Identification, soit identification par radiofréquence) positionné par des moyens de fixation sur la surface ou à l'intérieur du rotor 2. 2907617 7 A la figure 2 une antenne 13, montée sur la partie fixe du moteur électrique 1, un stator 4, est positionnée à une faible distance du transpondeur RFID 6. Cette antenne 13 est reliée à un lecteur 5 correspondant ici à une station de base 5 qui est positionnée dans un boîtier d'alimentation 3. L'espace séparant le rotor 2 du stator 4, appelée l'entrefer 17, est de l'ordre de quelques millimètres et nécessite que le transpondeur RFID 6 et l'antenne 13 10 soient de dimensions réduites. Dans un autre mode de réalisation un tel dispositif peut être équipé de plusieurs antennes 13 montées sur le stator 4, reliées à une ou plusieurs stations de base 5. 15 Comme illustré à la figure 3 le transpondeur RFID 6 comprend une antenne 14, une puce 11, des mémoires 8,10,12. Ce transpondeur RFID 6 est de très petite taille et de masse négligeable, offrant ainsi 20 l'avantage de faciliter son intégration dans tout type de dispositif et d'avoir une influence quasi-inexistante sur le comportement du moteur électrique 1. Le transpondeur RFID 6 comprend une mémoire ROM 8 25 (acronyme anglais de Read Only Memory, soit mémoire à lecture seule), une mémoire RAM 10 (acronyme anglais de Random Access Memory, soit mémoire à accès aléatoire) et une mémoire EEPROM 12 (acronyme anglais d'Electrically-Erasable Programmable Read-Only Memory, 30 soit mémoire en lecture seule effaçable électriquement). La mémoire ROM 8 contient des données de sécurité ainsi que des instructions d'un programme en charge de fonctions de base telles que le délai de réponse, le contrôle du flux de données, et la gestion 2907617 de l'énergie. La mémoire RAM 10 est utilisée pour les stockages temporaires de données lors des processus d'interrogation et de réponse. La mémoire EEPROM 12 est une mémoire programmable non volatile qui peut 5 être effacée plusieurs fois et qui permet de stocker des données. Les données stockées sont des données numériques qui comprennent notamment des informations sur la position relative du transpondeur RFID 6 sur le rotor 2. 10 Le transpondeur RFID 6 est un élément passif qui ne nécessite aucune source d'énergie en dehors de celle fournie par la station de base 5 au moment des échanges de données. En effet, le transpondeur RFID 6 est téléalimenté en énergie 15 par le champ 15 électromagnétique émis par la station de base 5. Cette auto-alimentation du transpondeur RFID 6 offre l'avantage de ne pas nécessiter de maintenance et de pouvoir être encastré dans le rotor 2. 20 Le transpondeur RFID 6 est paramétrable en fonction des dispositifs dans lesquels il est destiné à être implémenté. On peut ainsi paramétrer une gestion des collisions pour limiter des problèmes d'interférences, modifier des protocoles de 25 communication (ie cryptage de donnée, gestion de la détection d'erreur), gérer un mode de lecture/écriture (ie écriture seule, lecture seule, etc). Dans la figure 2 la station de base 5 est un 30 dispositif actif, qui comprend un circuit de lecture/écriture 7, un microcontrôleur 9 et une antenne 13 composée d'une inductance, d'un condensateur et d'une résistance. 2907617 9 Le circuit de lecture/écriture 7 assure la transmission et la réception des ondes radios dont les fréquences appartiennent à l'ensemble du spectre de radiofréquence. Quand ce circuit 7 génère l'émission 5 d'ondes radios à des fréquences élevées les échanges de données entre le transpondeur RFID 6 et la station de base 5 se font à des débits plus importants. Les données reçues par l'antenne 13 sont transmises au microcontrôleur 9 qui comprend des moyens d'analyse et 10 de calculs pour le traitement de ces données. Ce microcontrôleur 9 comporte aussi un algorithme d'anticollision pour gérer les problèmes d'interférences afin de permettre à la station de base 5 de pouvoir dialoguer avec le transpondeur RFID 6 15 lorsque plus d'un transpondeur RFID se trouve dans son champ de détection. Dans un autre mode de réalisation un des bobinages du stator 4 est utilisé en guise d'antenne 20 car il peut parfois se révéler difficile de placer une antenne appartenant à une station de base 5, sur le stator 4 du moteur électrique 1 à cause de problèmes relatifs à la taille de cette antenne. En fonction d'une valeur d'une inductance d'une phase 25 considérée, un condensateur est déterminé pour accorder un circuit radiofréquence sur la fréquence d'une porteuse. L'ensemble de la station de base 5 est raccordé ensuite directement aux bornes du bobinage dans le boîtier d'alimentation 3 situé sur la carcasse 30 du moteur électrique 1. La mémoire EEPROM 12 comprise dans le transpondeur RFID 6 comprend un certain nombre de bits de données, dont le nombre est réduit à un minimum 2907617 10 suffisant pour pouvoir établir les caractéristiques du rotor 2 du moteur électrique 1, permettant ainsi d'avoir un temps de transaction entre la station de base 5 et le transpondeur RFID 6 adapté : au temps de la présence physique du transpondeur RFID 6 dans le champ magnétique délivré par la station de base 5, au débit des données binaires, au protocole de communication, à la quantité de données à échanger, et - à la gestion de collisions dans le cas de présence de d'autres transpondeurs RFID. Aux figures 3 et 5 l'antenne 13 de la station de 15 base 5 génère un champ magnétique qui définit un cône d'émission/réception 18 traversant l'entrefer 17 et faisant une intersection avec la surface du rotor 2. Les points d'intersection dl d'entrée dans le cône 18 et d2 de sortie de ce cône 18 définissent une distance 20 de parcours D=[dl,d2] durant laquelle le transpondeur RFID 6 est sous l'influence du champ électromagnétique transmis par l'antenne 13. Cette distance de parcours D correspond à un arc de cercle sur la surface du rotor 2 qui est constant et est déterminé à partir des 25 données du constructeur de la station de base 5 et des dimensions du moteur. Lorsque le transpondeur RFID 6 monté sur le rotor 2 passe à proximité de l'antenne 13 de la station de base 5 et pénètre dans le cône 18 en franchissant le 30 point dl, le signal émis par la station de base 5 et transmis par l'antenne 13 au transpondeur RFID 6 alimente en énergie 15 le transpondeur RFID 6 jusqu'à ce qu'il dépasse le point d2. En parallèle un échange 5 10 2907617 11 de données s'établit entre le transpondeur RFID 6 et la station de base 5 par la transmission de données numériques (suite de 0 et de 1) en mode série avec un débit binaire fixe (en kbits/s) du transpondeur RFID 6 5 à la station de base 5 par l'intermédiaire de l'antenne 13. La transmission de données se déroule tant que le transpondeur RFID 6 est alimenté en énergie 19. La figure 4 illustre l'émission à un débit fixe 10 d'un nombre de bits de données lorsque le transpondeur RFID 6 est dans le cône 18 d'émission/réception, la zone A, et la non-émission de données lorsqu'il est hors du cône 18, la zone B. Le débit binaire et plus précisément le nombre de 15 bits de données émis par le transpondeur RFID 6 sont des vecteurs de l'information se rapportant aux caractéristiques du rotor 2. Ce nombre de bits de données est reçu par la station de base 5 et est analysé par le 20 microcontrôleur. Le microcontrôleur 9 comporte dans sa mémoire un programme comprenant diverses instructions lui permettant de compter le nombre de bits de données reçu jusqu'à l'arrêt de la transmission de données 25 c'est-à-dire lorsque le transpondeur RFID 6 a dépassé le point d2, et de déterminer le débit binaire. Des instructions arithmétiques lui permettent d'effectuer les calculs suivants afin de déterminer une caractéristique du rotor, la vitesse de rotation : 30 T = N (en secondes) avec T correspondant au temps de parcours mis par le transpondeur RFID 6 pour effectuer 2907617 12 la distance D, N correspondant au nombre de bits de données reçu, et M se rapportant au débit binaire. Dès que le temps T de parcours est déterminé, il 5 est possible d'obtenir une vitesse V de déplacement du transpondeur RFID 6 : V = D (en mis) T avec V correspondant à la vitesse de 10 déplacement du transpondeur RFID 6, D la distance entre les points dl et d2 et T le temps de parcours du transpondeur RFID 6 entre ces deux points. À partir de la vitesse de déplacement V, la 15 vitesse de rotation du rotor 2 est déduite : 52= R (en radians/s) avec Q la vitesse de rotation du rotor 2, V la vitesse de déplacement du transpondeur 20 RFID 6 et R le rayon du rotor 2. Cette vitesse de rotation est alors exprimée en tours par minute (tr/min) en faisant : W = x 60 (en tr/min) 2z avec W la vitesse de rotation en tours par minute, Q la vitesse de rotation en radians par seconde (radians/s). 25 30 2907617 13 Ainsi l'invention offre l'avantage de déterminer une des caractéristiques du rotor 2, la vitesse de rotation sans qu'il ne soit nécessaire que le rotor 2 ait effectué une rotation complète. 5 La figure 5 illustre un autre mode de réalisation comprenant plusieurs transpondeurs RFID 6 placés à intervalle réguliers sur le rotor 2 d'un moteur électrique avec une antenne 13 montée sur le 10 stator 2. Comme nous l'avons vu précédemment chacun de ces transpondeurs RFID 6 stocke en mémoire des informations relatives à leur position absolue sur le rotor 2. Cette information correspond à des données numériques exprimant par exemple cette position en 15 degré. Dans le dispositif de la figure 5 le rotor comprend huit transpondeurs RFID, avec un premier transpondeur RFID stockant des données numériques de position correspondant à 00, un second transpondeur RFID consécutif stockant des données numériques de 20 position correspondant à 360 /8 soit 45 , un troisième transpondeur RFID consécutif au second transpondeur stockant des données numériques de positon correspondant à 360 /4 soit 90 ainsi de suite jusqu'au huitième transpondeur. 25 Cette disposition des transpondeurs RFID 6 permet d'avoir une plus grande précision sur différentes caractéristiques. Dans le cadre de la détermination de la vitesse de rotation, plusieurs mesures de cette vitesse sont effectuées. En effet chaque transpondeur 30 RFID 6 émet à un débit binaire fixe un nombre de bits de données compris dans leur mémoire respective dès leur passage du point dl au point d2. Le microcontrôleur 9 détermine pour chacun de ces transpondeurs RFID, identifiés par la transmission de 2907617 14 données relatives à leur position sur le rotor 2, la vitesse de rotation. Ainsi dès la première rotation, plusieurs déterminations de vitesses de rotation sont déjà effectuées. C'est un avantage pour des 5 équipements dont l'élément mobile à une vitesse de rotation lente. De plus le microcontrôleur à partir d'instructions émanant du programme informatique stocké dans sa mémoire et des informations sur la 10 position sur le rotor de chacun des transpondeurs RFID 6, est apte à déterminer le sens de rotation du rotor 2 ainsi que sa position. Dans ce mode de réalisation, le dispositif peut comprendre plusieurs antennes 13, montées sur le stator 4 reliées à une ou plusieurs 15 stations de base. La figure 6 illustre un mode de fonctionnement de l'invention comprenant plusieurs étapes. Une étape de génération 19 d'un champ électromagnétique, par ladite 20 antenne 13 reliée à une station de base 5, dans un cône d'émission/réception 18 englobant la surface de l'élément mobile 2. Une étape d'émission 20 d'un nombre de bits de données à un débit binaire fixe, par le support d'information 6, en direction de l'antenne 25 13 lorsque le support d'information 6 est compris dans ledit cône 18. Une étape de détermination 21 d'au moins une caractéristique de ladite rotation à partir de calculs effectués par le microcontrôleur et du nombre de bits de données reçu par l'antenne 13. Et 30 une étape de caractérisation 22 de l'élément mobile 2 en rotation. Il est entendu que ces modes de réalisations ne sont pas limitatifs et que l'invention peut s'inscrire 2907617 15 dans tous types de dispositifs ayant un ou plusieurs éléments mobiles appartenant par exemple au domaine de l'automobile, de la robotique ou encore de l'automatique. 5 REVENDICATIONS 1. Procédé pour caractériser un élément mobile (2) en rotation à partir d'au moins un support d'information (3) monté sur ledit élément mobile (2) en rotation, et au moins une antenne (13) et un microcontrôleur (9), caractérisé en ce que : - une étape de génération par ladite antenne (13) d'un champ électromagnétique dans un cône (18) englobant une surface dudit élément mobile (2), - une étape d'émission à un débit binaire fixe, par ledit support d'information (6), d'un nombre de bits de données en direction de ladite antenne (13) lorsque ledit support d'information (6) est compris dans ledit cône (18), - une étape de détermination par ledit microcontrôleur (9) d'au moins une caractéristique de ladite rotation à partir dudit nombre de bits de données reçu par ladite antenne (13). 2. Procédé selon la revendication 1 à partir d'au moins deux supports d'information (6) dans lequel ladite caractéristique est le sens de rotation dudit élément mobile (2). 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2 dans lequel ladite caractéristique est la vitesse de rotation dudit élément mobile (2). 30 4. Procédé selon la revendication 1 ou 2 dans lequel ladite caractéristique est la position dudit élément mobile (2). 2907617 17 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes pour lequel ledit support d'information (6) comprend des données relatives à sa position sur ledit élément mobile (2). 5 6. Dispositif comprenant au moins un support d'information (6) monté sur un élément mobile (4) en rotation, et au moins une antenne (13) et un microcontrôleur (9) caractérisé en ce que : 10 - ladite antenne (13) est apte à générer un champ électromagnétique dans un cône (18) englobant une surface de l'élément mobile (2), et - ledit support d'information (6) est apte à émettre à un débit binaire fixe un nombre de bits de 15 données en direction de ladite antenne (13) lorsqu'il est dans le cône (18), et -ledit microcontrôleur (9) est apte à déterminer au moins une caractéristique de ladite rotation à partir dudit nombre de bits de données reçu 20 par ladite antenne (13). 7. Dispositif selon la revendication 6 caractérisé en ce que ledit microcontrôleur (9) comprend des moyens de calculs. 8. Dispositif selon la revendication 6 caractérisé en ce que ledit support d'information (6) est compris dans l'élément mobile (2). 9. Dispositif selon l'une des revendications précédentes dans lequel ledit support d'information (6) est un transpondeur RFID. 25 2907617 18 10. Dispositif selon l'une des revendications précédentes dans lequel ladite antenne et ledit microcontrôleur son compris dans un lecteur (5). 5 11. Dispositif selon l'une des revendications précédentes dans lequel ledit support d'information (6) est auto-alimenté en énergie (15).