Brevet FR2945626A1 — publié le 20101119

PROCEDE ET SYSTEME DE DETERMINATION DE LA POSITION ANGULAIRE D'UN ELEMENT TOURNANT ET ROULEMENT COMPRENANT UN TEL SYSTEME L'invention a trait à un procédé de détermination de la position angulaire d'un élément tournant, tel qu'une bague d'un roulement à billes ou équivalent. Il est connu de WO-A-2007/077389 d'utiliser des cellules à effet Hall, régulièrement réparties autour d'une bague magnétique, pour fournir des signaux électriques de type sinusoïdal permettant de déterminer la position angulaire d'un élément tournant. Pour améliorer la précision d'un tel système, il est connu d'utiliser un nombre de cellules à effet Hall supérieur à 3, ce qui permet de combiner les signaux électriques respectivement fournis par ces cellules, afin de déterminer la position angulaire de l'élément tournant. L'augmentation du nombre de cellules d'un tel système augmente sensiblement le risque que l'une de ces cellules soit défaillante, ce qui rend alors le système non opérationnel. En d'autres termes, lorsque l'une des cellules à effet Hall est hors d'usage, le système de détection est en panne et ne peut plus remplir sa fonction. C'est à ces inconvénients qu'entend plus particulièrement remédier l'invention en proposant un procédé de détermination de la position angulaire d'un élément tournant qui permet de s'accommoder de la défaillance d'un capteur, tel qu'une cellule à effet Hall. A cet effet, l'invention concerne un procédé de détermination de la position angulaire d'un élément tournant par rapport à un élément non tournant, dans lequel on utilise une bague magnétique solidaire en rotation de l'élément tournant et pourvue de P paires de pôles, avec P supérieur ou égal à 1, et N capteurs aptes à émettre chacun un signal électrique représentatif d'un champ magnétique, avec N supérieur ou égal à 2. Ce procédé est caractérisé en ce qu'il comprend des étapes consistant à : a) û vérifier chacun des signaux émis par les capteurs et déterminer si l'un au moins de ces capteurs est défaillant ; b) û si au moins un capteur est déterminé comme défaillant lors de l'étape a), compter le nombre de capteurs défaillants ; c) û si le nombre de capteurs défaillants est égal à 1, calculer un signal de remplacement équivalent au signal électrique normalement émis par le capteur défaillant et d) û utiliser le signal de remplacement calculé à l'étape c), à la place du signal électrique normalement émis par le capteur défaillant, pour calculer un signal représentatif de la position angulaire de l'élément tournant par rapport à l'élément non tournant. Grâce à l'invention, on prévoit un mode de fonctionnement dégradé, lorsqu'un des capteurs est défaillant, en utilisant, à la place du signal normalement émis par ce capteur, un signal de remplacement calculé. L'invention permet donc de continuer à utiliser un système de détermination de la position angulaire d'un élément tournant, alors même qu'un de ses capteurs ne fonctionne plus ou ne fonctionne pas de façon correcte. Selon des aspects avantageux mais non obligatoires de l'invention, un tel procédé peut incorporer une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - Le procédé comprend une étape supplémentaire e) mise en oeuvre si aucun capteur est considéré comme défaillant lors de l'étape a) et consistant à stocker dans une mémoire une valeur correspondant à la somme des signaux émis par les capteurs. - Lors de l'étape c), le signal de remplacement est calculé comme égal à la différence entre la somme des signaux électriques délivrés par l'ensemble des capteurs, avant détection de la défaillance d'un capteur, et la somme des signaux électriques émis par les autres capteurs après détection de la défaillance du capteur. De façon avantageuse, lors de l'étape c), le signal de remplacement est calculé à un instant t selon l'équation : N N Udrempl (t) _ 10i + Asa sin(wt + g ) ù 1Ui (t) 1=1 i.1≠ d Où, pour i compris entre 1 et N, Oi est le décalage par rapport à zéro du signal électrique émis par un capteur C;, AS est égal à Vat +b2 ,avec a égal à I Ai cos , b égal à I Ai sin et Ai égal à l'amplitude du signal électrique émis par un capteur C; vs vaut arctan (b) si a > 0, et arctan (b) + n, si a où, pour i compris entre 1 et N, O. est le décalage par rapport à zéro du signal électrique émis pas un capteur C;, U.(t) est le signal électrique émis par le capteur C; à l'instant t. - Lors de l'étape a), on considère qu'au moins un capteur est défaillant si la somme des signaux électriques émis par les N capteurs dépasse, à la hausse ou à la baisse, une valeur de seuil. - Lors de l'étape a), un capteur est considéré comme défaillant si le signal électrique émis par ce capteur dépasse, à la hausse ou à la baisse, une valeur de seuil et/ou si la consommation de courant de ce capteur varie de façon pré- déterminée. L'invention concerne également un système de détermination de la position angulaire d'un élément tournant avec lequel on peut mettre en oeuvre le procédé tel que décrit ci-dessus et qui comprend une bague magnétique solidaire en rotation de l'élément tournant et pourvu de P paire(s) de pôles, avec P supérieur ou égal à 1, N capteurs aptes à émettre chacun un signal électrique représentatif d'un champ électrique, avec N supérieur ou égal à 2, et une unité de traitement de signaux émis par les différents capteurs. Ce système est caractérisé en ce que l'unité de traitement est apte à calculer un signal de remplacement pour un capteur défaillant et à utiliser ce signal de remplacement, à la place du signal électrique normalement émis par le capteur défaillant, pour calculer un signal représentatif de la position angulaire de l'élément tournant part rapport à l'élément non tournant. De façon avantageuse, les capteurs utilisés sont des cellules à effet Hall. L'invention concerne enfin un roulement à corps roulants comprenant une bague fixe et une bague tournante, ainsi qu'un système de détection tel que mentionné ci-dessus. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages de celle-ci apparaitront plus clairement à la lumière de la description qui va suivre de plusieurs modes de réalisation d'un procédé et d'un système conformes à son principe, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en référence aux dessins dans lesquels : - la figure 1 est une représentation schématique de principe d'un système conforme à l'invention mettant en oeuvre un procédé conforme à l'invention ; - la figure 2 est un schéma bloc d'un procédé conforme à l'invention et - la figure 3 est une représentation schématique partielle de principe d'un deuxième système conforme à l'invention. Le système 2 représenté à la figure 1 comprend une bague magnétique 4 à deux pôles, à savoir un pôle nord N et un pôle sud S. La bague 4 tourne autour d'un axe X4 perpendiculaire au plan de la figure 1. Cinq cellules à effet Hall CI à C5 sont régulièrement réparties autour de l'axe X4 et de la bague 4 et délivrent un signal électrique analogique, sous la forme d'une tension variable en fonction du temps, à une unité de traitement 8. Pour i entier naturel compris entre 1 et 5, on note U,(t) la tension délivrée par le capteur C;. En fonctionnement normal du système 2, les signaux U,(t) sont conditionnés et combinés, selon une approche analogue à celle mentionnée dans WO-A-2007/077389 afin de créer deux signaux déphasés de 90° électrique et permettant le calcul de la position angulaire de la bague 4 par rapport à une structure fixe supportant les cellules C. En pratique, la bague 4 peut être montée sur la bague tournante d'un roulement à billes, alors que les cellules C; sont supportées par une partie fixe du roulement, par exemple sa bague non tournante. Pour la clarté du dessin, les parties du roulement précitées ne sont pas représentées sur la figure 1. Les signaux U,(t) sont envoyés à l'unité 8 avec une fréquence qui est fonction de la vitesse de rotation prévue de la bague 4, par exemple toutes les 1 à 10 millisecondes. La position angulaire de la bague 4 autour de l'axe X4 peut être 30 repérée par un angle 0, entre une droite D4 passant par les deux interfaces entre les pôles Nord et Sud de la bague 4 et une droite Dz verticale à la figure 1 et passant par l'axe X4. Cet angle 0 varie en fonction du temps et l'on note 0(t) sa valeur en fonction du temps. L'unité 8 est destinée à émettre un signal électrique variable en fonction du temps et représentatif de la valeur instantanée de l'angle O. On note T(t) la valeur de ce signal en fonction du temps. L'unité 8 comprend un module 82 de conditionnement des signaux U.(t) et un module 84 de calcul de la valeur du signal T(t) en fonction du temps. Le calcul effectué dans le module 84 est basé sur les signaux conditionnés dans le module 82. En particulier, le module 82 permet de transformer les signaux analogiques constitués par les tensions U.(t) en des signaux numériques qui peuvent être traités par un calculateur intégré au module 84. Dans ce qui suit, on décrit le fonctionnement d'un système tel que le système 2 qui comprend N capteurs ou cellules à effet Hall, N étant un entier naturel supérieur ou égal à 3, ce système étant représenté partiellement à la figure 3. Dans l'exemple particulier représenté à la figure 1, N vaut 5. On note P le nombre de paires de pôles de la bague magnétique du système de la figure 3. Dans l'exemple particulier représenté à la figure 1, le nombre P vaut 1. En fonctionnement du système représenté à la figure 3, les différents signaux U.(t) sont vérifiés, dans une première étape 101, afin de déterminer si l'un ou plusieurs des capteurs C; du système est en défaut. Cette étape de vérification 101 peut avoir lieu en contrôlant la somme des tensions U.(t) provenant des différents capteurs C. En effet, en fonctionnement normal, cette somme peut être considérée comme sensiblement constante, aux tolérances près. En connaissant la valeur normale de la somme des tensions U.(t) , notamment du fait d'une utilisation antérieure du système 2, il est possible de fixer une valeur de seuil supérieure et une valeur de seuil inférieure, par exemple respectivement égales à la valeur normale +5% et à la valeur normale -5%. Dans ce cas, le système est considéré comme fonctionnant normalement, c'est-à-dire sans défaut d'un des capteurs C;, si pour i compris entre 1 et N, la somme S(t) des tensions U.(t) délivrées par les capteurs C; demeure comprise entre les valeurs de seuil supérieure et inférieure Au cours d'une étape 102, on détermine si tous les signaux U.(t) sont corrects. Si tel est le cas, on passe à une étape 103 dans laquelle on stocke dans une mémoire la valeur de la somme S(t) en vue d'une utilisation ultérieure comme base de comparaison. Dans ce cas également, on passe à une étape 104 dans laquelle les signaux U.(t) sont conditionnés, dans le module 82, puis la valeur du signal T(t) est déterminée dans une étape 105, au sein du module 84, par le calcul de son sinus et de son cosinus. Ceci correspond à un fonctionnement sans défaut du système 2. On considère le cas où N capteurs sont répartis de façon régulière autour d'une bague comprenant P pôle. Dans ce cas, en prenant comme position de référence la position d'un premier capteur C1, les différents capteurs ont une position angulaire autour de l'axe X4 qui vérifie la relation ço. =(iù1)* 2,c +k*2?~+C P*N P avec i entier naturel compris entre 1 et N, k entier relatif, et C une constante réelle. Dans le cas où il a été détecté lors de l'étape 102 qu'au moins un des capteurs C; est en défaut, une vérification supplémentaire est effectuée à l'étape 106 pour déterminer le nombre de capteurs défaillants. Cette détermination du nombre de capteurs défaillants est effectuée en vérifiant le fonctionnement de chaque capteur, par la comparaison de la valeur de son signal de sortie avec les valeurs de seuil ou par surveillance de la consommation électrique de ce capteur. En effet, dans le cas où un capteur est totalement hors d'usage, il délivre une tension de sortie nulle et ne consomme plus de courant. Dans d'autres types de panne, il délivre une tension de sortie largement supérieure à la valeur qu'il délivre en mode normal. Il est possible de comptabiliser lors de l'étape 106, le nombre de capteurs C; en défaut. Si ce nombre est supérieur ou égal à 2, on passe à une étape 107 dans laquelle l'unité de traitement 8 envoie un message d'erreur, éventuellement assorti d'un signal d'alarme. Dans ce cas, l'ensemble du système 2 est considéré comme ne pouvant pas remplir sa fonction. Dans le cas où un seul capteur est considéré comme défaillant, par exemple le capteur Cd, avec d entier naturel compris entre 1 et N, on passe à une étape 108 où un signal de remplacement Udrempl(t) est créé pour être utilisé dans le module 84 à la place du signal Ud(t) du capteur Cd défaillant. Chaque signal Ui(t), pour i compris entre 1 et N, peut s'exprimer sous la forme Ui(t)=Oi+Ai.sin(w.t+çpi) avec çoi défini comme précédemment, w égal à la période de rotation et Oi égal au décalage du signal Ui(t) par rapport à la valeur zéro, ce décalage étant par exemple de 2,5 volts pour une cellule à effet Hall, alors que Ai est l'amplitude sinusoïdal du signal Ui(t) autour de la valeur Oi . La somme S(t) des tensions issues des N capteur du dispositif 2, s'exprime de la façon suivante : N N S(t) = Ui(t) =1(Oi +Ai.sin(w.t+çoi)) i=1 En développant cette expression, la somme S(t) peut s'exprimer en fonction du temps sous la forme S(t) = Os + As . sin(w.t + Cps ) avec : i=1 et : AS =Vat+b2 arctan(b) si a > 0 a arctan(b) + 2r si a = O.) + A* sin(SZ.t + C) * cos((i -1) * -) + cos(SZ.t + C) * sin((i -1) * N ) =1 =1 N N = (Oi)+A*1 sin(SZ.t+C)*cos((iû1)*ù) +A*1 cos(SZ.t+C)*sin((iû1)*2) i=1 i=1 N , i=1 N , N N 2ic" N 27t- = (Oi)+A*sin(S2,.t+C)lf cos((iû1)*ù) +A*cos(S2,.t+C)l[ sin((iû1)*ù) i=1 i=1 N , i=1 N , A≠ 0 Or pour tout instant t, sin(5 t+C) ~ 0 cos(5 t+C)≠ 0 N N Prouver que s(t) = vi(t) = constante revient donc à prouver que 1('cos((iû1) * 2Y = 0 et i=1 N2A- sin((iû1)*ù) =0 N , Pour cela considérons l'intégrale suivante, par définition nulle sur une période: f sin(e)de=0 0 La discrétisation des intégrales de Riemann avec un pas constant, nous permet d'écrire, en discrétisant le signal en N parties égales correspondant au déphasage de 2rr/N des N cellules : 2,r N f sin(6)de = 0 1 N sin o i=1 1) * 27t-N, =0 Or N sinI(aù1)* ' =0 siniù1)* =o siniù1)* =0 i=1 1 N i=1 1 i=1 1 z~c Même raisonnement pour f cos(e)de=0 0 2;c On a donc 1 cos((i-1)*ù) =o et N 2,r sin((iù1)*ù) =0 N , Or S(t) = (Oi)+A*sin(S2,.t+C)~(cos((iù1)*2) +A*cos(S2,.t+C)sin((iù1 i=1 i=1 N , i=1 N Donc N S(t)=IOi i=1 AVeC Vie [1; N] , Oi = cste N On a donc démontré que S(t) =10i = constante i=1 Dans le cas où le capteur Cd est détecté comme défaillant, l'unité 8 calcule a postériori un signal de remplacement Udrempl(t) , variable en fonction du temps et qui a la valeur : N Udrempl (t) = S(t) ù 1 Ui (t) i=1≠d où S(t) est connue pour avoir été préalablement stockée en mémoire lors de l'étape 103. Avec les notations utilisées ci-dessus, Udrempl(t) peut s'exprimer : N Udrempl(t)=Os+As.sin (CO.t+Ts)ù lUi(t) i=1≠d Dans le cas particulier où les valeurs de Oi et Ai sont identiques pour tous les capteurs du système 2, la somme S(t) est constante et la valeur de Udrempl(t) peut s'exprimer avec l'équation suivante : N N N Udrempl(t) = 10i (t) ù l Ui (t) = constante ù l Ui (t) i=1 i=1=d i=1=d Il est donc possible de créer dans le système 2 un capteur ou une cellule dit � virtuel � qui est considéré comme générant un signal comparable à celui que devrait délivrer le capteur Cd, ce qui permet aux modules 82 et 84 à traiter les signaux comme en fonctionnement normal, alors même que la cellule Cd est en défaut. On obtient donc un fonctionnement correct du système 2 en mode dégradé, alors qu'un des capteurs C; est hors d'usage. Comme il ressort de la figure 3, les signaux émis des cellules Ui sont vérifiés par un module 86, comme expliqué en référence aux étapes 101, 102 et 106, et la valeur de S(t) est stockée par ce module dans une mémoire 88, en fonctionnement normal du système 2. Les valeurs de la somme S(t) stockées dans la mémoire 88 correspondant aux valeurs de cette somme sur une période de révolution de la bague 4, lorsque tous les capteurs C; fonctionnent normalement . La mémoire 200 peut stocker les valeurs pré-enregistrées sous forme analogique, par exemple au moyen de résistances, ou sous forme numérique. Dans le cas où un unique capteur Cd est comptabilisé comme défaillant à l'étape 106, alors une cellule virtuelle C'd est crée par le module 86 pendant l'étape 108, en accédant à la mémoire 88 dans laquelle sont stockées les valeurs pré-enregistrées de la somme S(t) mentionné ci-dessus et en calculant son signal de sortie virtuel Udrempl(t) pour chaque instant t, comme expliqué ci-dessus. Les signaux U1(t) .... Ud_1(t) , Udrempi (t) , Ud+1(t) à UN (t) sont fournis aux modules 82 et 84 qui peuvent alors fonctionner normalement, en exécutant les étapes 104 et 105. En particulier, le module 84 peut calculer, à chaque instant t, la valeur du signal T(t) sur la base des signaux conditionnés fournis par le module 82, dont le signal Udrempl(t). L'invention permet donc de créer un signal Udrempl(t) correspondant à celui Ud(t) qu'aurait du émettre le capteur défaillant Cd, à partir des signaux U.(t) émis par les autres capteurs et de la somme S(t) de ces signaux, telle qu'elle a été déterminée à un moment où le capteur fonctionne correctement. Le signal de remplacement peut être calculé de façon analogique ou numérique lors de l'étape 108. En effet, la soustraction peut être réalisée par des moyens analogiques ou par un microcalculateur. REVENDICATIONS1.- Procédé de détermination de la position angulaire (8) d'un élément tournant (4) par rapport à un élément non tournant, dans lequel on utilise une bague magnétique (4) solidaire en rotation de l'élément tournant et pourvue de P paires de pôles, avec P supérieur ou égal à 1, et N capteurs (C;) aptes à émettre chacun un signal électrique Ul(t) représentatif d'un champ magnétique, avec N supérieur ou égal à 2, caractérisé en ce qu'il comprend des étapes consistant à : a) ù vérifier (101, 102) chacun des signaux émis par les capteurs et déterminer si l'un au moins des capteurs est défaillant ; b) ù si au moins un capteur (Cd) est déterminé comme défaillant lors de l'étape a), compter (106) le nombre de capteurs défaillants ; c) ù si le nombre de capteurs défaillants est égal à 1, calculer (108) un signal de remplacement (Udrempl (t)) équivalent au signal électrique normalement émis par le capteur défaillant (Cd) et d) ù utiliser le signal de remplacement (UdYempi (t)) calculé à l'étape c) à la place du signal électrique (Ud (t)) normalement émis par le capteur défaillant (Cd) pour calculer un signal (T(t)) représentatif de la position angulaire (8(t)) de l'élément tournant (4) par rapport à l'élément non tournant. 2.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend une étape supplémentaire mise en oeuvre si aucun capteur est considéré comme défaillant lors de l'étape a) et consistant à : e) ù stocker (103) dans une mémoire (88) une valeur correspondant à la somme (S(t)) des signaux (Uti(t)) émis par les capteurs (C;). 3.- Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que, lors de l'étape c), le signal de remplacement (UdYempl(t)) est calculé comme égal à la différence entre la somme (S(t)) des signaux électriques délivrés par l'ensemble des capteurs (C;) avant détection de la défaillance du capteur (Cd) et la N somme (lUti(t)) des signaux électriques émis par les autres capteurs après =I≠d détection de la défaillance du capteur. 4.- Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'étape c), le signal de remplacement est calculé à un instant t selon l'équation : N N Udrempl (t) = 10i + Asa sin(wt + g ) ù 1 Ui (t) 1=1 i.1≠ d Où, pour i compris entre 1 et N, - Oi est le décalage par rapport à zéro du signal électrique émis par un capteur C;, - AS est égal à Va 2 + b2 , avec a égal à I Ai cos , b égal à I Ai sin et Ai égal à l'amplitude du signal électrique émis par un capteur C; - g vaut arctan (b ), si a > 0, et arctan (b) + n, si a 5.- Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que lors de l'étape c), le signal de remplacement est calculé à un instant t selon l'équation : N N Ud (t) _ 10i - 1 Ui (t) i=r =rad où, pour i compris entre 1 et N, - Oi est le décalage par rapport à zéro du signal électrique émis pas un capteur i, - Ui(t) est le signal électrique émis par le capteur C; à l'instant t. 6.- Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que lors de l'étape a), on considère qu'au moins un capteur est défaillant si la somme (S(t)) des signaux électriques émis par les N capteurs dépasse, à la hausse ou à la baisse, une valeur de seuil. 7.- Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que lors de l'étape a), un capteur (Cd) est considéré comme défaillant si le signal électrique émis par ce capteur dépasse, à la hausse ou à la baisse, une valeur de seuil et/ou si la consommation de courant de ce capteur varie de façon prédéteminée. 8.- Système (2) de détermination de la position angulaire d'un élément tournant par rapport à un élément non tournant par la mise en oeuvre d'un procédé selon l'une des revendications précédentes, ce système comprenant une bague magnétique (4) solidaire en rotation de l'élément tournant et pourvue de P paire(s)de pôle, avec P supérieur ou égal à 1, N capteurs (C;) aptes à émettre chacun un signal électrique représentatif d'un champ magnétique, avec N supérieur ou égal à 2, et une unité (8) de traitement de signaux (Uti(t)) émis par les différents capteurs, cette unité de traitement étant apte à calculer un signal de remplacement (UdYempl(t)) pour un capteur défaillant (Cd) et à utiliser ce signal de remplacement (en 84), à la place du signal électrique normalement émis par le capteur défaillant, pour calculer un signal (T(t)) représentatif de la position angulaire (8(t)) de l'élément tournant par rapport à l'élément non tournant. 9.- Système selon la revendication 8, caractérisé en ce que les capteurs (C;) sont des cellules à effet Hall. 10.- Roulement à corps roulants comprenant une bague fixe et une bague tournante (4), caractérisé en ce qu'il comprend un système (2) selon l'une des revendications 8 ou 9.