Brevet FR2999702A1 — publié le 20140620

L'invention se rapporte à un capteur de type inductif dédié à la mesure angulaire de la position d'une pièce en mouvement rotatif, ainsi qu'a un procédé de mesure utilisant ce capteur inductif. Le domaine de l'invention concerne la détection de position de structures et 5 pièces mécaniques en mouvement, en particulier un rotor d'une machine tournante, à partir de cibles agencées sur ces structures. L'invention s'applique principalement, mais non exclusivement, aux machines-outils ou autres machines industrielles, dans l'aéronautique ou dans l'automobile et, de manière générale, chaque fois qu'il est nécessaire de contrôler la position angulaire d'un 10 élément mécanique. Les capteurs inductifs de type angulaire ont une constitution semblable à celle des capteurs inductifs de type linéaire : ils comportent une partie fixe de type « transformateur » avec un circuit primaire fixe et au moins un circuit secondaire fixe, et une partie mobile constituée par une cible métallique solidaire de la pièce mécanique à 15 contrôler angulairement. Le circuit primaire fixe est généralement formé d'un bobinage ou d'un circuit imprimé sur une surface plane. Dans le circuit primaire circule un courant alternatif à haute fréquence. Ce courant produit un champ magnétique à la même fréquence que le courant circulant dans le circuit primaire. Chaque circuit secondaire est également fixe et est placé sur la même 20 surface en formant au moins deux boucles. Les boucles successives sont de surface sensiblement identique pour les raisons indiquées ci-dessous. Elles sont croisées et donc d'orientation opposée (au sens trigonométrique). Du fait des couplages entre le circuit primaire et les boucles de même surface de chaque circuit secondaire, le flux primaire crée des flux magnétiques vus comme étant 25 inversés d'une boucle à l'autre de chaque circuit secondaire. En général, la surface de la cible est au moins aussi grande que celle d'une boucle du circuit secondaire et le déplacement de la cible mobile modifie alors le couplage entre le circuit primaire et chaque boucle de chaque circuit secondaire. La mesure de la tension électrique induite aux bornes des circuits secondaires permet donc de connaître 30 la position de la pièce mécanique. Ainsi, les positions successives de la cible devant les boucles du circuit secondaire produisent dans les boucles de chaque circuit secondaire une quantité de flux magnétique, et donc une tension électrique. L'évolution de cette tension varie en fonction de la position de la cible en passant par des augmentations et des diminutions relatives. Cette variation donne finalement une courbe assez proche d'une sinusoïde. En d'autres termes, une tension est induite dans les boucles de chaque circuit secondaire. Le signe de cette tension dépend du sens de la boucle. La somme algébrique de ces tensions varie en fonction du déplacement de la cible devant ces boucles : centrée sur deux boucles, la cible crée une tension de somme nulle. Les surfaces des boucles étant identiques, la tension électrique est maximale en valeur absolue lorsque la cible d'un capteur est en face de chaque boucle quand la dimension de la cible est sensiblement identique à celle de chaque boucle de circuit secondaire. Pour un capteur angulaire, la cible couvre angulairement chaque boucle du circuit secondaire. Par exemple, pour un circuit secondaire de course égale à 3600 (deux boucles de 180°), la cible fait 180° d'ouverture angulaire. Pour un circuit secondaire de course égale à 180° (quatre boucles de 90°), la cible est constituée de deux secteurs angulaires de 90° d'ouverture, les secteurs angulaires étant opposées par leur sommet. De manière générale, l'angle d'ouverture de la cible est égal à la moitié de la course du circuit secondaire. Les capteurs inductifs, en particulier les capteurs inductifs angulaires où la position mesurée pour la cible est un angle, présentent des erreurs dans la mesure de la position angulaire de la cible, donc de la pièce mécanique à surveiller. Plusieurs solutions 20 ont été proposées pour résoudre ce problème. Le document de brevet WO 2005/098370 par exemple décrit l'utilisation d'une boucle secondaire de référence, cette référence étant utilisée pour une mesure plus juste de la position de la cible, après une opération préalable d'étalonnage. Par ailleurs, le document de brevet FR 2964735 vise à diminuer les erreurs de mesure par l'utilisation de 25 boucles de compensation placées sur les circuits secondaires, qui permettent de supprimer certaines composantes parasites du signal alternatif reçu aux bornes des circuits secondaires. Cependant malgré ces améliorations, les solutions connues n'apportent pas une linéarité suffisante aux capteurs angulaires pour obtenir des résultats fiables. Et la 30 sensibilité d'un capteur est caractérisée par cette linéarité définie par une droite fictive qui serait celle approchant au mieux la relation réelle entre la valeur angulaire mesurée et la valeur angulaire réelle de la position de la cible sur l'ensemble de l'étendue de mesure. La sensibilité est alors mesurée par la proximité entre la mesure angulaire réelle du capteur et cette droite fictive. 35 L'invention vise à améliorer la linéarité des capteurs inductifs angulaires en analysant, par transformée de Fourier, la fonction donnant la valeur angulaire mesurée de la position de la cible rapportée à la valeur angulaire réelle de la position de la cible. Cette analyse a conduit à diminuer l'ouverture angulaire de la cible dans une proportion particulière. Plus précisément, la présente invention se rapporte à un capteur inductif de mesure de position angulaire d'une pièce en mouvement rotatif comportant un 5 enroulement primaire, associé à au moins un enroulement secondaire, et une cible solidaire de la pièce en rotation autour d'un axe central, l'enroulement primaire étant centré autour d'un axe coïncidant avec l'axe de rotation central de la cible, et parcouru par un courant alternatif à haute fréquence apte à induire une tension électrique dans chaque enroulement secondaire. Chaque enroulement secondaire, également centré autour de 10 l'axe central, est composé d'un nombre k (k k 2) de boucles sensiblement identiques, formant des secteurs angulaires d'ouverture SB successivement croisées et disposées en regard de l'enroulement primaire. La cible est constituée est constituée de p (p 1) secteurs angulaires, de même ouverture angulaire a de valeur a0 égale à l'ouverture SB des secteurs de boucle et régulièrement répartis en regard des enroulements primaire et 15 secondaire(s). Dans ce capteur inductif, l'ouverture a de chaque secteur angulaire de cible est diminuée d'un secteur angulaire d'ajustement SA égale à la fraction de sorte que a = SB - SA, C étant la course de balayage angulaire du capteur entre deux positions successives globalement identiques de la cible, h étant l'ordre de l'harmonique à éliminer dans une décomposition de Fourier d'écart à la linéarité, défini entre des valeurs 20 angulaires mesurées et réelles de positions de la cible sur la course C, et r étant le nombre k de boucles par enroulement secondaire rapporté au nombre p de secteurs de la cible, soit r = Selon certains modes de réalisation préférés : - l'harmonique à éliminer est d'ordre 4 et le secteur angulaire d'ajustement SA est 25 alors égal au quart de l'ouverture angulaire de chaque boucle d'enroulement ; - le capteur comporte deux enroulements secondaires composés de boucles sensiblement identiques ; - les enroulements secondaires sont décalés d'une demi-boucle. L'invention se rapporte également à un procédé de mesure de position 30 angulaire d'une pièce mobile en rotation dans lequel le capteur inductif ci-dessus est utilisé ; ce procédé consiste à masquer successivement des secteurs angulaires de chaque (I') enroulement secondaire d'ouverture angulaire SB par chaque secteur angulaire de la cible d'ouverture a ajustée aux trois quarts de l'ouverture angulaire SB, de sorte que la tension induite dans chaque (I') enroulement secondaire présente une 35 variation de type sinusoïdale, à mesurer la tension aux bornes de chaque (I') enroulement secondaire, à combiner les amplitudes des tensions mesurées selon une même fonction sinusoïdale et à délivrer une mesure de position de la cible à chaque instant en fonction de l'amplitude de la fonction sinusoïdale à cet instant. De préférence, la fonction utilisée est l'arc-tangente du rapport des amplitudes des tensions sinusoïdales mesurées aux bornes de deux enroulements secondaires, en 5 quadrature de phase. D'autres données, caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description non limitée qui suit, en référence aux figures annexées qui représentent, respectivement : - les figures la et 1 b, deux représentations des écarts entre la valeur 10 angulaire de position de cible mesurée et la valeur réelle de l'angle de position selon l'état de la technique ; - la figure 2, le schéma d'un exemple de capteur inductif selon l'invention à 360° de course ; et - la figure 3, le schéma d'un exemple de capteur inductif selon l'invention à 15 180°. La figure la se rapporte aux écarts e de linéarité de l'angle de position 0M de la cible, tel que mesuré par un capteur inductif traditionnel, en fonction de l'angle de position réel OR. Le capteur inductif est un capteur de course égale à 360°, comportant un enroulement primaire circulaire, deux enroulements secondaires placés à angle droit 20 pour fournir deux tensions induites sinusoïdales complémentaires - chaque enroulement secondaire est formé de deux boucles élémentaires d'ouverture angulaire de 180° - et une cible en forme de demi-lune d'ouverture angulaire de 180°. Pour ce faire, la figure la illustre deux courbes : la courbe 3 des variations de l'angle de position mesuré 0M en fonction de l'angle de position réel de la cible OR, et la 25 droite 1 représentant la courbe théorique obtenue lorsque les angles mesurés 0M coïncident avec les angles de position réels OR de la cible. La courbe observée 3 présente des oscillations 2 autour de cette droite théorique 1 en coupant cette droite 1 à intervalles réguliers, à savoir tous les 45°. L'écart de linéarité e correspond à la différence 0M - OR pour une valeur 30 de OR donnée et change de signe tous les 45°. Ces écarts e entre les deux courbes 1 et 3 traduisent le manque de linéarité du capteur. En reportant les variations de l'écart e en fonction de l'angle de position réel OR, la figure lb illustre plus précisément la courbe 4 des oscillations positives et négatives de l'écart e qui se succèdent tous les 45°, en passant par une valeur nulle. La courbe 4 présente ainsi une forme sinusoïdale et 35 l'écart varie entre des maximas +M et les minimas -M. Pour que l'amplitude des oscillations d'écart à la linéarité e se rapproche de zéro pour toutes les valeurs 0M, il convient donc de compenser les oscillations sur 45° pour une cible d'ouverture par exemple égale à 1800 et de course égale à 360°. Cette prise en compte correspond également à une approche par analyse selon une décomposition de Fourier de l'écart à la linéarité de la tension induite, noté également e par analogie (puisque l'annulation de l'un entraine celle de l'autre). Cette analyse de Fourier fournit les ordres des harmoniques à éliminer pour réduire à zéro l'écart à la linéarité : - l'ordre 2 correspond à un défaut de symétrie entre les boucles des enroulements et qui est facile à corriger ; - l'ordre 3 ne peut exister que si l'enroulement secondaire a un nombre impair de boucles ; or pour le capteur étudié et pour tout capteur inductif un nombre pair de boucles est toujours prévu afin d'additionner les courants induits élémentaires de chaque boucle pour fournir la tension induite globale ; - l'ordre 4 est donc ici l'ordre à éliminer prioritairement. De manière générale, un capteur rotatif mesure un angle dans une plage étendue angulaire, appelée ou course de mesure C. La course angulaire C correspond au balayage angulaire de la cible entre deux positions successives globalement identiques. La cible comporte un ou plusieurs secteurs régulièrement répartis, d'ouverture angulaire a0 classiquement, selon l'art antérieur, égale à l'ouverture SB d'un secteur d'une boucle d'enroulement secondaire. Cette ouverture de secteur de boucle SB est égale à et l'ouverture de cible a0 est alors telle que a0 = SB comme cela ressort des exemples ci-dessous. La course C peut faire 360°, c'est-à-dire un tour complet, et l'enroulement secondaire se compose alors de deux boucles, chaque boucle formant un secteur d'ouverture SB égale à 180°, soit SB La cible a alors avantageusement une forme de secteur angulaire unique en « demi-lune » d'ouverture angulaire a également égale à 180°. Le capteur peut également avoir une course C inférieure à 360° et, dans ce cas, cette plage C ne peut prendre que des valeurs de sous-multiples de 360°, à savoir 36 180°, 120°, 90°, etc., de la forme C = :)7) où p est un entier naturel supérieur al. Dans ce cas, la cible a une forme géométrique périodique de période angulaire C = composée de p secteurs angulaires régulièrement répartis avec, pour chacun, une ouverture angulaire a0 de valeur § égale à 23" (soit-3 - Ainsi, dans tous les cas, la course C des cibles est égale à C = -360, p étant un entier supérieur ou égal à 1 (égal à 1 lorsque la cible a un seul secteur d'ouverture angulaire de 1800, et supérieur à 1 lorsque la cible a p secteurs d'ouverture angulaire 180/p). Pour supprimer l'écart à la linéarité de l'angle de position mesurée, l'ouverture angulaire de la cible est ajustée selon l'invention par une réduction de secteur angulaire 5 de valeur SA, correspondant à l'élimination de l'ordre d'harmonique 4. L'ouverture angulaire de la cible prend alors une valeur a telle que a = SB - SA. Le calcul de la décomposition de Fourier de cet écart à la linéarité montre par exemple que, pour un capteur de course de 360°, avec deux boucles élémentaires par enroulement secondaire et une cible formée d'un secteur en « demi-lune » d'ouverture, 10 selon l'art antérieur, a0 égale à 180°, une ouverture SA d'ajustement de secteur égale à 45° est retirée, selon l'invention, pour supprimer l'ordre d'harmonique 4, soit un quart de secteur de la cible. L'ouverture de la cible prend alors une valeur a égale à 135°. Les capteurs sont également caractérisés par le nombre r égal au nombre de boucles par enroulement secondaire rapporté au nombre de secteurs de la cible, à savoir 15 -k. Dans le présent exemple, le nombre de boucles de chaque secteur angulaire est tel que la cible parcourt 2 boucles de chaque enroulement secondaire par course, et la valeur de r vaut alors 2. Dans ces conditions, chaque secteur de cible a une ouverture angulaire a0 diminuée du secteur angulaire d'ajustement angulaire de cible SA, égale à la fraction de 20 la course C du capteur rapportée au nombre « r» de boucles balayées par course et à l'ordre de l'harmonique « h » à supprimer, à savoir SA = Dans l'exemple ci-dessus, r = 2 et h = 4, C= 360°, soit SA = 45. Le tableau 1 suivant résume les valeurs des ouvertures angulaires de chaque secteur de cible, «a0 » selon l'état de l'art et «a» selon l'invention, des secteurs 25 d'ajustement SA pour passer des ouvertures a0 aux ouvertures a pour différentes cibles, avec des valeurs de r égales à 2 (comme dans l'exemple ci-dessus), 3 et 4. Certaines valeurs calculées dans le tableau 1 pour les ouvertures angulaires de la cible sont à considérer, dans la pratique, comme des ordres de grandeur, et des valeurs arrondies ont alors été introduites dans le tableau. 30 Les figures 2 et 3 illustrent des capteurs présentant deux boucles d'enroulement secondaire par course, ainsi que deux enroulements secondaires et des courses respectivement égales à 360 et 180°. La figure 2 montre en particulier un exemple de capteur angulaire inductif 100 comportant, dans un même plan, ici le plan de la figure: un circuit primaire 10, deux circuits secondaires 12 et 14 décalés de 90° et une 35 cible 16 présentant un seul secteur (de même référence 16), de type en demi-lune et de course égale à 360°. r = 2 r = 3 r = 4 Course (C) « oco » SA « a » « oco » SA « a » « oco » SA « a » Etat de selon Etat de l'art selon Etat de l'art selon l'art l'invention invention l'invention 360 180 45 135 120 30 90 90 22,5 67,5 180 90 22,5 67,5 60 15 45 45 11,3 33,8 120 60 15 45 40 10 30 30 7,5 22,5 90 45 11,3 33,8 20 7,5 12,5 22,5 5,6 16,9 Tableau 1 Les circuits ont une symétrie centrale autour de l'axe central X'X et la cible 16, hachurée sur la figure, est en rotation autour de l'axe X'X, dans un plan parallèle au plan 5 des circuits 10, 12 et 14. Plus particulièrement : - le circuit primaire 10 fixe couvre sensiblement 3600; - le circuit secondaire fixe 12, en traits pointillés, présente un croisement 120 sans contact pour former deux boucles 12a et 12b, et dans lesquelles le flux d'induction dû au courant primaire génère une tension aux bornes de ce 10 secondaire ; - le deuxième circuit secondaire fixe 14, en traits pleins, présente un croisement 140 sans contact pour former également deux boucles 14a et 14b, et dans lesquelles une tension est induite ; - chaque circuit d'enroulement secondaire 12 ou 14 présente bien deux boucles 15 12a, 12b et 14a, 14b par course de 360° autour de l'axe X'X; - l'ouverture angulaire a0 de la cible vaut classiquement 1800 et, selon l'invention, l'ouverture angulaire ajustée al vaut, d'après le tableau 1, 135° par réduction d'un secteur angulaire d'ajustement SA d'ouverture égale à 45°. La figure 3 montre un autre exemple de capteur angulaire inductif 200 à deux 20 boucles d'enroulement secondaire par course, ici de 180°. Le circuit primaire fixe 20 est identique au circuit 10 de la figure 2. A la différence du capteur 1 précédent : - chaque circuit secondaire fixe 22 (en traits pleins) et 24 (en traits pointillés) possède quatre boucles, respectivement 22a à 22d, et 24a à 24d, avec respectivement deux croisements 220 et 221 pour le circuit 22, 240 et 241 pour 25 le circuit 24 ; les tensions induites sont alors inversées dans deux boucles contiguës ; - les circuits secondaires 22 et 24 sont décalés de 45° autour de l'axe X'X; - la cible mobile 26 est formée de deux secteurs angulaires 26a et 26b, chaque secteur présentant une ouverture angulaire a2 égale à 67,5°, comme indiqué dans le tableau 1. L'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation décrits et représentés. L'invention s'adapte pour toute valeur de course égale à , correspondant P à une cible de p secteurs. Par exemple, pour 3 boucles par course (r = 3), le nombre k de boucles d'enroulement secondaire est égal à 3, 6 ou 9, lorsque le nombre de secteurs p de cible est respectivement égal à 1, 2 ou 3, générant des courses C de 360, 180 et 120°. Les enroulements secondaires sont en général au nombre de deux, décalés d'un angle /0 égal à la moitié de l'ouverture angulaire d'un secteur de cible, ou supérieur à deux. REVENDICATIONS1 Capteur inductif (100, 200) de mesure de position angulaire d'une pièce en mouvement rotatif comprenant : - un enroulement primaire (10, 20), associé à au moins un enroulement secondaire (12, 14, 22, 24), et - une cible (16, 26a, 26b) solidaire de la pièce en rotation autour d'un axe central (X'X), l'enroulement primaire (10, 20) étant centré autour d'un axe coïncidant avec l'axe central (X'X) de la cible (16 ; 26a, 26b), et parcouru par un courant alternatif à haute fréquence apte à induire une tension électrique dans chaque enroulement secondaire (12, 14, 22, 24), chaque enroulement secondaire (12, 14, 22, 24), également centré autour de l'axe central (X'X), est composé d'un nombre k (k k 2) de boucles (12a, 12b, 14a, 14b, 22a à 22d, 24a à 24d) sensiblement identiques, formant des secteurs angulaires d'ouverture SB successivement croisés et disposés en regard de l'enroulement primaire (10, 20), et la cible (16 ; 26a, 26b) est constituée de p (p 1) secteurs angulaires de même ouverture angulaire a de valeur a0 égale à l'ouverture SB des secteurs de boucle et régulièrement répartis en regard des enroulements primaire (10, 20) et secondaire(s) (12, 14, 22, 24), ledit capteur inductif étant caractérisé en ce que : l'ouverture a (ai, a2) de chaque secteur angulaire de cible (16 ; 26a, 26b) est diminuée d'un secteur angulaire d'ajustement SA égale à la fraction (h*r) de sorte que a = SB - SA, avec : C: la course de balayage angulaire du capteur (100, 200) entre deux positions successives globalement identiques de la cible (16, 26a, 26b), h : l'ordre de l'harmonique à éliminer dans une décomposition de Fourier d'écart à la 25 linéarité, défini entre des la valeurs angulaires mesurées et réelles de positions de la cible sur la course C, et r : le nombre k de boucles par enroulement secondaire (12a, 12b, 14a, 14b, 22a à 22d, 24a à 24d) rapporté au nombre p de secteurs de la cible (100, 200), soit r = 2. Capteur inductif selon la revendication 1, dans lequel l'harmonique à éliminer 30 est d'ordre 4 et le secteur angulaire d'ajustement SA est alors égal au quart de l'ouverture angulaire de chaque boucle d'enroulement. 3. Capteur inductif selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel le capteur (100, 200) comporte deux enroulements secondaires (12, 14, ou 22, 24). 4. Capteur inductif selon la revendication précédente, dans lequel les enroulements secondaires (12, 22) sont décalés d'une demi-boucle. 5. Procédé de mesure de position angulaire d'une pièce mobile en rotation utilisant un capteur inductif (100, 200) selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il consiste à masquer successivement chacun des secteurs angulaires de chaque (I') enroulement secondaire (12, 14, 22, 24) d'ouverture angulaire SB par chaque secteur angulaire de la cible (16, 26a, 26b) d'ouverture a moins étendue que l'ouverture angulaire SB, cette diminution d'ouverture étant ajustée de sorte que la tension induite dans chaque (I') enroulement secondaire (12, 14, 22, 24) présente une variation de type sinusoïdale, à mesurer la tension aux bornes de chaque (I') enroulement secondaire (12, 14, 22, 24), à combiner les amplitudes des tensions mesurées selon une même fonction sinusoïdale et à délivrer une mesure de position de la cible (16, 26a, 26b) à chaque instant en fonction de l'amplitude de la fonction sinusoïdale à cet instant. 6. Procédé de mesure de position angulaire selon la revendication précédente, dans lequel la fonction utilisée est l'arc-tangente du rapport des amplitudes des tensions sinusoïdales mesurées aux bornes de deux enroulements secondaires (12, 14, 22, 24), en quadrature de phase.