Brevet FR2999363A1 — publié le 20140613

L'invention se rapporte à un ensemble de détection de position d'une pièce mobile à tension de décalage diminuée comportant un capteur de position de type inductif et des équipements de traitement de signal de ce capteur. L'erreur de mesure de tension d'un capteur, appelée tension de décalage, correspond à la différence entre la valeur mesurée de la position de la pièce mobile et la position réelle de cette pièce. Ainsi, en application principale, mais non exclusive, l'invention concerne l'amélioration de la mesure de position donnée par les capteurs rotatifs. Ces capteurs rotatifs ont de nombreuses applications dans le domaine de l'automatisme industriel, en particulier chaque fois qu'il est nécessaire de surveiller, avec une précision suffisante, la position d'un élément mécanique en mouvement. Par exemple, la surveillance de la position angulaire d'un moteur tournant jusqu'à 15000 tours par minute est systématique. Les capteurs de position de type inductif donnent la position de pièces mécaniques grâce à l'analyse de courants électriques ou de tensions variant en fonction du déplacement d'un élément d'une pièce en mouvement. Cet élément mobile peut être soit la pièce elle-même, soit un élément mobile appelé cible, fixé sur la pièce et dont on veut connaître la position. Les tensions électriques à analyser sont induites, dans le cas de capteurs à induction plans, par un courant alternatif à haute fréquence parcourant un circuit fixe, appelé circuit primaire, généralement disposé en forme de boucle sur une surface plane. Ce courant alternatif à haute fréquence induit un champ magnétique à la même fréquence que l'intensité qui le parcourt, dans au moins un circuit secondaire. Les circuits secondaires sont également fixes. Chaque circuit secondaire est placé sur une surface plane proche de celle du circuit primaire, en formant au moins deux boucles pour lesquelles les couplages entre le circuit primaire et les boucles des circuits secondaires créent un flux magnétique dans chacune des boucles des circuits secondaires. La cible mobile coupe le passage du flux magnétique, et en conséquence la tension induite par le champ magnétique dans les boucles varie en fonction de la position de la cible devant ces boucles. Le capteur à induction peut avoir une construction plane, mais aussi une construction axiale, avec le circuit primaire et les circuits secondaires en forme de solénoïdes, et la cible, de forme cylindrique, qui avance et recule entre le solénoïde du primaire et les solénoïdes des secondaires. La résultante en termes d'analyse des tensions aux bornes des circuits secondaires est la même. Des mesures de tension sont faites aux bornes des enroulements secondaires, et les tensions mesurées décrivent des courbes apparentées à des 35 sinusoïdes, entre une valeur minimale négative et une valeur maximale positive. Dans le cas classique où deux circuits secondaires sont positionnés, la courbe d'un enroulement secondaire est celle d'un sinus et celle de l'autre enroulement secondaire est celle d'un cosinus. Le résultat des tensions recueillies aux bornes des circuits secondaires est d'abord traité pour être mis en forme : en premier, une démodulation enlève la composante à haute fréquence due au courant du circuit primaire, puis un calcul à partir des signaux appelés signaux sinus et cosinus, issus des circuits secondaires, fournit la position angulaire de la cible à l'aide d'une fonction arc tangente. Le traitement de ces signaux est décrit par exemple dans les documents de 10 brevet FR 2 542 468, EP 0 182 085 ou EP 0 468 642. Il utilise principalement les équipements suivants, entre les bornes de sortie des enroulements secondaires et les bornes de sortie du capteur : - un amplificateur accolé aux bornes de chaque circuit secondaire, destiné à amplifier le signal reçu de l'un ou de l'autre circuit secondaire ; de préférence, 15 un amplificateur par circuit secondaire traite les deux circuits simultanément, ce qui permet de ne pas retarder le traitement des signaux ; - un circuit de mise en forme du signal avec démodulation et filtre passe-bas ; la démodulation est effectuée par des multiplexeurs connectés en interrupteurs (appelés aussi « switch »). A la sortie de ce circuit de mise en forme, on obtient 20 un signal en forme de sinus correspondant à un circuit secondaire et, pour l'autre circuit secondaire, un signal en forme de cosinus. Ces signaux sinusoïdaux qui représentent le déplacement de la cible sont déformés par des impulsions parasites (cf. références 10, 11 et 13 à la figure 2). Ces déformations se manifestent par des signaux parasites dans les courbes sinusoïdales 25 comme illustré par les figures 1 et 2 ci-après, ce qui entraine des erreurs dans le calcul de la position angulaire de la cible. Ces signaux parasites 10, 11 et 13 sont inhérents à la constitution des capteurs selon l'état de la technique, et sont principalement dus aux deux équipements suivants : l'amplificateur qui amplifie aussi bien la valeur mesurée que les erreurs, et les commutateurs servant de démodulateur. En effet, une des sorties de ces 30 commutateurs n'est connectée à aucun élément, ce qui injecte des impulsions parasites dans la boucle d'asservissement de l'amplificateur lorsque le multiplexeur est connecté dans cette boucle. Ces signaux parasites créent des erreurs de mesure. L'invention vise à s'affranchir de ces erreurs de mesure dites tensions de décalage, en optimisant l'architecture du montage des éléments servant au traitement et à 35 l'analyse des signaux, afin de minimiser l'impact de ces tensions de décalage. Plus précisément, la présente invention a pour objet un ensemble de détection destiné à la mesure de la position d'un élément mobile avec une tension de décalage diminuée. Cet ensemble comporte un capteur de type inductif pourvu d'un enroulement primaire fixe, d'un ou plusieurs enroulements secondaires fixes, un élément mobile apte à modifier le champ magnétique créé dans les enroulements secondaires pour induire un signal indiquant la position de cet élément mobile. Cet ensemble comporte également, en liaison avec la sortie des enroulements secondaires du capteur, des équipements de traitement de signal de ce capteur comprenant notamment des amplificateurs de signal, des multiplexeurs reliés aux bornes de sortie via des filtres passe-bas. Dans cet ensemble, les amplificateurs sont connectés d'un côté aux filtres passe-bas et de l'autre côté aux bornes de sortie du capteur. Insérer les amplificateurs après le traitement du signal, du côté des bornes de sortie du capteur et non à côté des bornes de sortie des enroulements secondaires, présente l'avantage d'amplifier des signaux qui ont déjà été épurés de leurs impulsions parasites. Selon des particularités avantageuses, l'ensemble de détection selon 15 l'invention comporte : - au moins un filtre RC (c'est-à-dire un filtre comprenant une résistance R et une capacité C) traversé par la tension issue de chaque enroulement secondaire, ce qui supprime une injection non désirée de charge électrique dans le circuit de mesure ; 20 - deux multiplexeurs connectés en parallèle traversés chacun par la tension issue de chacun des filtres RC et aptes à commuter entre le filtre passe-bas et un point commun situé entre les enroulements secondaires afin d'éliminer la composante haute fréquence de ces tensions. Avantageusement, avec le câblage de la sortie des multiplexeurs connectée 25 au point commun entre les enroulements secondaires fixes, l'impact de l'impulsion électrique dû à la commutation des multiplexeurs sur le résultat de la mesure est diminué. De plus, avec les filtres RC insérés entre les bornes de sortie des enroulements secondaires et les multiplexeurs, les impulsions parasites créées par le fonctionnement des multiplexeurs ont une durée sensiblement raccourcie. 30 L'invention se rapporte également à un procédé de diminution de tension de décalage du signal issu d'un capteur de position de type inductif dans lequel l'ensemble de détection ci-dessus est utilisé. Ce procédé consiste à traiter successivement et dans cet ordre le signal issu d'un enroulement secondaire de l'ensemble de détection : - par un filtrage RC, 35 - par un multiplexage servant à démoduler le signal, - par un filtrage passe-bas pour enlever les composantes à haute fréquence de ce signal, et - par une amplification avant de traverser les bornes de sortie dudit capteur. D'autres données, caractéristiques et avantages de la présente invention, au regard de l'état de la technique, apparaîtront à la lecture de la description non limitée qui suit, en référence aux figures annexées qui représentent, respectivement : la figure 1, le schéma de réalisation de la partie d'un capteur servant au traitement des signaux reçus, selon l'état de l'art ; la figure 2, un diagramme représentatif de la courbe de tension à la sortie des amplificateurs du capteur selon l'état de l'art ; la figure 3, le schéma d'un exemple de réalisation des équipements de traitement de signal d'un ensemble de détection selon invention ; et la figure 4, un diagramme représentatif de la courbe de tension à l'entrée des multiplexeurs de l'ensemble de détection selon l'invention. La figure 1 illustre un ensemble de détection D de l'art antérieur destiné à la mesure de la position d'un élément mobile ou cible M comportant un capteur C de type inductif pourvu d'un enroulement primaire 1 b, de deux enroulements secondaires la et lc, d'une cible M apte à modifier le champ magnétique crée dans les enroulements secondaires 1 a, lc pour induire un signal indiquant la position de la cible M vis-à-vis du capteur C. La figure 1 illustre également selon l'état de l'art, la partie 200 du capteur C dédié au traitement du signal de position. Cette architecture est détaillée entre les deux enroulements secondaires la et lc dudit capteur C et les deux bornes de sortie 31 et 32 de la partie de traitement 200 de ce capteur C. Les tensions Va et Vc aux bornes des enroulements secondaires la et lc sont une modulation de deux tensions sinusoïdales : une tension émanant de la mesure de la position de la cible M par le capteur C, et une tension haute fréquence induite par le courant haute fréquence circulant dans l'enroulement primaire lb. L'architecture entre les enroulements secondaires la et lc et les bornes de sortie 31 et 32 permet de démoduler les deux tensions Va et Vc en supprimant la tension haute fréquence et en ne gardant que la tension émanant de la mesure de la position de la cible M. Cette architecture permet d'éliminer au mieux les impulsions parasites. Afin d'effectuer ces opérations de démodulation et de filtrage, l'architecture selon l'état de l'art comprend des amplificateurs 2a, 2c, des multiplexeurs 5a à 5d, et des filtres passe-bas 9a à 9d. Accolé aux bornes de chaque enroulement secondaire la et lc, un amplificateur 2a ou 2c amplifie le signal reçu d'un facteur de l'ordre de 20 à 50. Le signal amplifié par l'amplificateur 2a, 2b et issu de l'enroulement secondaire la (respectivement 1c), subit une démodulation synchrone avec la fréquence de la tension Va (Vc). Il se partage ensuite sur deux circuits : les alternances positives passent par le multiplexeur connecté en interrupteur 5a (5c) et le filtre passe-bas 9a (9c), et les alternances négatives passent par le multiplexeur connecté en interrupteur 5b (5d) et le filtre passe-bas 9b (9d). Les multiplexeurs 5a, 5b (5c, 5d) injectent des impulsions parasites lors de 5 l'envoi de charges dans le circuit de traitement de signal. De plus, les sorties 7a à 7d des multiplexeurs 5a à 5d ne sont pas connectées, et à chaque changement d'état de ceux-ci, des impulsions parasites sont transmises dans le circuit de traitement. Le signal de sortie Ssin aux bornes 31 est de forme sinusoïdale et le signal de sortie Scos aux bornes 32 est également de forme sinusoïdale, et décalé de 900 du 10 signal Ssin, du fait du câblage électrique à 90° des deux enroulements secondaires la et lc. Comme illustré par le diagramme de la figure 2, chaque tension Vs mesurée à la sortie des amplificateurs 2a ou 2c est de forme sinusoïdale haute fréquence. L'amplitude de cette sinusoïde varie en fonction de la position angulaire 0 de la cible. 15 Or la sinusoïde présente plusieurs irrégularités par cycle : ici deux impulsions parasites 10 et 11, et une déformation 13 formant un épaulement. Ces irrégularités de tension sont principalement dues au fonctionnement des multiplexeurs 5a à 5d. Après l'étape de démodulation, ces irrégularités constituent la « tension de décalage » et faussent l'information restituée sur la position de la cible M que doit surveiller le 20 capteur C. La figure 3 montre un exemple de réalisation des équipements de traitement de signal 100 d'un ensemble de détection D' selon l'invention apte à diminuer sensiblement les irrégularités de tension relevées. Cette architecture est détaillée sur la figure 3 entre les deux enroulements secondaires la et 1 c du capteur C' et les deux 25 bornes 31 et 32 de sortie de ce capteur C'. Aux bornes de l'enroulement secondaire la (respectivement 1c) est connecté un filtre RC, c'est-à-dire comprenant une résistance 30a (30c) et d'un condensateur 32a (32c). Ce filtre forme un circuit RLC en boucle Ba (Bc) avec l'enroulement secondaire la (1c) d'inductance L. Ce filtre RLC est destiné à éliminer les impulsions parasites créées 30 par les multiplexeurs 34a, 34b (34c, 34d) lors de l'envoi de charges dans les équipements du traitement de signal 100. Les composants de ce circuit RLC sont choisis afin de minimiser l'impact de ces charges - une valeur de capacité élevée est alors recherchée - tout en évitant de transformer la boucle Ba (Bc) en circuit oscillant grâce à la mise en oeuvre d'une valeur 35 R x C faible. A cette fin, un compromis est donc recherché. Dans l'exemple illustré, la résistance R est choisie pour que : R avec L : valeur de l'inductance de l'enroulement secondaire la (1c), C : valeur de la capacité du condensateur 32a (32c), et R : valeur de la résistance 30a (30c). Le signal issu de l'enroulement secondaire la (1c) et filtré par le filtre RC, 5 traverse ensuite deux multiplexeurs 34a, 34b (34, 34d) montés en parallèle en commutant entre un filtre passe-bas 36a, 36b (36c, 36d) et un point commun 33, situé entre les deux enroulements secondaires la et 1 c. Dans cet exemple, le multiplexeur 34a ne laisse passer que les alternances positives du signal, les alternances négatives étant conduites au point commun 33. De manière semblable, le multiplexeur 34b ne laisse passer que les 10 alternances négatives grâce à un montage inversé par rapport au précédent, les alternances positives étant conduites au point commun 33. Les alternances de signal filtrées par les filtres passe-bas 36a, 36b (36c, 36d) traversent alors un amplificateur 38a (38c) qui amplifie le signal d'un facteur de l'ordre de quelques dizaines. L'amplification en fin de traitement permet de fournir un signal de 15 sortie sinusoïdal S'sin (S'cos) dépourvu d'irrégularités sans en introduire de nouvelles et le signal de sortie a une forme sinusoïdale en fonction du déplacement de la cible M. Les enroulements secondaires la (1 b) étant installés de manière à fournir des courants sinusoïdaux décalés de 900 l'un par rapport à l'autre, les deux signaux de sortie S'sin et S'cos sont également décalées de 90°. 20 En référence au diagramme de la figure 4, qui correspond à celui de la figure 2 pour un ensemble de détection D' de position selon l'invention, la tension à l'entrée des multiplexeurs Vs' est illustrée en fonction du temps. Cette tension Vs' est mesurée entre les bornes al / b3 et la masse pour les multiplexeurs 34a et 34b ou entre les bornes cl / d3 et la masse pour les multiplexeurs 34c et 34d. Elle est de forme quasi- 25 sinusoïdale. Cette sinusoïde ne présente, par période, que deux fines impulsions parasites 40 et 42, et ne présente pas de déformation (comme la déformation en forme d'épaulement 13 visible sur la figure 2). L'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation décrits et représentés. Ainsi elle peut aussi s'adapter à différentes formes de capteurs inductifs ou 30 de « resolvers » : construction plane avec des enroulements primaire et secondaires réalisés sur une surface plane, ou de construction en hélice ou solénoïdale. Par ailleurs, l'amélioration apportée au signal obtenu en sortie des enroulements secondaires peut s'adapter à différents types de capteurs ou de resolvers sans sortir du cadre de l'invention, par exemple : électromagnétiques, inductifs, ou 35 capacitifs. De plus, l'invention s'applique pour des capteurs comportant un ou plus de deux enroulements secondaires. En effet, les capteurs simples à enroulement secondaire unique fournissent un seul signal sinusoïdal de type S'sin ou S'cos qui est traité par les équipements selon l'invention. Lorsque les capteurs ont plus de deux enroulements secondaires, on obtient d'autres signaux de type S'sin et S'cos qui sont également traités par les équipements selon l'invention. REVENDICATIONS1. Ensemble de détection (D') destiné à la mesure de la position d'un élément mobile (M) avec une tension de décalage diminuée, comprenant : - un capteur (C') de type inductif pourvu : - d'un enroulement primaire (1 b) fixe, - d'un ou plusieurs enroulements secondaires (1a, 1c) fixes, - d'un élément mobile (M) apte à modifier le champ magnétique créé dans les enroulements secondaires (1a, 1c) pour induire un signal indiquant la position de cet élément mobile (M) et, - en liaison avec la sortie des enroulements secondaires (1a, 1c) du capteur (C'), d'équipements de traitement de signal (100) de ce capteur (C') comprenant notamment : - des amplificateurs de signal (38a, 38c), - des multiplexeurs (34a à 34d) reliés aux bornes de sortie (31, 32) via des filtres passe-bas (36a à 36d), caractérisé en ce que les amplificateurs (38a, 38c) sont connectés d'un côté aux filtres passe-bas (36a à 36d) et de l'autre côté aux bornes de sortie (31, 32) du capteur (C'). 2. Ensemble de détection (D') selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un filtre RC, comprenant une résistance (30a, 30c) et une capacité (32a, 32c), traversé par la tension issue de l'enroulement secondaire (1a, 1c). 3. Ensemble de détection (D') selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, comportant deux multiplexeurs (34a, 34b ; 34c, 34d) connectés en parallèle traversés chacun par la tension issue de chacun des filtres RC (30a, 32a ; 30c, 32c), caractérisé en ce que ces multiplexeurs (34a, 34b ; 34c, 34d) commutent entre le filtre passe-bas (36a, 36b ; 36c, 36d) et un point commun (33) situé entre les enroulements secondaires (1a, 1c). 4. Procédé de diminution de tension de décalage d'un signal issu d'un capteur (C') de position de type inductif utilisant l'ensemble de détection (D') selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il consiste à traiter successivement et dans cet ordre le signal issu d'un enroulement secondaire (1a, 1 b) de 30 l'ensemble de détection (D') : - par un filtrage RC, comprenant une résistance (30a, 30c) et une capacité (32a, 32c),- par un multiplexage servant à démoduler le signal, - par un filtrage passe-bas pour enlever les composantes à haute fréquence de ce signal, - par une amplification avant la traversée des bornes de sortie (31, 32) du capteur (C').