FR 2628842 A1 19890922 FR 8803398 A 19880316 (i RÉPUBLIQUE FRAN AISE N de publication 2 628 842 (à n'utiliser que pour les INSTITUT NATIONAL commandes de reproduction) DE LA PROPRIÉTÉ INDUSTRIELLE D N d'enregistrement national: 88 03398 PARIS Int C14: G 01 P 9/00, 15/00. @ DEMANDE DE BREVET D'INVENTION A1 Date de dépôt: 16 mars 1988. Q Demandeur(s): SOCIETE D'APPLICATIONS GENERALES D'ELECTRICITE ET DE MECANIQUE SAGEM, société (i) Priorité anonyme. - FR. Inventeur(s) Frédéric Martin. ( Date de la mise à disposition du public de la demande: BOPI " Brevets " n 38 du 22 septembre 1989. Références à d'autres documents nationaux appa- rentés () Titulaire(s): Q Mandataire(s): Cabinet Plasseraud. ( Capteur inertiel composite du type mécanique, 57 Capteur inertiel composite du type mécanique. Le rotor 1 3 et l'arbre d'entraînement 5 sont mécaniquement reliés par une / jante souple 3, déformable élastiquement et agencée pour f -6 laisser au susdit rotor 1 trois degrés de liberté, à savoir un degré de liberté en translation selon l'axe de rotation arbre 9 ii d'entraînement 5-rotor 1. et deux degrés de liberté en rotation autour de deux axes formant un trièdre avec ledit axe de,7 rotation. Un dispositif à moteurs couples 6 est prévu pour exercer sur le susdit rotor 1 au moins trois forces parallèles au 4 -2 susdit axe de rotation, et un dispositif détecteur 7 est prévu 5 pour déterminer la position du susdit rotor 1 par rapport à la I structure du capteur. N cc Ve De UL. D Vente des fascicules à IlMPRIMERIE NATIONALE. 27. rue de la Convention -- 75732 PARIS CEDEX 15 CaDteur inertiel composite du type mécanique L'invention est relative à un capteur inertiel composite du type mécanique pour la mesure des vitesses angulaires et des accélérations linéaires. Jusqu'à ce jour, dans le domaine des capteurs inertiels du type mécanique, lorsqu'il était nécessaire de mesurer des vitesses angulaires et des accélérations linéairesi on devait avoir recours d'une part à un 1O gyroscope (pour la mesure des vitesses angulaires), et d'autre part à un accéléromètre (pour la mesure des accélérations linéaires). On connaissait des capteurs inertiels composites dI genre en question, mais de tels capteurs n'étaient pas du type mécanique et de ce fait présentaient les inconvénients, notamment en ce qui concerne leur prix de revient élevé, inhérents aux capteurs inertiels "non mécaniques". L'invention propose donc un capteur'inertiel composite du type mécanique particulièrement simple et donc d'un prix de revient réduit. Le capteur comporte un rotor, un arbre d'entrai- nement coaxial audit rotor et maintenu par des moyens à palier, et des moyens moteurs pour communiquer à cet arbre d'entraînement un mouvement de rotation. Le rotor et l'arbre d'entraînement sont mécani- quement reliés par une jante souple déformable élasti- quement et agencée pour laisser au susdit rotor trois degrés de liberté, à savoir - un degré de liberté en translation selon l'axe de rotation arbre d'entrainement-rotor, - et deux degrés de liberté en rotation autour des deux axes formant un trièdre avec ledit axe de rotation. Un dispositif à moteurs couples est prévu pour exercer sur le rotor au moins trois forces parallèles à l'axe de rotation arbre d'entrainement-rotor. Un dispositif détecteur est prévu pour détermi- ner la position du rotor par rapport à la structure du capteur. Selon une disposition avantageuse de l'inven- tion,. le centre de rotation du rotor est décalé par rapport à son centre d'inertie de façon à introduire un balourd permettant d'améliorer la sensibilité du capteur aux accélérations linéaires dans un plan perpendiculaire à l'axe de rotation arbre d'entrainement-rotor. Selon encore une autre disposition avantageuse de l'invention, la jante souple est constituée par une membrane circulaire pleine perpendiculaire au susdit axe de rotation, présentant, de par sa structure, une raideur radiale linéaire élevée, une raideur axiale linéaire nulle aux environs de son point d'équilibre, une raideur angulaire élevée selon l'axe de rotation, et une raideur angulaire, selon un axe orthogonal à l'axe de rotation, nulle pour une vitesse de rotation donnée. Constructivement, il est avantageux de faire comporter au dispositif à moteurs couples trois moteurs couples disposés à cent vingt degrés 'et exerçant sur le rotor trois forces parallèles à l'axe de rotation arbre d'entrainement-rotor. Constructivement, il est avantageux de faire comporter au dispositif détecteur trois détecteurs disposés à cent vingt degrés. L'invention consiste, mis à part les disposi- tions dont il vient d'être question, en certaines autres dispositions qui s'utilisent de préférence en même temps et dont il sera plus explicitement question ci-après. L'invention pourra de toute 'façon être bien comprise à l'aide du complément de description qui suit ainsi que des dessins ci-annexés, lesquels complément et dessins sont relatifs à des modes de réalisation préf.é- rés de l'invention et ne comportent bien entendu aucun caractère limitatif. La figure 1 de ces dessins est une coupe schéma- tique d'un capteur établi conformément à l'invention. La figure 2 est une vue en perspective schéma- tique montrant l'association de deux capteurs conformes à l'invention. La figure 3 est un schéma montrant la réalisa- tion d'un dispositif électronique associé à l'invention. Les figures 4 et 5 sont des illustrations d'un schéma électrique montrant la réalisation d'un élément important de l'invention (capteur). La figure 6 est une coupe axiale montrant la réalisation d'un autre élément important de l'invention (moteur couple}. La figure 7 est une coupe partielle selon la ligne VII-VII de la figure 6. Le capteur inertiel montré sur la figure 1 comporte un rotor 1, un arbre d'entraînement 5 coaxial au rotor 1 et maintenu par des paliers 4, et des moyens moteurs 2,8 pour communiquer à cet arbre d'entraînement 5 un mouvement de rotation. Ces moyent moteurs 2,8 sont constitués - par un stator 2 sur lequel sont montés des bobinages alimentés en tension alternative et produisant dans un entrefer un champ magnétique tournant à une vitesse d'entraînement w, - par un rotor 8 monté sur l'arbre d'entraînement 5. Le rotor 1 et l'arbre d'entraînement 5 sont reliés par une jante souple 3 déformable élastiquement et agencée pour laisser au rotor 1 trois degrés de liberté, à savoir - un degré de liberté en translation selon l'axe de rotation arbre d'entraînement 5-rotor 1, - et deux degrés de liberté en rotation autour de deux axes formant un trièdre avec l'axe de rotation arbre d'entraînement 5-rotor 1. Il est prévu un dispositif à moteurs couples, avantageusement constitué par trois moteurs couples 6, disposés à cent vingt degrés pour exercer sur le rotor 1 trois forces F1,F2,F3 parallèles à l'axe de rotation arbre d'entraînement 5-rotor 1. Il est prévu un dispositif détecteur, avantageu- sement constitué par trois détecteurs 7 disposés à cent vingt degrés pour déterminer la'position de trois points du rotor 1 par rapport à la structure du capteur. Le centre de rotation 0 du rotor 1 est décalé par rapport à son centre d'inertie G (figure 1). La jante souple 3 peut avantageusement être constituée par une membrane circulaire pleine perpendi- culaire au susdit axe de rotation, présentant, de par sa structure, une raideur radiale linéaire élevée, une raideur axiale linéaire nulle aux environs de son point d'équilibre, une raideur angulaire élevée selon l'axe de rotation, et une raideur angulaire, selon un axe ortho- gonal à l'axe de rotation, nulle pour une vitesse de rotation donnée. Pour obtenir la mesure complète des trois compo- santes de la vitesse angulaire n (fX,ny,nz) et de l'ac- célération linéaire r (rx,ry,rz), il faut normalement, comme montré sur la figure 2, utiliser deux capteurs selon l'invention associés à un dispositif électronique dont il sera plus explicitement question ci-après. Le premier capteur A est repéré dans le trièdre formé par l'axe de rotation 0 arbre d'entraînement -rotor 1, les axes y',x complétant le trièdre. Le second capteur B est repéré dans le trièdre formé par l'axe de rotation 0 arbre d'entraînement x -rotor 1, les axes OzOy complétant le trièdre. Ce dispositif électronique a pour rôle: - de communiquer aux moyens moteurs 2,8 une vitesse constante w, - d'exciter les détecteurs 7 (capacitifs ou inductifs) en tensions alternatives et de générer un signal continu proportionnel aux déplacements de chaque rotor 1, & partir des signaux induits, - d'asservir en position, aux zéros des détecteurs, chaque rotor I en envoyant dans les moteurs couples 6 des courants, donc en créant les forces nécessaires. Le principe de fonctionnement est alors le suivant: Soient n (de composantes nxny,nz) et r (de composantes r,r,rz) les vitesses angulaires et accélé- X y rations linéaires appliquées au capteur. Les projections sont évaluées par rapport à un référentiel OxOyOz (figure 2), lié au capteur, O étant le centre de rota- tion défini par la membrane 3, m la masse de l'élément sensible, G son centre d'inertie (on posera OG = d), H le moment cinétique du rotor 1 évalué suivant Oz et R le rayon sur lequel s'appliquent les forces. On négligera dans un premier temps les forces de liaisons résiduelles apportées par la membrane. Pour maintenir en équilibre relatif le rotor 1 du capteur par rapport à sa structure, l'électronique d'asservissement doit engendrer dans les trois moteurs couples des courants provoquant les forces F1/1, F1/2, F1/3 telles que: 1/3 2R (F1/3 - F1/2) = -Hny - md ry (-proj.des moments/OX) R (F1/3 F/2) = HnX + md rx (-proj. des moments/Ox) 1/1 + F1/2 + F1/3 = m rz (-proj. des forces/Oz) Avec un seul capteur, les trois données F 1/1' F1/2, F1/3 ne permettent pas de connaitre les cinq inconnues nx,ny,rx,fryrz. Si on dispose deux capteurs A et B dont les axes de rotation des rotors sont orthogonaux (par exemple disposés selon le schéma de la figure 2), et si on inverse le sens de rotation des moyens moteurs du second capteur de façon que son rotor soit animé d'un moment cinétique -H opposé au précédent, les forces F2/1 F2/2, F2/3 le maintenant en équilibre sont: F2/1 + F2/2 + F2/3 = m ry 2- (F2/3 - F2/1) = Hz - md rz -2 (F2/3 + F2/) = -HOy + md ry La connaissance des six forces s'exerçant sur les deux rotors respectifs des deux capteurs permet de connaître les six composantes ni,ri cherchées en résol- vant le système d'équations linéaires par les groupes ci-dessus. rX = [F2/1 + F2/2 + F2/3 r = B [-3 F12 - -3 F13 F23 y 4md rz = 1 [F1/1 + F1/2 + F1/3]. m nx = & (F2/1 + F2/2 + F2) + _ (F1 + F 22/3 1H/3 1/2 2H =..R ( H. 2H1/22HF2/1 Le rotor 1 est donc relié à l'arbre d'entraine- ment 5 par une membrane 3 introduisant des forces et des moments de liaison. Par ailleurs, le rotor 1 tourne gé- néralement dans un gaz et dans un environnement magné- tique, ces deux circonstances introduisant des forces et des moments parasites.- Toutefois, ces forces et ces moments sont répé- tables et peuvent donc être" modélisés". Les termes de cette "modélisation" subviennent lorsqu'aucune sollici- tation n'est appliquée aux capteurs, en déplaçant suc- cessivement à partir de trois positions de consigne, le rotor d'une quantité connue et en mémorisant les efforts nécessaires, ce qui permet d'obtenir une relation matri- cielle caractérisant cette situation. Cette relation matricielle est la suivante: F1 - Fo1 'Y d F2 - F02 y d2 F3 - FO3 d3 relation dans laquelle Foi est l'effort résiduel en l'absence de sollicita- tion, Fi est l'effort provoqué par les écarts d1,d2,d3, d. est l'écart de position du rotor, compté à 3 partir de sa position de consigne, ", $, y sont des termes de raideur qui sont des fonc- tions de la vitesse w. En particulier, la raideur résiduelle principale s'annule pour une vitesse de rotation déterminée, dépen- dant des caractéristiques mécaniques de la membrane; en fonctionnement, on se rapprochera de cette vitesse de rotation pour découpler le rotor de l'arbre d'entraîne- ment. On mémorise alors, lors d'un essai de calibra- tion du capteur les forces résiduelles FOi (appelées "biais") et les termes a, A, y de raideur. Le dispositif électronique décrit ci-après permet de soustraire ces forces parasites aux mesures utiles. Ce dispositif électronique, montré sur la figure 3, peut comporter: - un multiplexeur 10 acquérant en séquence (à 2 000 Hz environ) les six tensions continues de détection défi- nissant la position des deux rotors des deux capteurs, ces six tensions provenant des trois détecteurs 7 que comporte chaque capteur A et B, - un convertisseur analogique-numérique 11 transformant ces tensions en données numériques (sur 12 digits par exemple), - une liaison par bus série 12 fournissant les signaux de détection à une unité de traitement 13 construite autour d'un processeur rapide de calcul, les tâches de cette unité. de traitement (expliquées plus en détail ci-après) consistant en particulier à élaborer la com- mande à envoyer aux différents moteurs couples 6 des deux capteurs A et B pour asservir en position leur rotor 1, compte tenu d'une fonction de transfert optimale. - des convertisseurs numériques/analogiques 14 à une fréquence de 2 000 Hz alimentant en courant les moteurs couples 6 des capteurs (la commande numérique étant le reflet du courant, donc la force appliquée au rotor, il importe que la transformation soit précise --par exemple 16 digits), L'unité de traitement 13 calcule les grandeurs rx, ry, rz et nx, ny, nz définies précédemment par la relation et les envoie par le bus 12 vers un coupleur 15 puis vers l'utilisation. L'unité de traitement 13 a donc pour rôle: - de traiter les signaux issus des détecteurs 7 et d'élaborer les commandes des moteurs couples 6, d'effectuer les modélisations statiques et dynamiques, - d'élaborer par calcul les accélérations linéaires rx, ry, r et les vitesses angulaires nx, nyi nz à partir des six forces définies par la relation matricielle ci-dessus, - de gérer les commandes internes (multiplexage, séquencement, démarrage des moyens moteurs 2,8 des deux capteurs), - de contrôler le bon fonctionnement, - de gérer l'interface. En ce qui concerne le dispositif détecteur de chaque capteur, avantageusement constitué par trois détecteurs 7 disposés à 120',. ils peuvent être du type capacitif ou du type inductif. Si l'on a recours à des détecteurs capacitifs, on pourra avoir recours au mode de réalisation montré sur la figure 4 qui représente une vue développée du détecteur. L'élément sensible ES est compris entre trois paires d'électrodes ELi,EL'i (i = 1,2,3) formant deux à deux les armatures d'un condensateur. Elles présentent des entrefers e0 - ei et eo0.+ ei (i = 1, 2, 3) les séparant du rotor, et ont une surface S. L'ensemble est monté en pont, et est excité par une tension alternative U (à une pulsation w = 2 nf, o f est voisin de 50 kHz). La tension Ui ou U'i (i = 1,2,3) qui apparait aux bornes de l'électrode supérieure (ou inférieure) est: ui = U [] (ou u'i = U [ 1]) 1 + jwRCi ( 1 + jwRC"i) avec Ci = 5 (ou C'i =) eO ei eO ei d'o ui a U [ i_ e] (ou u'i = U [ enii -J]) ii-= eo + jRSwo O+jso et u'i - ui = 2 U.e. = -2U. ei e0 + JRSWeC0 1 + jRCow eO0 C0 désignant la capacité d'un des condensateurs lorsque e. = 0 u i ui = K ei La tension différentielle apparaissant aux bornes du condensateur est proportionnelle à la varia- tion d'entrefer. Si l'on a recours à des détecteurs du type inductif, on pourra faire appel à un mode de réalisation illustré sur la figure 5 qui montre une vue développée du détecteur. Le schéma est alors voisin de celui montré sur la figure 4, mais les armatures des condensateurs ont été remplacées par des bobinages BBi,BB'i (i = 1,2,3). Ces bobinages sont placés en regard du matériau constituant le rotor qui est un matériau magnétique doux. Comme expliqué ci-dessus, les tension u'i - Ui qui apparaissent aux bornes des bobines sont proportion- nelles aux variations de l'entrefer. Le dispositif à moteurs couples, avantageusement constitué par trois moteurs couples 6 disposés à 120, peut être réalisé comme indiqué sur le mode de réalisa- tion montré sur les figures 6 et 7 sur lesquelles les mêmes chiffres de référence désignent les mêmes organes que sur la figure 1. Le rotor 1 est formé de deux parties identiques la,lb, soudées à la membrane 3. Chaque partie comprend un aimant 21 dont le flux se referme par une. pièce en matériau doux 22. Dans l'entrefer, l'induction magné- tique 9 est radiale, soit dirigée vers l'extérieur de l'élément sensible, soit dirigée vers son centre. Dans l'entrefer se trouve une bobine 24 noyée dans une pièce fixe 23 solidaire de la structure du cap- teur. La bobine 24 est ouverte sur 120 et trois pièces identiques plongent dans l'entrefer. Lorsqu'un courant parcourt la bobine 24, le courant réagit avec l'induction et développe une force proportionnelle au courant qui la traverse et dirigée suivant l'axe de rotation. Pour qu'un tel capteur puisse résister à des accélérations importantes dans le sens de l'axe de rotation arbre d'entraînement 5-rotor 1 sans que ses parties mobiles soient endommagées (on peut prévoir que le capteur soit soumis des accélérations de 10 000 G), il est prévu des surfaces de butées 9 (figure 1) enca- drant le rotor 1 et sur lesquelles ledit rotor 1 peut venir reposer. Le capteur selon l'invention présente un certain nombre d'avantages résultant du fait qu'il est sensible à la fois aux vitesses angulaires et aux accélérations linéaires. C'est ainsi que si l'on désire mesurer les trois composantes des vitesses angulaires et les trois compo- santes des accélérations linéaires, on peut prévoir deux capteurs conformes à l'invention coopérant entre eux, ces deux capteurs étant identiques. En ce qui concerne le dispositif électronique permettant l'exploitation des signaux délivrés par ces deux capteurs, il est de type numérique, ce qui, d'une part simplifie la conception de chaque capteur en reportant sur une mémoire leurs différents moyens de réglage, et d'autre part élimine une partie du matériel, en élaborant la fonction de transfert, celle-ci étant réalisée par un logiciel. Par ailleurs, les moteurs couples présents dans chaque capteur sont d'une conception simple et d'une efficacité élevée (grâce à l'induction magnétique importante, toutes les parties des bobinages participent à la création des forces). Par ailleurs, les indications fournies par les moteurs couples sont linéaires et nécessitent des ten- sions peu élevées par rapport à celles qu'on pourrait rencontrer dans des moteurs couples de type capacitif. Enfin, il est à remarquer qu'aucun contact électrique frottant n'est nécessaire entre les parties fixes et les parties tournantes du capteur. Grâce à ces avantages, le capteur selon l'inven- tion peut être miniaturisé: c'est ainsi que l'on a réalisé un capteur dont les dimensions s'inscrivent dans un cube de 16 mm de côté et qui présente les caractéris- tiques suivantes: - au niveau constructif vitesse de rotation du rotor = 600 Hz moment cinétique = 1.10-4 (système MKS) 1O balourd = 0,1' / sec / g - au niveau des performances domaine de mesure = 500 / sec et 50 g erreur de zéro = 0,03 / sec ou 0,003 g REVENDICATIONS 1. Capteur inertiel composite du type mécanique pour la mesure des vitesses angulaires et des accéléra- tions linéaires comportant un rotor (1), un arbre d'en- traînement (5) coaxial audit rotor (1) et maintenu par des moyens à palier (4), et des moyens moteurs (2,8) pour communiquer à cet arbre d'entraînement (5) un mouvement de rotation, caractérisé par le fait qu9 le susdit rotor (1) et le susdit arbre d'entraînement (5) sont mécaniquement reliés par une jante souple (3), déformable élastiquement et agencée pour laisser au susdit rotor (1) trois degrés de liberté, & savoir un degré de liberté en translation selon l'axe de rotation. arbre d'entraînement (5)-rotor (1), et deux degrés de liberté en rotation autour de deux axes formant un trièdre avec ledit axe de rotation, et par le fait qu'un dispositif à moteurs couples (6) est prévu pour exercer sur le susdit rotor (1) au moins trois forces parallèles au susdit axe de rotation, et par le fait qu'un dispositif détecteur (7) est prévu pour déterminer la position du susdit rotor (1) par rapport à la structure du capteur. 2. Capteur inertiel selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le centre de rotation O du susdit rotor (1) est décalé par rapport à son centre d'inertie G. 3. Capteur inertiel composite selon la revendi- cation 1 ou 2, caractérisé par le fait que la jante souple (3) est constituée par une membrane circulaire pleine perpendiculaire au susdit axe de rotation présen- tant, de par sa structure, une raideur radiale linéaire élevée, une raideur axiale linéaire nulle aux environs de son point d'équilibre, une raideur angulaire élevée selon l'axe de rotation, et une raideur angulaire, selon un axe orthogonal à l'axe de rotation, nulle pour une vitesse de rotation donnée. 4. Capteur inertiel selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que le dispositif à moteurs couples (6) comporte trois moteurs couples disposés à 120 et exerçant sur le susdit rotor (1) trois forces parallèles au susdit axe de rotation. 5. Capteur inertiel selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que le dispositif détecteur (7) comporte trois détecteurs disposés à 120'. 1/4 2628842 ! -6 9 8 A d FIG.1. in 7 z, F1/1 x Y WF.IG.2. F2 F2/ - x.... F2/2!J 2/4 2628842 FIG.3. 7- - / _ A_, De.1 es zn-;- D2. 1L 1 1 I OI9 I ú-'o I Za oa 4/4 2628842 FIG.6. 2 21 la 7 2 i /, FIG.7.