Brevet FR2921720A1 — publié le 20090403

DISPOSITIF D'ACQUISITION LVDT A DOUBLE CHAINE DE DEMODULATION La présente invention s'applique aux dispositifs et procédés de traitement des signaux en sortie de capteurs de position notamment du type à différence d'induction variable linéairement. Ces capteurs sont généralement désignés par leur nom anglais Linear Variable Differential Transformer ou LVDT. Les capteurs de ce type sont normalement constitués par un transformateur comprenant un circuit primaire auquel on fournit un courant alternatif et deux circuits secondaires dans lesquels une pièce ferromagnétique en mouvement linéaire génère des signaux dont la démodulation va permettre l'acquisition de la mesure du déplacement de la pièce en mouvement. Ces capteurs et leur électronique de conditionnement peuvent avoir de nombreuses applications : le contrôle d'ouvrages d'art, le contrôle de la production de pièces mécaniques, la mesure de niveau d'un liquide en cuves, le contrôle de la position des commandes d'un véhicule, par exemple une automobile, un navire ou un aéronef. Le traitement du signal pourra être différent en fonction de la précision et de la fiabilité recherchées pour une application donnée. Bien qu'elle s'applique au traitement des signaux de tout type de LVDT, la présente invention sera spécialement avantageuse pour les applications de contrôle des commandes de vol d'un aéronef pour lesquelles les spécifications imposent , dans l'état de l'art antérieur, le choix de circuits coûteux. Un des problèmes principaux est le déphasage qui apparaît entre les signaux des deux secondaires qui affecte la précision de la mesure lorsque l'on applique une démodulation synchrone classique. Une des réponses connues est de recourir à des transformateurs à tolérance de déphasage garantie. Mais cela renchérit de manière significative le coût des LVDT, ce qui peut être prohibitif dans le cas de chaînes d'acquisition de plusieurs dizaines de LVDT qui sont couramment utilisées en aéronautique. L'objectif de la présente invention est de résoudre ce problème en réduisant considérablement les imprécisions résultant du déphasage des bobinages secondaires, donc sans recourir à des composants à tolérance garantie. A cette fin, la présente invention propose un dispositif de décodage des signaux en sortie de deux bobines secondaires dans l'axe desquelles se déplace une pièce ferromagnétique excitée par une bobine primaire comprenant un module de conversion analogique numérique desdits signaux, un module de multiplication des signaux numérisés par des facteurs choisis, un module de calcul en boucle de l'erreur sur la position de la pièce magnétique à partir des signaux en sortie du module de multiplication caractérisé en ce que ledit module de calcul d'erreur comprend deux voies de démodulation synchrone appliquées chacune à un des signaux d'erreur propre à une des bobines secondaires. Elle propose également un procédé d'utilisation dudit dispositif. L'invention sera mieux comprise et ses différentes caractéristiques et avantages ressortiront de la description qui suit de plusieurs exemples de 15 réalisation et de ses figures annexées dont : La figure 1 représente le schéma général d'un LVDT ; La figure 2 représente le signal en sortie d'un dispositif de traitement des signaux en sortie d'un LVDT; La figure 3 représente la génération des signaux d'erreur sur les deux 20 voies d'un dispositif selon un mode de réalisation de l'invention; - La figure 4 représente le schéma de principe d'une boucle de double intégration selon un mode de réalisation de l'invention. La figure 5représente le schéma de principe de génération des signaux d'erreur sur les deux voies de démodulation selon l'invention. 25 Sur les 3 figures 1.1, 1.2 et 1.3 un capteur 100 de position à différence d'induction variable linéairement est représenté dans trois positions différentes. Il comprend un générateur 110 de courant alternatif alimentant un bobinage primaire 120 dénommé signal d'excitation. Un signal est créé dans les deux bobinages secondaires 130 et 140 par le déplacement du 30 noyau ferromagnétique 150 qui est solidaire de la pièce dont on veut mesurer le déplacement. Dans ce mode de réalisation, les deux bobinages sont montés en série mais en opposition de sorte que c'est la différence des courants des bobinages secondaires qui est mesurée. Sur la figure 1.1, le noyau est au maximum de sa course à gauche et le courant en sortie de la 35 paire des secondaires 130, 140 est égal à la différence du courant aux bornes du bobinage secondaire de gauche 130 et du courant aux bornes du bobinage secondaire de droite 140. Sur la figure 1.2, le noyau est au repos, dans une position neutre et le courant en sortie de la paire des secondaires 130, 140 est nul. Sur la figure 1.3, le noyau est au maximum de sa course à droite et le courant en sortie de la paire des secondaires 130, 140 est égal à la différence du courant aux bornes du bobinage secondaire de droite 140 et du courant aux bornes du bobinage secondaire de gauche 130. Il existe une grande variété de LVDT pour mesurer des courses de quelques micromètres à quelques dizaines de centimètres. La course du noyau est bornée de manière à ce que les variations du courant soient proportionnelles à ses déplacements. Sur la figure 2 sont représentées les grandeurs caractéristiques du fonctionnement du capteur. La figure 2.1 représente la variation de l'amplitude du signal analogique différentiel induit dans le montage secondaire par l'excitation du bobinage primaire en fonction de la course du noyau. La figure 2.2 représente le déphasage du signal du circuit secondaire par rapport au signal d'excitation également en fonction de la course du noyau. La précision de l'acquisition des données de position par un LVDT dépend donc notamment de la fréquence d'excitation du signal dans le circuit primaire - qui doit être choisie de manière à minimiser le bruit dans la chaîne de mesure û et de la qualité de la démodulation du signal en sortie du capteur. Une démodulation synchrone de précision peut être réalisée en utilisant une boucle asservie de type II, c'est à dire à double intégration, dont le principe général de fonctionnement est expliqué dans la suite de la description avec les notations suivantes : X;,, : course du noyau du LVDT en entrée de boucle; Xout : course du noyau du LVDT en sortie de boucle ; VI : tension du signal en sortie du bobinage secondaire 130 ; V2 : tension du signal en sortie du bobinage secondaire 140 ; Eo : amplitude crête des signaux aux secondaires X0 : valeur maximale de la course X;,, du noyau ; f : fréquence d'excitation du bobinage primaire (on utilise également w = 21-r f) Err : erreur de mesure de la course; cpo : déphasage entre VI et V2. Dans le cas théorique d'une absence de déphasage, les signaux V1 et V2 s'écrivent : V1 = (1/2)(1 + Xin / Xo).Eo.sin (c)t) V2 = (1/2)(1 - Xin / Xo).Eo.sin (cot) VI et V2 sont tous deux numérisés par des convertisseurs analogique numérique (CAN). Pour permettre un calcul facile du signal d'erreur, comme indiqué sur la figure 3, on va les multiplier respectivement par : Al = 1 - Xout / Xo et À2 = 1 + Xout / Xo de façon à créer deux signaux d'erreur Err1 et Err2 valant respectivement À1V1 et À2V2. Dans l'art antérieur, on crée le signal d'erreur en faisant la différence entre Err1 et Err2. Ce signal d'erreur est ensuite démodulé de manière synchrone en utilisant le signal d'excitation comme référence. Err =(1/2) Eo.sin (wt).((1 + Xin/ Xo). (1 - Xout / Xo) - (1 - Xin / Xo). (1 + Xout / Xo)) Soit Err = Eo.sin (wt). ()Kin / X0 - Xout Xo) Une boucle de démodulation est représentée sur la figure 4 où les paramètres et expressions ont les significations et, à titre illustratif, les valeurs suivantes : Gain du CAN d'entrée k1 = VIN / VREF VREF : Tension de référence du CAN Gain sur l'erreur k2 = 18 x 106 x 2n Zéro du filtre a = 4095 / 4096 Pôle du filtre b = 4085 / 4096 Gain de l'intégrateur c = 1 / 4096000 Fonction de transfert des intégrateurs I(z) = c / (1 ù z 1) Fonction de transfert du filtre C(z) = (1 ù az 1) / (1 ù bz-1) Fonction de transfert en boucle ouverte G(z) = ki.k2.12(z).C(z) Fonction de transfert en boucle fermée H(z) = G(z) / (1 + G(z)) La boucle annule le signal d'erreur avec la précision du convertisseur. Elle est conçue de manière à suivre sans erreur une position d'entrée qui évolue à vitesse constante. S'il existe un déphasage (po de V2 par rapport à V1, V2 se réécrit : V2 = (1/2)(1 - Xin / Xo).Eo.sin (cot+ (po) Et l'expression de l'erreur est la suivante : Err = (1/2) [Eo.sin(wt).((1+Xin/Xo).(1-Xout/Xo)) û Eo.sin(wt+(po).((1-Xin/Xo)•(1+Xout / Xo))]soit Err = Eo.[sin(wt).[(1-cos(po).(1û X. Xout / X02) + (1+cos (po). (Xin/Xo- Xout / Xo)] - 5 cos(wt)sin (po (1- Xin/Xo)• (1+ )(out / X0)] Après démodulation le terme en cos (wt) s'élimine car il est en quadrature et il reste : Err demod = K E0. [(1-cos (po).(1û X. Xout / X02) + (1+cos (po). (Xin/)(o- Xout / Xo)] expression où K est un facteur donné pour un réglage choisi de la boucle. 10 Le calcul montre que cette erreur s'annule pour Xout égal à Xin+bX avec ÔX/Xo égal à: bX/Xo = (1-cos (po).(1û Xin2/ Xo2) / [(1+cos (po) + Xin/ Xo (1-cos (po) ] L'erreur est maximale pour Xin égal à 0. Dans ce cas ÔX/Xo= (1 - cos (po) / (1 + cos (po) 15 Pour (po égal à 10°, l'erreur vaut 0,8%, ce qui est rédhibitoire au vu des précisions demandées. Une solution simple mais coûteuse à cette insuffisance de précision est d'utiliser des composants dont les déphasages sont garantis inférieurs à 3°. L'invention permet quant à elle d'utiliser des composants dont les tolérances de déphasage peuvent être plus lâches. Le 20 principe de l'invention est de limiter la pondération du déphasage dans le calcul de l'erreur en ne calculant celle-ci qu'après démodulation indépendante des deux voies. Comme illustré sur la figure 3, on extrait donc deux signaux d'erreur Err 1 et Err2 après multiplication de V1 et de V2 respectivement par À1 et À2. Comme 25 illustré sur la figure 5, ces deux signaux d'erreurs Err1 et Err2 sont ensuite démodulés par deux voies indépendantes, la boucle de double intégration étant du même type que celle illustrée par la figure 4 dont le fonctionnement a déjà été commenté plus haut. L'erreur globale est ensuite calculée par différence des deux voies, comme illustré sur la droite de la figure 5. Ce 30 calcul indépendant des erreurs est possible dans le cas du LVDT car par définition IXinI et IXoutl sont toujours inférieurs à IXol. Donc À1 et À2 sont toujours positifs, Err1 a le même signe que sin(wt) et Err2 le même signe que sin(wt+ cpo). La démodulation consiste donc à multiplier Err1 par +1 quand Err1 est positive et par -1 quand elle est négative. De même, on multiplie Err2 par +1 quand Err2 est positive et par -1 quand elle est négative. On fait ensuite la différence des deux erreurs redressées et intégrées. De cette façon les erreurs dues aux déphasages primaire / secondaire et entre secondaires apportées par le capteur sont en principe annulées. En effet, les deux redressements double alternance éliminent d'une part le terme en sin(wt) de Err1 et d'autre part le terme en sin(wt+ (po) de Err2. L'expression de l'erreur démodulée totale est donc de la forme : Err demod = K'((X;n/Xo- Xout / Xo) Lorsque la boucle converge (X0 t= X;n), l'erreur s'annule donc. Des simulations ont été effectuées pour différentes valeurs de déphasages avec une simple démodulation après calcul d'erreur (Cas 1) et avec double démodulation des erreurs (Cas 2). Les erreurs résiduelles obtenues dans ces simulations sont données dans le tableau ci-dessous et confirment amplement l'avantage procuré par l'invention puisque dans le cas intermédiaire, le gain de précision est d'un facteur 18. Déphasage Précision (Cas 1) Précision (Cas 2) 3° 0,11 % 0,02% 10° 0,9% 0,05% 20° 3,4% 0,1 % Le doublement de la chaîne de démodulation n'augmente que de très peu les ressources nécessaires dans un circuit programmable ou un ASIC pour un bénéfice très important sur les performances en présence de déphasage significatif entre les deux entrées. REVENDICATIONS 1. Dispositif de décodage des signaux (V1, V2) en sortie de deux bobines secondaires (130, 140) dans l'axe desquelles se déplace une pièce ferromagnétique (150) excitée par une bobine primaire (120) comprenant un module de conversion analogique numérique desdits signaux, un module de multiplication des signaux numérisés par des facteurs choisis (À-1, À2), un module de calcul en boucle de l'erreur sur la position de la pièce magnétique à partir des signaux en sortie du module de multiplication caractérisé en ce que ledit module de calcul d'erreur comprend deux voies de démodulation synchrone appliquées chacune à un des signaux d'erreur propre à une des bobines secondaires (130, 140). 2. Dispositif de décodage selon la revendication 1 caractérisé en ce que les facteurs choisis (Àl, À2) pour multiplier les signaux numérisés à partir de VI et V2 sont établis en calculant le rapport de la valeur mesurée de la position de la pièce magnétique Xout en sortie de la boucle de calcul d'erreur à la valeur de la course maximale de ladite pièce X0 puis, pour AI, en retranchant et, pour À2, en ajoutant la valeur dudit rapport à 1. 3. Dispositif de décodage selon la revendication 2 caractérisé en ce que chaque voie de démodulation comprend une boucle asservie à double intégration. 4. Dispositif de décodage selon la revendication 3 caractérisé en ce que le redressement de chaque voie de démodulation est opéré en multipliant les alternances positives et négatives du signal de ladite voie par le signe de l'erreur de ladite voie. 5. Système de mesure de la position d'une pièce en mouvement linéaire caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif de décodage selon l'une des revendications 1 à 4. 6. Procédé de décodage des signaux (V1, V2) en sortie de deux bobines secondaires (130, 140) dans l'axe desquelles se déplace une pièce ferromagnétique (150) excitée par une bobine primaire (120) comprenant un processus de conversion analogique numérique desdits signaux, un processus de multiplication des signauxnumérisés par des facteurs choisis (Ai, À2), un processus de calcul en boucle de l'erreur sur la position de la pièce magnétique à partir des signaux en sortie du processus de multiplication caractérisé en ce que ledit processus de calcul d'erreur comprend deux voies de démodulation synchrone appliquées chacune à un des signaux d'erreur propre à une des bobines secondaires (130, 140). 7. Procédé de décodage selon la revendication 6 caractérisé en ce que les facteurs choisis (AI, À2) pour multiplier les signaux numérisés à partir de VI et V2 sont établis en calculant le rapport de la valeur mesurée de la position de la pièce magnétique Xout en sortie de la boucle de calcul d'erreur à la valeur de la course maximale de ladite pièce Xo puis, pour Àl, en retranchant et, pour À2, en ajoutant la valeur dudit rapport à 1. 8. Procédé de décodage selon la revendication 7 caractérisé en ce que chaque voie de démodulation comprend une boucle asservie à double intégration. 9. Procédé de décodage selon la revendication 8 caractérisé en ce que le redressement de chaque voie de démodulation est opéré en multipliant les alternances positives et négatives du signal de ladite voie par le signe de l'erreur de ladite voie. 10 Procédé de mesure de la position d'une pièce en mouvement linéaire caractérisé en ce qu'il comprend un procédé de décodage selon l'une des revendications 6 à 9.