Brevet FR2987439A1 — publié le 20130830

Domaine de l'invention La présente invention concerne des dispositifs capteurs de position rotatifs. Arrière-plan de l'invention Les déclarations dans ce chapitre fournissent simplement des informations d'arrière-plan concernant la présente invention et ne peuvent pas constituer l'état de la technique antérieure. Un type de dispositif capteur de position rotatif est un résolveur qui inclut une bobine de rotor centrée et deux bobines de stator périphériques qui sont décalées de 90° l'une par rapport à l'autre. La bobine rotor est excitée par un voltage en courant alternatif, en induisant ainsi des signaux de voltage alternatifs dans les deux bobines de stator. Les amplitudes des voltages induits dépendent de la position en rotation de la bobine de rotor et elles représentent les valeurs sinus et cosinus de cette position en rotation. Ainsi, les deux signaux sont une indication de la position en rotation de la bobine de stator. La bobine de rotor pourrait par exemple être attachée à un arbre rotatif dont il s'agit de déterminer une position angulaire. Des résolveurs sont utilisés en aéronautique et dans des applications industrielles à titre d'exemple. Un autre type de dispositif capteur de position rotatif est un transformateur différentiel variable rotatif (RVDT) qui utilise également une bobine de rotor ou un noyau de rotor et deux bobines de stator qui produisent des signaux similaires à ceux d'un résolveur. Les signaux alternatifs induits d'un résolveur ou d'un RVDT sont injectés dans un convertisseur résolveur/numérique ou dans un convertisseur transformateur différentiel variable rotatif, respectivement, ce convertisseur calculant la position angulaire de la bobine de rotor à partir des signaux injectés. Cependant, les résolveurs et les RVDT sont lourds et leur prix est élevé. D'autre part, les convertisseurs pour de tels résolveurs et RVDT sont des pièces courantes et les signaux délivrés par ces convertisseurs sont standards dans les applications mentionnées ci-dessus. À titre de conséquence, les ingénieurs concepteurs souhaiteraient conserver ces convertisseurs, qui se fient cependant aux signaux de sortie du résolveur ou respectivement du RVDT. Un objectif de cette invention est de résoudre le conflit décrit ci-dessus. Sommaire de l'invention Ainsi, la présente invention propose un dispositif capteur de position rotatif qui comprend un capteur de position rotatif et un circuit électronique. Le capteur de position rotatif inclut un aimant rotatif qui crée un champ magnétique, et au moins une paire formée d'un premier et d'un second capteur de champ magnétique périphérique. Les capteurs de champ magnétique de chaque paire sont décalés de 90° l'un par rapport à l'autre et ils produisent deux signaux qui correspondent à des valeurs sinus et cosinus de la position en rotation de l'aimant. Le circuit électronique est configuré pour moduler les deux signaux de chaque paire avec une fonction sinusoïdale dépendante du temps et pour produire au moins une paire de signaux de sortie modulés. Selon une autre caractéristique, le champ magnétique à l'intérieur de l'aimant est un champ magnétique parallèle, c'est-à-dire que l'aimant est aimanté le long d'un axe unique. Selon une caractéristique avantageuse, l'aimant est aimanté le long d'un axe situé dans le plan de rotation de l'aimant. Selon encore une autre caractéristique, l'aimant est un disque plat, un cylindre ou une bague. Selon une autre caractéristique, la fonction sinusoïdale est fournie par un oscillateur interne ou par une source d'excitation externe. Selon encore une autre caractéristique, l'aimant est en rotation autour d'un axe de rotation, de sorte que l'aimant et les capteurs de champ magnétique de ladite au moins une paire de capteurs de champ magnétique sont positionnés dans un plan commun ou sont distribués sur des plans différents qui sont parallèles l'un à l'autre, ledit au moins un plan étant perpendiculaire à l'axe de rotation. Selon une autre caractéristique, les premiers capteurs de champ magnétique de la première et de la seconde paire de capteurs de champ magnétique ainsi que les seconds capteurs de champ magnétique de la première et de la seconde paire de capteurs de champ magnétique sont positionnés de telle façon qu'ils produisent deux paires de signaux qui sont inversés l'un par rapport à l'autre. Selon une caractéristique additionnelle, les premiers capteurs de champ magnétique de la première et de la seconde paire de capteurs de champ magnétique ainsi que les seconds capteurs de champ magnétique de la première et de la seconde paire de capteurs de champ magnétique sont positionnés diamétralement à l'opposé l'un de l'autre. Selon une autre caractéristique, le circuit électronique est configuré de telle façon que les signaux des premiers capteurs de champ magnétique ainsi que les signaux des seconds capteurs de champ magnétique sont soustraits l'un de l'autre pour produire un signal différentiel respectif. Selon une caractéristique avantageuse, les capteurs de champ magnétique de la première et de la seconde paire sont positionnés dans un plan commun qui est perpendiculaire à l'axe de rotation de l'aimant et qui est situé à distance de l'aimant, de sorte que chacun des capteurs de champ magnétique possède un axe actif qui est parallèle à l'axe de rotation de l'aimant. En d'autres termes, les capteurs de champ magnétique sont agencés dans un plan commun qui est parallèle au plan de rotation de l'aimant à distance de l'aimant le long de l'axe de rotation de l'aimant. L'axe actif des capteurs de champ magnétique définit la direction le long de laquelle le capteur de champ magnétique respectif est sensible au champ magnétique, c'est-à-dire que le capteur de champ magnétique respectif détecte uniquement la composante du champ magnétique projeté sur son axe actif. Dans ce mode de réalisation, les axes actifs des capteurs de champ magnétique sont parallèles l'un à l'autre et parallèles à l'axe de rotation de l'aimant. Selon une autre caractéristique, le circuit électronique est configuré pour produire d'abord les deux signaux différentiels et pour moduler ensuite les deux signaux différentiels, de sorte qu'au total uniquement une paire de signaux de sortie modulés est générée en se basant sur les deux paires. Selon une autre caractéristique, le dispositif capteur de position rotatif est configuré de telle façon que chacune d'une pluralité de paires de capteurs de champ magnétique produit une paire de signaux de sortie modulés indépendamment les uns des autres. Selon un autre aspect, la présente invention propose un appareil comprenant un dispositif capteur de position rotatif conforme à ce qui précède, et un convertisseur-résolveur ou un convertisseur transformateur différentiel variable rotatif/linéaire (RVDT/LVDT), les signaux de sortie du dispositif capteur de position rotatif étant directement injectés dans le convertisseur. Le dispositif capteur de position rotatif de la présente invention imite fondamentalement les signaux de sortie d'un résolveur ou d'un RVDT, et peut donc constituer directement une interface avec un résolveur commun ou des convertisseurs RVDT/LVDT. À titre de conséquence, le dispositif capteur de position rotatif de la présente invention convient pour remplacer aisément des résolveurs et des RVDT connus dans l'état de la technique antérieure sans autre complication. Cela est rendu possible en modulant ou en multipliant les signaux sinus et cosinus produits par le capteur de position rotatif avec la fonction sinusoïdale dépendante du temps. Par contraste avec des résolveurs ou des RVDT, le dispositif capteur de position rotatif de la présente invention fonctionne sans utiliser des bobines d'excitation et des bobines de détection lourdes et coûteuses. Selon un autre avantage, les signaux de sortie du dispositif capteur de position rotatif de la présente invention sont des signaux de position absolue qui n'exigent pas de calibrage du dispositif capteur de position rotatif même si l'aimant rotatif s'est déplacé lorsque l'alimentation de puissance est coupée (capteur dit "true power on" ou "donnant une position réelle à la mise en marche"). Le capteur de position rotatif par lui-même, y compris une paire de capteurs de champ magnétique qui détectent le champ magnétique d'un aimant rotatif, est connu de la demande de brevet européen EP 1 083 406 A2, par exemple. D'autres domaines d'application seront apparents à la lecture de la description présentée ici. On devrait comprendre que la description et les exemples spécifiques sont destinés uniquement à des fins d'illustration et ne sont pas entendus comme limitant la portée de la présente invention. Dessins Les dessins ici décrits sont uniquement donnés à des fins d'illustration et ne sont pas entendus comme limitant la portée de la présente invention de quelque manière que ce soit. La figure 1 est un circuit équivalent d'un dispositif capteur de position rotatif en accord avec la présente invention, dans un premier mode de réalisation ; la figure 2 est un circuit équivalent d'un dispositif capteur de position rotatif en accord avec la présente invention, dans un second mode de réalisation ; la figure 3 est un détail du circuit équivalent de la figure 2 ; et la figure 4 est un autre détail du circuit équivalent de la figure 2. Description détaillée La description qui va suivre est simplement de nature exemplaire et n'est pas entendue comme limitant la présente invention, ses applications ou ses utilisations. On devrait comprendre que, dans tous les dessins, des numéros de référence correspondants indiquent des parties et des caractéristiques identiques ou correspondantes. En se référant maintenant à la figure 1, celle-ci illustre un dispositif capteur de position rotatif 10 qui inclut un capteur de position rotatif 12 et un circuit électronique 14. Le dispositif capteur de position rotatif 10 est connecté à un convertisseur résolveur/numérique ou à un conditionneur de signal transformateur différentiel variable rotatif/linéaire 16. Le capteur de position rotatif 12 comprend un aimant rotatif centré 18 qui créé un champ magnétique parallèle 20 à l'intérieur de l'aimant 18 et dans son voisinage, c'est-à-dire que l'aimant 18 est aimanté diamétralement d'une manière parallèle. L'aimant 18 est en rotation autour d'un axe de rotation 22 et il peut être un disque plat, un cylindre ou une bague. L'aimant 18 s'étend dans un plan qui est perpendiculaire à l'axe de rotation 22. Additionnellement, le capteur de position rotatif 12 comprend une paire de capteurs de champ magnétique 24a, 24b, comme par exemple des capteurs de Hall. Les capteurs de champ magnétique 24a, 24b sont déplacés radialement par rapport à l'aimant 18 de la même distance et ils sont décalés angulairement de 90° l'un par rapport à l'autre. Chacun des capteurs de champ magnétique 24a, 24b est capable de produire un signal de voltage qui est une indication de l'intensité du champ magnétique 20 à la position du capteur de champ magnétique respectif 24a, 24b. Comme les deux capteurs de champ magnétique 24a, 24b sont décalés de 90° l'un par rapport à l'autre, les deux signaux de voltage représentent des valeurs sinus et cosinus de la position en rotation 0 de l'aimant 18, et ainsi de la position en rotation d'un arbre rotatif ou similaire sur lequel l'aimant 18 est attaché. Les deux signaux sont en quadrature, c'est-à-dire qu'ils sont décalés de 90° en phase, lorsque l'aimant 18 est tourné. Les deux capteurs de champ magnétique 24a, 24b peuvent être agencés dans le même plan ou dans deux plans parallèles, chaque plan étant perpendiculaire à l'axe de rotation 22. L'aimant 18 d'une part et les deux capteurs de champ magnétique 24a et 24b d'autre part, peuvent être agencés dans le même plan ou dans des plans différents. Le circuit électronique 14 comprend deux multiplicateurs 26a, 26b, qui sont chacun connectés à l'un des deux capteurs de champ magnétique 24a, 24b et à une source d'excitation commune 28 qui fournit une fonction sinusoïdale dépendante du temps Vosc = n Sin(o)t). La source d'excitation 28 peut être un oscillateur interne ou une source de voltage externe. En d'autres termes, le signal sinus Vy = k Sin(0) du capteur de champ magnétique 24a est modulé avec la fonction sinusoïdale au moyen du multiplicateur 26a, et le signal cosinus Vx = k Cos(0) du capteur de champ magnétique 24b est modulé avec la fonction sinusoïdale au moyen du multiplicateur 26b. De cette manière, le dispositif capteur de position rotatif 10 engendre deux signaux de sortie modulés dans le temps Vsin, Vcos qui sont identiques aux signaux de sortie qui seraient créés par un résolveur commun ou par un transformateur différentiel variable rotatif commun (RVDT) qui détecte la position angulaire d'un arbre rotatif ou similaire. Ainsi, le dispositif capteur de position rotative (10) peut être mis en interface avec le convertisseur commun résolveur/numérique ou le conditionneur de signal transformateur différentiel variable rotatif/linéaire 16 qui est habituellement connecté en série à un résolveur ou à un RVDT. En bref, le dispositif capteur de position rotatif 10 peut simplement remplacer un résolveur ou un RVDT sans que d'autres changements soient nécessaires. Le convertisseur résolveur/numérique ou le conditionneur de signal transformateur 2 9 8 743 9 8 différentiel variable rotatif/linéaire 16 est configuré entre autres pour démoduler les signaux de sortie modulés dans le temps du dispositif capteur de position rotatif 10. 5 Le dispositif 10 est léger, sa consommation de puissance est faible, et il permet un fonctionnement à haute vitesse. Le capteur de position rotatif 12 est un capteur de type sans contact et il est donc moins sujet aux défaillances. De plus, le capteur de position rotatif 12 n'exige aucun noyau magnétique ou concentrateur de champ, et c'est un capteur 10 fournissant une valeur vraie à la mise en marche ("true power on sensor"). En outre, le dispositif capteur de position rotatif 10 n'utilise aucun microcontrôleur possédant des composants logiciels et/ou programmables, ce qui est un avantage significatif pour des applications aéronautiques dans lesquelles les systèmes électroniques 15 doivent satisfaire la norme DO 178. Le signal de sortie numérique du convertisseur ou du conditionneur de signal 16 peut être encore traité par un autre système électronique 30, et ainsi être converti soit en variante soit additionnellement en un signal 20 analogique, un signal de bus et/ou tout autre signal ou un signal non standard. Le convertisseur ou le conditionneur de signal 16 et/ou l'autre système électronique 30 peuvent faire partie du dispositif capteur de position rotatif 10 ou encore être conçus séparément du dispositif 10. 25 En principe, le dispositif capteur de position rotatif 10 nécessite uniquement une paire de capteurs de champ magnétique (pôles) 24a, 24b. Cependant, le dispositif 10 peut inclure plus d'une paire de capteurs. La figure 2 montre un mode de réalisation du dispositif 10 qui inclut le même genre d'aimant 18, la première paire de capteurs de 30 champ magnétique 24a, 24b, et une seconde paire de capteurs de champ magnétique 32a, 32b. La première et la seconde paire de capteurs de champ magnétique 24a, 24b, 32a, 32b sont positionnés diamétralement opposées l'une à l'autre et décalées de 180° respectivement. Cela signifie que le premier capteur de champ 35 magnétique 24a de la première paire et le premier capteur de champ magnétique 32a de la seconde paire sont positionnés diamétralement opposés l'un à l'autre. De façon similaire, le second capteur de champ magnétique 24b de la première paire et le second capteur de champ magnétique 32b de la seconde paire sont positionnés diamétralement opposés l'un à l'autre. Chacun des capteurs de champ magnétique 24a, 24b, 32a, 32b possède un axe actif, c'est-à-dire un axe de sensibilité au champ magnétique 20. Dans le mode de réalisation de la figure 2, quand les capteurs de champ magnétique 24a, 24b, 32a, 32b et l'aimant 18 sont positionnés dans un plan commun, les axes actifs peuvent se trouver dans ce plan commun de telle façon que les axes actifs des capteurs de champ magnétique diamétralement opposés 24a, 32a ou 24b, 32b coïncident mais s'étendent le long de directions opposées. En tant que tel, l'aimant 18 agit différemment, c'est-à-dire avec un signe différent, sur les capteurs de champ magnétique diamétralement opposés 24a et 32a ou respectivement 24b et 32b. Par exemple, si le capteur de champ magnétique 24a "voit" un pôle nord de l'aimant 18 et fournit un voltage positif, le capteur de champ magnétique diamétralement opposé 32a "voit" un pôle sud et fournit un voltage négatif En résultat de cette configuration, la première et la seconde paire de capteurs de champ magnétique 24a, 24b, 32a, 32b produisent des signaux qui sont inversés l'un par rapport à l'autre. Le signal sinus Vyi = y Sin(0) du premier capteur de champ magnétique 24a de la première paire et le signal sinus inversé Vy2 = -y Sin(0) du premier capteur de champ magnétique 32a de la seconde paire sont injectés dans un premier amplificateur différentiel 34a, et le signal cosinus Vx1 = x Cos(0) du second capteur de champ magnétique 24b de la première paire et le signal cosinus inversé Vx2 = -x Cos(0) du second capteur de champ magnétique 32b de la seconde paire sont injectés dans un second amplificateur différentiel 34b. Ainsi, les signaux des premiers capteurs de champ magnétique 24a, 32a, ainsi que les signaux des seconds capteurs de champ magnétique 24b, 32b sont respectivement soustraits l'un de l'autre. Les deux signaux différentiels résultants délivrés par les amplificateurs différentiels 34a, 34b sont Vyi - Vy2 = 2 y Sin(0) et Vx1 - Vx2 = 2 y Cos(0). 2 9 8 74 3 9 10 Comme généralement montré dans la figure 3, la configuration de la figure 2 (les capteurs de champ magnétique 24a et 32a ou 24b et 32b sont positionnés diamétralement à l'opposé les uns des autres) peut être 5 utilisée pour annuler une perturbation magnétique externe P. Dans le cas d'une perturbation magnétique externe P, la configuration selon le mode de réalisation de la figure 2 a généralement l'avantage que la perturbation P Sin((3) (ou P Cos((3)) contribue avec les mêmes signes aux signaux Vyi et Vy2 (ou Vx1 et Vx2) et dans les différences 10 Vyi - Vy2 et Vx1 - Vx2. Par exemple, pour les capteurs de champ magnétique 24a, 32a, la différence donne : Vyi - Vy2 = (y Sin(0) + P Sin((3)) - (-y Sin(0) + P SinQ3)) = 2 y Sin(0). À titre de conséquence, une perturbation magnétique externe P n'aura aucune influence négative ou seulement une faible influence négative sur la précision de 15 mesure du dispositif capteur de position rotatif 10. Plus spécifiquement, comme montré schématiquement dans la figure 3 pour le premier capteur de champ magnétique 24a de la première paire et le premier capteur de champ magnétique 32a de la seconde paire, les 20 capteurs de champ magnétique des deux paires peuvent être positionnés dans un plan commun qui est perpendiculaire à l'axe de rotation 22 (axe z) de l'aimant rotatif 18 et disposés à une distance de l'aimant 18 et de son plan de rotation. À nouveau, l'aimant 18 est aimanté le long d'un axe unique 34 qui est perpendiculaire à l'axe de rotation 22, et est donc 25 situé dans le plan de rotation de l'aimant 18 (plan x/y). Chacun des capteurs de champ magnétique 24a, 32a (et 24b, 32b, non représentés) possède un axe actif qui est parallèle à l'axe de rotation 22 de l'aimant 18, c'est-à-dire qui est parallèle à l'axe z montré dans la figure 4. Le champ magnétique 20 créé par l'aimant rotatif 18 à l'extérieur de 30 l'aimant 18 s'étend non seulement dans le plan de rotation de l'aimant 18 (plan x/y) mais également au-dessus et au-dessous de l'aimant 18, c'est-à-dire dans une direction z positive et négative. En tant que tel, le capteur de champ magnétique 24a est sensible à la 35 composante 20-1 du champ magnétique 20 projetée sur son axe actif (axe z) et le capteur de champ magnétique 32a est sensible à la composante 20-2 du champ magnétique 20 projetée sur son axe actif (axe z). Comme le champ magnétique 20 doit suivre un trajet fermé (boucle) à l'extérieur de l'aimant 18, les composantes 20-1, 20-2 détectées par les capteurs de champ magnétique 24a et 32a ont des signes différents comme montré dans la figure 4. Par contraste, une perturbation magnétique externe P est créée à l'extérieur du dispositif capteur de position rotatif 10 (par exemple par des moteurs électriques lourds, des bobines ou des électroaimants de grande taille agencé(e)s à une distance importante par comparaison à la distance entre les capteurs de champ magnétique 24a, 32a et l'aimant 18). La perturbation magnétique externe P s'étend par conséquent uniformément à travers le dispositif capteur de position rotatif 10 et affecte ainsi les capteurs de champ magnétique 24a, 32a de façon similaire et avec le même signe. La figure 4 montre la composante P-1 de la perturbation magnétique externe P projetée sur l'axe actif du capteur de champ magnétique 24a et la composante P-2 de la perturbation magnétique externe P projetée sur l'axe actif du capteur de champ magnétique 32a, les deux composantes P-1 et P-2 ayant le même signe. Par conséquent, comme expliqué en relation avec la figure 3, une soustraction des signaux des capteurs de champ magnétique 24a et 32a l'un de l'autre aura pour effet d'annuler la perturbation magnétique externe P. Dans le mode de réalisation de la figure 2, on établit en premier les signaux différentiels et ensuite, les signaux différentiels sont modulés avec la fonction dépendante du temps. En principe, il est aussi possible que chacun des signaux des capteurs de champ magnétique 24a, 24b, 32a, 32b soit modulé avec la fonction dépendant du temps en premier lieu, et d'établir ensuite les signaux différentiels. Dans les deux cas, le nombre de signaux délivrés par le dispositif capteur de position rotatif 10 est égal à deux (en se basant sur quatre signaux de capteur de champ magnétique). On devrait noter que la seconde paire de capteurs de champ magnétique ne doit pas être nécessairement utilisée pour faire fonctionner le dispositif capteur de position rotatif dans un mode différentiel ainsi que montré dans la figure 2. Il est aussi possible d'utiliser la seconde paire ou plusieurs de ces paires pour produire des signaux de sortie modulés indépendamment de la première paire et/ou indépendamment les unes des autres. Les diverses paires peuvent être alors décalées les unes des autres d'un angle quelconque. Dans ce cas, on pourra prévoir des signaux modulés redondants pour réduire le taux de défaillance du dispositif capteur de position rotatif, ce qui est particulièrement avantageux pour des applications exigeant un haut niveau de sécurité. Les hommes de métier pourront maintenant apprécier à partir de la description qui précède que les larges enseignements de la présente invention peuvent être mis en oeuvre sous toute une variété de formes. Ainsi, alors que cette invention a été décrite en association avec des exemples particuliers, la véritable portée de l'invention ne devrait pas y être limitée étant donné que d'autres modifications seront apparentes aux hommes de métier compétents à l'étude des dessins, de la description et du reste de la demande.