EP1969319A2 - Systeme de detection de position angulaire absolue par comparaison differentielle, roulement et machine tournante - Google Patents

Systeme de detection de position angulaire absolue par comparaison differentielle, roulement et machine tournante

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Publication number
EP1969319A2
EP1969319A2 EP07712628A EP07712628A EP1969319A2 EP 1969319 A2 EP1969319 A2 EP 1969319A2 EP 07712628 A EP07712628 A EP 07712628A EP 07712628 A EP07712628 A EP 07712628A EP 1969319 A2 EP1969319 A2 EP 1969319A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
encoder
sensors
angular position
rotating element
rotating
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP07712628A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Franck Debrailly
Sebastiano Calvetto
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
SKF AB
Original Assignee
SKF AB
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Filing date
Publication date
Application filed by SKF AB filed Critical SKF AB
Publication of EP1969319A2 publication Critical patent/EP1969319A2/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/12—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means
    • G01D5/14—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage
    • G01D5/142—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage using Hall-effect devices
    • G01D5/145—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage using Hall-effect devices influenced by the relative movement between the Hall device and magnetic fields

Definitions

  • the present invention relates to the field of angular position detection of a rotating element with respect to a non-rotating element.
  • the present invention relates to the field of rotary systems in which it is desirable to know the absolute angular position of a rotor with respect to a static element.
  • JP.2000-241197 discloses a three-sensor rotation detection device mounted close to each other.
  • JP 8-54205, JP 6-58770 and JP 2000-209889 disclose a three-sensor rotation detection device.
  • the document FR 2 599 794 relates to a bearing with magnetic information sensors with a ring with a large number of poles.
  • US 6,288,533 discloses a method for determining the rotational position of a rotor carrying a magnetic source creating a magnetic field without rotational symmetry.
  • the detection means comprise two pairs of detectors, the detectors of each pair being sensitive to the substantially parallel components of the magnetic field.
  • the present invention aims to overcome the disadvantages of the devices mentioned above.
  • the aim of the present invention is to provide a simple detection system that is not very sensitive to variations in the amplitude of the magnetic signal and to shifts due to mounting or voltage variations.
  • a system for detecting the angular position of a rotating element with respect to a non-rotating element comprises an annular encoder provided with a number P of poles greater than or equal to 2 intended to be fixed on one of the rotating elements or not turning and a number
  • N of sensors with N odd and greater than or equal to 3, adapted to receive a signal from the encoder and mounted on the other elements not rotating or rotating opposite said rotating or non-rotating element angularly distributed and at least one module subtraction device capable of processing at least two output signals of the sensors to generate a differential signal.
  • the system can be tricaptor or hexacapteur.
  • the encoder may comprise two poles.
  • the encoder can be bipolar with poles of 180 °.
  • N is equal to 3, 5 or 7.
  • the subtraction module comprises a digitizing circuit of the analog information and an integrated circuit for calculating the output voltage.
  • the subtraction module comprises an analog circuit for calculating the output voltage.
  • the system includes a bipolar annular encoder for attachment to the rotating member, three circumferentially uniformly distributed magnetic field sensors intended to be fixed on the non-rotating element facing the encoder, and the subtraction module receiving an output signal from each sensor, said signal being representative of the magnetic field measured by the sensor, and outputting a differential signal representative of the angular position ⁇ of the rotating member relative to the non-rotating member.
  • the output signal of the calculation module comprises a sine signal and a cosine signal of the angular position ⁇ of the rotating element relative to the non-rotating element.
  • the subtraction module comprises amplifiers mounted in summator and / or subtracter.
  • a first amplifier is subtractor-mounted to provide a first output signal
  • a second amplifier is summator-inverter-mounted
  • a third amplifier is summator-mounted to provide a second output signal, the output of the second amplifier being connected to an input of the third amplifier.
  • the subassembly comprising the amplifiers can be realized economically by an analog circuit.
  • the subtraction module comprises a sensor filter, three amplifiers mounted at the output of the filters and an interpolator mounted at the output of the amplifiers.
  • the interpolator can be of analog or digital type.
  • the calculation module in operation provides a first output signal equal to (V3 / 2) (B 2 - B 3 ) AA and a second output signal equal to (B 1 - (B 2 - B 3 ) / 2) / A, A being a constant.
  • the subtraction module comprises an interpolator receiving as input the sine and cosine of said angular position and outputting said angular position ⁇ .
  • the sensors are distributed non-periodically to optimize the errors related to the shape emitted by the annular emitter ring. In one embodiment, the sensors are arranged in the same housing.
  • the system comprises a mechanical ratio reduction gearbox.
  • the system includes a mechanical counter incremented one notch each turn.
  • the system comprises three sensors arranged on an angular sector of 2 ⁇ / 3, and a bipolar encoder.
  • the system comprises three sensors arranged on an angular sector of ⁇ / 3 and a quadrupole encoder.
  • the system comprises three sensors arranged on an angular sector of 4 ⁇ / 9 and a haphapolar encoder. In one embodiment, the system comprises three sensors arranged on an angular sector of ⁇ / 6 and an octopolar encoder.
  • a bearing may comprise two rings, a row of rolling elements arranged between the rings and a system of detection, said system providing the angular position of one ring relative to the other ring.
  • a rotating machine such as an electric motor, may comprise a rotor, a stator and a detection system, said system providing the angular position of the rotor relative to the stator.
  • the position detection is performed reliably and is not very sensitive to external disturbances.
  • FIG 1 is a schematic cross-sectional view of a detection system
  • FIG 2 is a curve of evolution of the magnetic field seen by a sensor as a function of the angle
  • FIG. 3 is a schematic view of an electronic processing circuit
  • FIG. 4 is a schematic view in axial section of an electric motor
  • FIG. 5 is a diagrammatic cross-sectional view of a bearing
  • FIG. 6 is a schematic view from above of a detection assembly
  • FIG. 7 is a view from above of a tower counting system for the assembly of FIG. 6;
  • FIG 8 is a sectional view along VIII-VIII of Figure 7;
  • FIG 9 is a schematic view of an electronic processing circuit
  • FIG. 10 is a schematic view from above of a detection system
  • FIG 1 1 is a schematic top view of a detection system
  • FIG 12 is a schematic sectional view of the detection system of Figure 1 1;
  • FIG. 13 is a schematic view from above of a detection system
  • FIG. 14 is a diagrammatic sectional view of the detection system of FIG. 13;
  • FIG. 15 is a diagrammatic sectional view of a detection system
  • FIG. 16 is a schematic view of a detection system
  • FIG 17 is a schematic top view of a detection system.
  • the detection system comprises three magnetic field sensors 1, 2, 3, for example Hall effect probes, uniformly distributed circumferentially around a coding ring 4.
  • Encoder ring 4 comprises a north pole occupying an angular sector of 180 ° and a south pole occupying an angular sector of 180 ° and is rotatable relative to the sensors 1 to 3.
  • the precision obtained in the case of a magnetic signal distorted by relative to a sinusoidal signal, for example a triangular magnetic signal, may be 1, 2 °.
  • Five sensors can be provided for an accuracy of 0.3 °.
  • An odd number of sensors allows a better recomposition of the signal, in particular by an improved suppression of harmonics, in particular harmonics due to a deformation of the signal which tends to become more triangular.
  • the encoder ring can be made by magnetization of a magnetic alloy or a plasto-ferrite or an elasto-ferrite.
  • the magnetic field B has a constant modulus B max with close external disturbances and the orientation of the magnetic field depends on that of the encoder 4.
  • the sensor 1 detects the field B ⁇ of value B max cos ⁇ , ⁇ being the angle between the position angular sensor 1 relative to the center of rotation of the encoder 4 and the field B.
  • ⁇ is the angle between two lines both passing through the center of rotation of the encoder 4, one passing through the sensor 1, and the other passing through the center of the north pole of the encoder 4.
  • the field Bi evolves as illustrated in FIG. 2.
  • the field Bi is equal to B max cos ( ⁇ + 120 °) and the field B 3 is equal to B max cos ( ⁇ + 240 °).
  • Bj / B max cos (2 ⁇ (il) / 3 + ⁇ ).
  • the detection system comprises an electronic circuit 5 for formatting the results of the measurement.
  • the output of each sensor 1 to 3 is connected to a filter 6 to 8, to provide a detected magnetic field signal.
  • the electronic circuit 5 comprises, in addition to the filters 6 to 8, two amplifiers 9 and 10.
  • the amplifier 9 receives on its inverting input the signal B 3 coming from the filter 8 of the sensor 3 via a resistor 12.
  • the resistor 12 comprises in series a fixed resistor 12a and a potentiometer 12b on the one hand, and in parallel with the potentiometer 12b, a fixed resistor 12c on the other hand.
  • a resistor 11 is mounted between the inverting input and the output of the amplifier 9.
  • the amplifier 9 receives on its non-inverting input, the signal B 2 from the filter 7 of the sensor 2 via a resistor 13.
  • a resistor 14 is arranged, on the one hand, between the point common to the non-inverting input of the amplifier 9 and the resistor 13 and, on the other hand, a circuit ground.
  • the 15 is arranged, on the one hand, between the point common to the non-inverting input of the amplifier 9 and the resistor 13 and, on the other hand, to a power supply of the circuit, for example + 5v.
  • the amplifier 9 outputs a voltage equal to the sine of the angle ⁇ to a constant ready.
  • the amplifier 9 thus realizes the difference between the field B 2 and the field B 3 .
  • the amplifier 10 comprises a non-inverting input Bi signal from the filter 6 of the sensor 1 through a resistor 17.
  • the resistor 17 includes in series a resistor fixed 17a and a potentiometer 17b on the one hand, and in parallel with the potentiometer 17b, a fixed resistor 17c on the other hand.
  • a resistor 11 is mounted between the inverting input and the output of the amplifier 9.
  • a resistor 18 is disposed, on the one hand, between the point common to the non-inverting input of the amplifier 10 and the resistor 17 and, on the other hand, to a circuit ground.
  • a resistor 19 is arranged, on the one hand, between the point common to the non-inverting input of the amplifier 10 and the resistor 17 and, on the other hand, to a supply of the circuit, for example + 5v.
  • the amplifier 10 comprises an inverting input receiving, on the one hand, the signal B 2 via a resistor 20 and, on the other hand, the signal B 3 via a resistor 21.
  • Resistor 21 comprises in series a fixed resistor 21a and a potentiometer 21b on the one hand, and in parallel with the potentiometer 21b, a fixed resistor 21c on the other hand.
  • a resistor 22 is mounted between the inverting input and the output of the amplifier 9.
  • the amplifier 10 performs the addition of the signal Bi and the inverse of the sum of the signals B 2 and B 3 .
  • the output signal of the amplifier 10 is equal to the cosine of the angle ⁇ at a constant ready.
  • the sinus ⁇ and cosine ⁇ respectively output signals of the amplifier 9 and of the amplifier 10, are sent to an interpolator 23 configured to calculate tg ⁇ , that is to say the division of the sine by the cosine and to apply an arc-tangent function to provide the angle ⁇ at the output.
  • the angle ⁇ is thus calculated reliably while being insensitive to variations of the modulus B max of the magnetic field, as well as initial offsets, including mechanical offsets.
  • the differential detection system may be applied to an electric motor illustrated in FIG. 4 and comprising a stator 23, and a rotor 24 mounted on a shaft 25 supported by bearings 26 and 27.
  • the circuit 5 is mounted in the immediate vicinity of the sensor 1.
  • the sensors and the processing circuit 5 are supported by the stator 23, while the encoder 4 is supported by the rotor 24.
  • the detection system is mounted in a rolling bearing referenced 28 as a whole.
  • the rolling bearing 28 comprises an outer ring 29 and an inner ring 30 supporting the encoder 4.
  • the inner ring 29 supports the sensors 1 to 3 and the processing circuit 5.
  • a device for differential position detection of a rotating element with respect to a non-rotating element may comprise a bipolar encoder intended to be fixed on the rotating element, three, five or seven magnetic field sensors. circumferentially regularly distributed, with an air gap with respect to the encoder and intended to be fixed on the non-rotating element, and a calculation circuit receiving an output signal of each sensor, said signal being representative of the magnetic field measured by the sensor.
  • the calculation module is configured to output a signal representative of the angular position ⁇ of the rotating element relative to the non-rotating element.
  • the calculation module may comprise a subset consisting of three amplifiers associated with resistors.
  • the detection system comprises a small diameter gear 3 1 linked to a rotating element, not shown, the position of which is desired to be known, a double gear provided with a large-diameter toothing. 32 meshing with the small diameter gear 31 and a small diameter toothing 33, and a large diameter gear 34 meshing with the small diameter toothing 33 of the double gear.
  • the large-diameter gear 34 comprises a spur 35 offset axially with respect to the gearing. and provided to cooperate with a gear wheel 36 axially offset from the large diameter gear 34.
  • the gear wheel 36 is driven intermittently at each pass of the gear. ergot 35 nearby.
  • Each angular displacement of the toothed wheel 36 corresponds to one turn of the large-diameter gear 34, in one direction or the other.
  • the toothed wheel 36 is provided with an angular displacement sensor 37 which can be low-resolution economic type.
  • the electronic processing circuit 38 comprises an analog digital converter 39 receiving as input the output signals of the sensors 1 to 3, a calculation module 40 comprising an input connected to the output of the converter 39, in particular configured to divide, for example, the signal sin ⁇ by the signal cos ⁇ to obtain at the output tan ⁇ , a calculation module 41 comprising an input connected to the output of the calculation module 40, notably configured to perform the tangent arc operation and obtaining the angle of exit ⁇ , and a shaping module 42 receiving as input the angle ⁇ and applying shaping, for example by pulse width modulation or by digital-to-analog conversion.
  • the electronic processing circuit 38 thus provides digital processing which is desired in certain applications.
  • the detection system comprises three sensors 1 to 3 arranged with an axial gap with respect to the bipolar encoder 4.
  • the radial size is defined by the encoder 4 and is reduced with respect to the radial size of the system illustrated in FIG. 1.
  • the sensors 1 to 3 are arranged radially between the two circles delimiting the encoder 4.
  • the detection system comprises three sensors 1 to 3 arranged with an axial gap with respect to the encoder 43 and three permanent magnets 44,
  • the encoder 43 comprises a flat plate of non-magnetic material, for example non-ferrous, of elliptical periphery and pierced with an elliptical opening whose axis formed by the foci is perpendicular to the axis formed by the foci of the peripheral ellipse for forming a bulge 47 relatively broad radially.
  • the periphery of the encoder is centered on the axis of rotation of the encoder 43.
  • the magnets 44, 45 and 46 are arranged on the side of the encoder 43 opposite to the sensors 1 to 3 and facing them. In other words, an axial air gap is provided between the magnets 44, 45 and 46 and the sensors 1 to 3. The axial air gap is sufficient to allow the encoder 43 to come between the magnets 44, 45 and 46 and the sensors 1 to 3.
  • the bulge 47 of the encoder 43 is situated between the magnet 44 and the sensor 1, which strongly weakens the magnetic field perceived by the sensor.
  • the encoder 43 is absent between the magnet 45 and the sensor 2 and between the magnet 46 and the sensor 3.
  • the sensors 1 to 3 therefore provide signals similar to those provided in the previous embodiments.
  • the embodiment illustrated in FIGS. 13 and 14 is similar to that of FIGS. 11 and 12, except that the magnets 44 to 46 and the sensors 1 to 3 are arranged on the same side of the encoder 43.
  • the encoder 43 is then able to modify the magnetic field perceived by the sensors 1 to 3 according to its angular position.
  • the embodiment illustrated in FIG. 15 is similar to that of FIGS. 13 and 14, except that the encoder 48 is inclined with respect to its axis of rotation.
  • the encoder 48 comprises a flat plate of magnetic material, for example ferrous, circular periphery and pierced with a circular opening concentric to the periphery. During the rotation of the encoder 48, the distance between the encoder 48 and the sensors 1 to 3 varies sinusoidally. The encoder 48 modifies the magnetic field perceived by the sensors 1 to 3 according to the angular position of said encoder 48.
  • the embodiment illustrated in FIG. 16 is similar to that of FIG. 15, except that the encoder 49 comprises an annular bipolar ring 50, for example based on magnetized plastoferrite.
  • the encoder 49 inclined with respect to its axis of rotation, moves closer and cyclically away from each sensor 1 to 3 and generates a magnetic field 51 whose perception by each sensor 1 to 3 depends on the distance separating them and therefore of the angular position of the encoder 49.
  • the encoder 52 comprises an annular bipolar ring with radial magnetization.
  • one of the poles 53 is formed on the bore of the encoder and the other pole 54 on the periphery.
  • the center 55 of the encoder 52 is shifted radially with respect to the axis of rotation 56.
  • a sensor disposed with a radial air gap thus sees a north pole or a south pole as a function of the angular position of the encoder 51.
  • the output signal of the sensors 1 to 3 is therefore representative of the angular position of the encoder 51.

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Abstract

Système de détection de position angulaire d'un élément tournant par rapport à un élément non tournant, comprenant un codeur annulaire 4 pourvu d'un nombre P de pôles supérieur ou égal à 2 destiné à être fixé sur l'un des éléments tournant ou non tournant et un nombre N de capteurs, avec N supérieur ou égal à 3, aptes à recevoir un signal en provenance du codeur et montés sur l'autre des éléments non tournant ou tournant en regard dudit élément tournant ou non tournant répartis angulairement et au moins un module de soustraction capable de traiter au moins deux signaux de sortie des capteurs pour générer un signal différentiel.

Description

Système de détection de position angulaire absolue par comparaison différentielle, roulement et machine tournante
La présente invention concerne le domaine de la détection de position angulaire d'un élément tournant par rapport à un élément non tournant. La présente invention concerne le domaine des systèmes rotatifs dans lesquels il est souhaitable de connaître la position angulaire absolue d'un rotor par rapport à un élément statique.
L'abrégé du document JP.2000-241 197 décrit un dispositif de détection de rotation à trois capteurs montés à proximité les uns des autres.
Les abrégés des documents JP 8-54205, JP 6-58770 et JP 2000- 209889 décrivent un dispositif de détection de rotation à trois capteurs.
Les documents DE 39 10 498, US 5 198 738 et US 6 310 450 visent des capteurs pour moteurs sans balai.
Le document FR 2 599 794 concerne un roulement à capteurs magnétiques d'informations avec un anneau à grand nombre de pôles.
Le document US 6 288 533 décrit un procédé pour déterminer la position de rotation d'un rotor portant une source magnétique créant un champ magnétique sans symétrie de rotation. Les moyens de détection comprennent deux paires de détecteurs, les détecteurs de chaque paire étant sensibles aux composantes sensiblement parallèles du champ magnétique.
De tels dispositifs s'avèrent en général complexes et génèrent des signaux qui doivent être traités par des moyens onéreux. Le signal fourni est sensible aux variations d'entrefer. La présente invention vise à remédier aux inconvénients des dispositifs évoqués ci-dessus. La présente invention vise un système de détection simple, peu sensible aux variations d' amplitude du signal magnétique, et aux décalages dus au montage ou aux variations de tension.
Un système de détection de position angulaire d'un élément tournant par rapport à un élément non tournant, comprend un codeur annulaire pourvu d'un nombre P de pôles supérieur ou égal à 2 destiné à être fixé sur l'un des éléments tournant ou non tournant et un nombre
N de capteurs, avec N impair et supérieur ou égal à 3 , aptes à recevoir un signal en provenance du codeur et montés sur l' autre des éléments non tournant ou tournant en regard dudit élément tournant ou non tournant répartis angulairement et au moins un module de soustraction capable de traiter au moins deux signaux de sortie des capteurs pour générer un signal différentiel.
Le système peut être tricapteur ou hexacapteur. Le codeur peut comprendre deux pôles. Le codeur peut être bipolaire à pôles de 180° .
Avantageusement, N est égal à 3, 5 ou 7.
Dans un mode de réalisation, le module de soustraction comprend un module de calcul capable par différentiation pondérée des signaux permettant de générer une tension de sortie Us = Somme(aj*Ui)-Somme(bi*Ui) avec i de 1 à N, les coefficients a; et bi permettant de recomposer sur la base de N informations le sinus et le cosinus le l'angle recherché.
Dans un mode de réalisation, le module de soustraction comprend un circuit de numérisation des informations analogiques et un circuit intégré de calcul de la tension de sortie.
Dans un autre mode de réalisation, le module de soustraction comprend un circuit analogique de calcul de la tension de sortie.
Dans un mode de réalisation, le système comprend un codeur annulaire bipolaire destiné à être fixé sur l'élément tournant, trois capteurs de champ magnétique circonférentiellement régulièrement répartis et destinés à être fixés sur l' élément non tournant en regard du codeur, et le module de soustraction recevant un signal de sortie de chaque capteur, ledit signal étant représentatif du champ magnétique mesuré par le capteur, et émettant en sortie un signal différentiel représentatif de la position angulaire θ de l'élément tournant par rapport à l'élément non tournant.
Dans un mode de réalisation, le signal de sortie du module de calcul comprend un signal sinus et un signal cosinus de la position angulaire θ de l' élément tournant par rapport à l'élément non tournant.
On peut alors calculer la position angulaire par une fonction de type
Arctangente.
Dans un mode de réalisation, le module de soustraction comprend des amplificateurs montés en sommateur et/ou soustracteur. Dans un mode de réalisation, un premier amplificateur est monté en soustracteur pour fournir un premier signal de sortie, un deuxième amplificateur est monté en sommateur-inverseur et un troisième amplificateur est monté en sommateur pour fournir un deuxième signal de sortie, la sortie du deuxième amplificateur étant reliée à une entrée du troisième amplificateur. Le sous-ensemble comprenant les amplificateurs peut être réalisé de façon économique par un circuit analogique.
Dans un mode de réalisation, le module de soustraction comprend un filtre par capteur, trois amplificateurs montés en sortie des filtres et un interpolateur monté en sortie des amplificateurs.
L'interpolateur peut être de type analogique ou numérique.
Dans un mode de réalisation, en notant B1 , B2 et B3 les signaux de sortie des capteurs, le module de calcul en fonctionnement fournit un premier signal de sortie égal à (V3/2)(B2 - B3)AA et un deuxième signal de sortie égal à (B1 -(B2 - B3)/2)/A, A étant une constante.
Dans un mode de réalisation, le module de soustraction comprend un interpolateur recevant en entrée le sinus et le cosinus de ladite position angulaire et fournissant en sortie ladite position angulaire θ.
Dans un mode de réalisation, les capteurs sont répartis de manière non périodique pour optimiser les erreurs liées à la forme émise par la bague annulaire émettrice. Dans un mode de réalisation, les capteurs sont dispo sés dans un même boîtier.
Dans un mode de réalisation, le système comprend un démultiplicateur mécanique de rapport de rotation.
Dans un mode de réalisation, le système comprend un compteur mécanique incrémenté d'un cran à chaque tour.
Dans un mode de réalisation, le système comprend trois capteurs disposés sur un secteur angulaire de 2π/3, et un codeur bipolaire.
Dans un mode de réalisation, le système comprend trois capteurs disposés sur un secteur angulaire de π/3 et un codeur quadripolaire.
Dans un mode de réalisation, le système comprend trois capteurs disposés sur un secteur angulaire de 4π/9 et un codeur haxapolaire. Dans un mode de réalisation, le système comprend trois capteurs disposés sur un secteur angulaire de π/6 et un codeur octopolaire.
Un roulement peut comprendre deux, bagues, une rangée d'éléments roulants disposés entre les bagues et un système de détection, ledit système fournissant la position angulaire d'une bague par rapport à l' autre bague.
Une machine tournante, telle qu'un moteur électrique, peut comprendre un rotor, un stator et un système de détection, ledit système fournissant la position angulaire du rotor par rapport au stator.
Grâce à l'invention, la détection de position est effectuée de façon fiable et peu sensible aux perturbations extérieures.
La présente invention sera mieux comprise à l'étude de la description détaillée de quelques modes de réalisation pris à titre d' exemples nullement limitatifs et illustrés par les dessins annexés, sur lesquels :
-la figure 1 est une vue schématique en coupe transversale d'un système de détection; -la figure 2 est une courbe d' évolution du champ magnétique vu par un capteur en fonction de l' angle;
-la figure 3 est une vue schématique d'un circuit électronique de traitement;
-la figure 4 est une vue schématique en coupe axiale d'un moteur électrique;
-la figure 5 est une vue schématique en coupe transversale d'un palier;
-la figure 6 est une vue schématique de dessus d'un ensemble de détection; -la figure 7 est une vue de dessus d'un système de comptage de tour pour l'ensemble de la figure 6;
-la figure 8 est une vue en coupe selon VIII-VIII de la figure 7;
-la figure 9 est une vue schématique d'un circuit électronique de traitement; -la figure 10 est une vue schématique de dessus d'un système de détection;
-la figure 1 1 est une vue schématique de dessus d' un système de détection; -la figure 12 est une vue schématique en coupe du système de détection de la figure 1 1 ;
-la figure 13 est une vue schématique de dessus d' un système de détection; -la figure 14 est une vue schématique en coupe du système de détection de la figure 13;
-la figure 15 est une vue schématique en coupe d'un système de détection;
-la figure 16 est une vue schématique d'un système de détection;
-la figure 17 est une vue schématique de dessus d' un système de détection.
Tel qu'illustré à titre d'exemple sur la figure 1 , le système de détection comprend trois capteurs 1 , 2, 3 de champ magnétique, par exemple des sondes à effet Hall, régulièrement répartis circonférentiellement autour d'un anneau codeur 4. L'anneau codeur 4 comprend un pôle nord occupant un secteur angulaire de 1 80° et un pôle sud occupant un secteur angulaire de 180° et est susceptible de tourner par rapport aux capteurs 1 à 3. La précision obtenue en cas de signal magnétique déformé par rapport à un signal sinusoïdal, par exemple un signal magnétique triangulaire, peut être de 1 ,2°. On peut disposer cinq capteurs pour une précision de 0,3 °. N=7 offre une précision encore meilleure. Dans le cas de N=4, la précision est seulement de 4° environ. La précision obtenue avec N=5 est supérieure à celle qui serait obtenue avec N=8. Un nombre impair de capteurs permet une meilleure recomposition du signal, notamment par une suppression améliorée des harmoniques, notamment des harmoniques dus à une déformation du signal qui tend à devenir plus triangulaire.
L'anneau codeur peut être réalisé par magnétisation d'un alliage magnétique ou encore d'un plasto-ferrite ou d'un élasto-ferrite.
Le champ magnétique B présente un module constant Bmax aux perturbations extérieures près et l'orientation du champ magnétique dépend de celle du codeur 4. Le capteur 1 détecte le champ B \ de valeur Bmax cosθ, θ étant l'angle entre la position angulaire du capteur 1 par rapport au centre de rotation du codeur 4 et le champ B . En d' autres termes, θ est l' angle entre deux droites passant toutes deux par le centre de rotation du codeur 4, l'une passant par le capteur 1 , et l'autre passant par le centre du pôle nord du codeur 4. En fonction de la position angulaire du codeur 4, le champ Bi évolue comme illustré sur la figure 2. Le champ Bi est égal à Bmax cos (θ + 120°) et le champ B3 est égal à Bmax cos (θ + 240°). De façon générale, on a Bj/Bmax = cos (2π (i-l )/3 + θ).
Comme on peut le voir sur la figure 3 , . le système de détection comprend un circuit électronique 5 de mise en forme des résultats de la mesure. La sortie de chaque capteur 1 à 3 est reliée à un filtre 6 à 8, permettant de fournir un signal de champ magnétique détecté. Le circuit électronique 5 comprend, outre les filtres 6 à 8, deux amplificateurs 9 et 10. L'amplificateur 9 reçoit sur son entrée inverseuse le signal B3 en provenance du filtre 8 du capteur 3 par l'intermédiaire d'une résistance 12. La résistance 12 comprend en série une résistance fixe 12a et un potentiomètre 12b d'une part, et en parallèle avec le potentiomètre 12b, une résistance fixe 12c d'autre part. Une résistance 11 est montée entre l'entrée inverseuse et la sortie de l'amplificateur 9.
L'amplificateur 9 reçoit sur son entrée non-inverseuse, le signal B2 en provenance du filtre 7 du capteur 2 par l'intermédiaire d'une résistance 13. Une résistance 14 est disposée, d'une part, entre le point commun à l'entrée non-inverseuse de l'amplificateur 9 et à la résistance 13 et, d'autre part, à une masse du circuit. Une résistance
15 est disposée, d'une part, entre le point commun à l'entrée non- inverseuse de l'amplificateur 9 et à la résistance 13 et, d'autre part, à une alimentation du circuit, par exemple +5v.
L'amplificateur 9 fournit en sortie une tension égale au sinus de l' angle θ à une constante prêt. L' amplificateur 9 réalise donc la différence entre le champ B2 et le champ B3.
L'amplificateur 10 comprend une entrée non-inverseuse le signal Bi en provenance du filtre 6 du capteur 1 par l'intermédiaire d'une résistance 17. La résistance 17 comprend en série une résistance fixe 17a et un potentiomètre 17b d'une part, et en parallèle avec le potentiomètre 17b, une résistance fixe 17c d' autre part. Une résistance 11 est montée entre l'entrée inverseuse et la sortie de l' amplificateur 9. Une résistance 18 est disposée, d'une part, entre le point commun à l'entrée non-inverseuse de l' amplificateur 10 et à la résistance 17 et, d'autre part, à une masse du circuit. Une résistance 19 est disposée, d'une part, entre le point commun à l' entrée non-inverseuse de l'amplificateur 10 et à la résistance 17 et, d'autre part, à une alimentation du circuit, par exemple +5v. L'amplificateur 10 comprend une entrée inverseuse recevant, d'une part, le signal B2 par l'intermédiaire d'une résistance 20 et, d' autre part, le signal B3 par l'intermédiaire d'une résistance 21. La résistance 21 comprend en série une résistance fixe 21 a et un potentiomètre 21b d'une part, et en parallèle avec le potentiomètre 21b, une résistance fixe 21 c d'autre part. Une résistance 22 est montée entre l'entrée inverseuse et la sortie de l'amplificateur 9.
L' amplificateur 10 réalise l'addition du signal Bi et de l'inverse de la somme des signaux B2 et B3. Le signal de sortie de l'amplificateur 10 est égal au cosinus de l'angle θ à une constante prêt. Les signaux sinus θ et cosinus θ, respectivement de sortie de l'amplificateur 9 et de l' amplificateur 10, sont envoyés à un interpolateur 23 configuré pour calculer tgθ, c' est-à-dire la division du sinus par le cosinus et appliquer une fonction arc-tangente pour fournir l'angle θ en sortie. On obtient:
Dans le cas général avec N capteurs, tout en conservant les avantages de l'insensibilité intrinsèque à de nombreux champs magnétiques uniformes, aux variations de température, aux décalages d'offset et de gain du codeur, on a :
Les valeurs des résistances 12 à 22 sont choisies pour appliquer les constantes multiplicatives de ces dernières équations. On réalise ainsi un circuit électronique de traitement extrêmement simple et peu coûteux, qui peut être réalisé de façon analogique comme cela a été représenté en référence à la figure 3 , ou encore de façon numérique.
L'angle θ est ainsi calculé de façon fiable tout en étant insensible aux variations du module Bmax du champ magnétique, ainsi qu' aux décalages initiaux, notamment les décalages mécaniques.
Le système de détection différentiel, tel qu'illustré sur la figure 4, peut être appliqué à un moteur électrique illustré sur la figure 4 et comprenant un stator 23 , et un rotor 24 monté sur un arbre 25 supporté par des paliers 26 et 27.
Sur la figure 4, seul le capteur 1 est visible, les capteurs 2 et 3 disposés dans le moteur électrique n' étant pas dans le plan de coupe.
Le circuit 5 est monté à proximité immédiate du capteur 1. Les capteurs et le circuit de traitement 5 sont supportés par le stator 23 , tandis que le codeur 4 est supporté par le rotor 24.
Dans le mode de réalisation illustré sur la figure 5, le système de détection est monté dans un palier à roulement référencé 28 dans son ensemble. Le palier à roulement 28 comprend une bague extérieure 29 et une bague intérieure 30 supportant le codeur 4. La bague intérieure 29 supporte les capteurs 1 à 3 et le circuit de traitement 5.
Le palier 28 peut être utilisé dans différentes applications, notamment pour supporter un arbre de moteur électrique et connaître la position des pôles d'un rotor par rapport aux pôles d'un stator. En d'autres termes, un dispositif de détection différentielle de position d'un élément tournant par rapport à un élément non tournant, peut comprendre un codeur bipolaire destiné à être fixé sur l'élément tournant, trois, cinq ou sept capteurs de champ magnétique circonférentiellement régulièrement répartis, avec un entrefer par rapport au codeur et destinés à être fixés sur l'élément non tournant, et un circuit de calcul recevant un signal de sortie de chaque capteur, ledit signal étant représentatif du champ magnétique mesuré par le capteur. Le module de calcul est configuré pour émettre en sortie un signal représentatif de la position angulaire θ de l' élément tournant par rapport à l' élément non tournant. Le module de calcul peut comprendre un sous ensemble consistant en trois amplificateurs associés à des résistances.
Dans le mode de réalisation illustré sur la figure 6, le système de détection comprend un engrenage de petit diamètre 3 1 lié à un élément tournant, non représenté, dont on souhaite connaître la position, un engrenage double pourvu d'une denture de grand diamètre 32 engrenant avec l' engrenage de petit diamètre 31 et d'une denture de petit diamètre 33 , et un engrenage de grand diamètre 34 engrenant avec la denture de petit diamètre 33 de l'engrenage double. Le codeur
4 est lié en rotation à l' engrenage de grand diamètre 34 et les capteurs 1 à 3 sont fixes. Les engrenages assurent une démultiplication égale à D32D34/D31D33 avec Di le diamètre de l' engrenage i, d'où une excellente précision de mesure. II peut alors s' avérer utile de compter le nombre de tours effectués par l'engrenage de grand diamètre 34. Comme illustré sur les figures 7 et 8, l'engrenage de grand diamètre 34 comprend un ergot 35 décalé axialement par rapport à la denture et prévu pour coopérer avec une roue dentée 36 décalée axialement par rapport à l' engrenage de grand diamètre 34. Lors de la rotation de l' engrenage de grand diamètre 34, la roue dentée 36 est entraînée de façon intermittente à chaque passage de l' ergot 35 à proximité. Chaque déplacement angulaire de la roue dentée 36 correspond à un tour de l'engrenage de grand diamètre 34, dans un sens ou dans l'autre. La roue dentée 36 est munie d'un capteur de déplacement angulaire 37 qui peut être de type économique à faible résolution.
Le circuit électronique de traitement 38, illustré sur la figure 9, comprend un convertisseur analogique numérique 39 recevant en entrée les signaux de sortie des capteurs 1 à 3 , un module de calcul 40 comprenant une entrée reliée à la sortie du convertisseur 39, notamment configuré pour effectuer une division par exemple du signal sin θ par le signal cos θ pour obtenir en sortie tan θ, un module de calcul 41 comprenant une entrée reliée à la sortie du module de calcul 40, notamment configuré pour effectuer l'opération arc tangente et obtenir l'angle en sortie θ, et un module de mise en forme 42 recevant en entrée l' angle θ et appliquant une mise en forme, par exemple par modulation de largeur d'impulsions ou par conversion numérique analogique. Le circuit électronique de traitement 38 assure donc un traitement numérique ce qui est souhaité dans certaines applications.
Dans le mode de réalisation illustré sur la figure 10, le système de détection comprend trois capteurs 1 à 3 disposés avec un entrefer axial par rapport au codeur 4 bipolaire. L'encombrement radial est défini par le codeur 4 et est réduit par rapport à l'encombrement radial du système illustré sur la figure 1. Les capteurs 1 à 3 sont disposés radialement entre les deux cercles délimitant le codeur 4.
Dans le mode de réalisation illustré sur les figures 11 et 12, le système de détection comprend trois capteurs 1 à 3 disposés avec un entrefer axial par rapport au codeur 43 et trois aimants permanents 44,
45 et 46 stationnaires. Le codeur 43 comprend une plaque plane de matériau amagnétique, par exemple non ferreux, de périphérie elliptique et percée d'une ouverture elliptique dont l' axe formé par les foyers est perpendiculaire à l'axe formé par les foyers de l' ellipse périphérique pour former un renflement 47 relativement large radialement. La périphérie du codeur est centrée sur l'axe de rotation du codeur 43. Les aimants 44, 45 et 46 sont disposés du côté du codeur 43 opposé aux capteurs 1 à 3 et en regard de ceux ci. En d'autres termes, un entrefer axial est prévu entre les aimants 44, 45 et 46 et les capteurs 1 à 3. L' entrefer axial est suffisant pour permettre au codeur 43 de venir entre les aimants 44, 45 et 46 et les capteurs 1 à 3.
Dans la position angulaire visible sur les figures 1 î et 12, le renflement 47 du codeur 43 est situé entre l' aimant 44 et le capteur 1 affaiblissant très fortement le champ magnétique perçu par le capteur
1. Au contraire, le codeur 43 est absent entre l'aimant 45 et le capteur 2 et entre l'aimant 46 et le capteur 3. Les capteurs 1 à 3 fournissent donc des signaux analogues à ceux fournis dans les modes de réalisation précédents. Le mode de réalisation illustré sur les figures 13 et 14 se rapproche de celui des figures 1 1 et 12, à ceci près que les aimants 44 à 46 et les capteurs 1 à 3 sont disposés du même côté du codeur 43. Le codeur 43 est alors capable de modifier le champ magnétique perçu par les capteurs 1 à 3 selon sa position angulaire. Le mode de réalisation illustré sur la figure 15 se rapproche de celui des figures 13 et 14, à ceci près que le codeur 48 est incliné par rapport à son axe de rotation. Le codeur 48 comprend une plaque plane de matériau magnétique, par exemple ferreux, de périphérie circulaire et percée d'une ouverture circulaire concentrique à la périphérie. Lors de la rotation du codeur 48, la distance entre le codeur 48 et les capteurs 1 à 3 varie sinusoïdalement. Le codeur 48 modifie le champ magnétique perçu par les capteurs 1 à 3 selon la position angulaire dudit codeur 48.
Le mode de réalisation illustré sur la figure 16 se rapproche de celui de la figure 15, à ceci près que le codeur 49 comprend une bague bipolaire 50 annulaire, par exemple à base de plastoferrite magnétisée. Le codeur 49, incliné par rapport à son axe de rotation, se rapproche et s' éloigne cycliquement de chaque capteur 1 à 3 et génère un champ magnétique 51 dont la perception par chaque capteur 1 à 3 dépend de la distance les séparant et donc de la position angulaire du codeur 49.
Dans le mode de réalisation illustré sur la figure 17, le codeur 52 comprend une bague bipolaire annulaire à magnétisation radiale. En d'autres termes, l'un des pôles 53 est formé sur l'alésage du codeur et l'autre pôle 54 sur la périphérie. Le centre 55 du codeur 52 est décalé radialement par rapport à l'axe de rotation 56. Un capteur disposé avec un entrefer radial voit donc un pôle nord ou un pôle sud en fonction de la position angulaire du codeur 51. Le signal de sortie des capteurs 1 à 3 est donc représentatif de la position angulaire du codeur 51.

Claims

REVENDICATIONS
1-Système de détection de position angulaire d'un élément tournant par rapport à un élément non tournant, caractérisé par le fait qu'il comprend un codeur annulaire (4) pourvu d'un nombre P de pôles supérieur ou égal à 2 destiné à être fixé sur l'un des éléments tournant ou non tournant et un nombre N de capteurs, avec N impair et supérieur ou égal à 3 , aptes à recevoir un signal en provenance du codeur et montés sur l' autre des éléments non tournant ou tournant en regard dudit élément tournant ou non tournant répartis angulairement et au moins un module de soustraction capable de traiter au moins deux signaux de sortie des capteurs pour générer un signal différentiel.
2-Systeme selon la revendication 1 , dans lequel le module de soustraction comprend un module de calcul capable par différentiation pondérée des signaux permettant de générer Ucos = Somme(ai*Uj)- Somme(b;*Ui) avec i de 1 à N, les coefficients aj et b; permettant de recomposer sur la base de N informations le sinus et le cosinus le l'angle recherché.
3- Système selon la revendication 2, dans lequel le module de soustraction comprend un circuit de numérisation des informations analogiques et un circuit intégré de calcul de Ucos.
4- Système selon la revendication 2, dans lequel le module de soustraction comprend un circuit analogique de calcul de Ucos.
5- Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant un codeur annulaire (4) bipolaire destiné à être fixé sur l'élément tournant, trois capteurs (1 , 2, 3) de champ magnétique circonférentiellement régulièrement répartis et destinés à être fixés sur l'élément non tournant en regard du codeur, et le module de soustraction (5) recevant un signal de sortie de chaque capteur, ledit signal étant représentatif du champ magnétique mesuré par le capteur, et émettant en sortie un signal différentiel représentatif de la position angulaire θ de l' élément tournant par rapport à l'élément non tournant.
6-Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le signal de sortie du module de calcul comprend un signal sinus et un signal cosinus de la position angulaire θ de l'élément tournant par rapport à l'élément non tournant.
7-Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le module de soustraction (5) comprend des amplificateurs (9, 10, 1 1 ) montés en sommateur et/ou soustracteur.
8-Système selon la revendication 7, dans lequel un premier amplificateur (9) est monté en soustracteur pour fournir un premier signal de sortie, un deuxième amplificateur (10) est monté en sommateur-inverseur et un troisième amplificateur (11) est monté en sommateur pour fournir un deuxième signal de sortie, la sortie du deuxième amplificateur étant reliée à une entrée du troisième amplificateur.
9-Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le module de soustraction (5) comprend un filtre (6, 7, 8) par capteur, trois amplificateurs (9, 10, 1 1) montés en sortie des filtres et un interpolateur (21) monté en sortie des amplificateurs.
10-Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel, en notant B1, B2 et B3 les signaux de sortie des capteurs, le module de calcul en fonctionnement fournit un premier signal de sortie égal à (V3/2)(B2 - B3)/A et un deuxième signal de sortie égal à (B1 -(B2 - B3)/2)/A, A étant une constante.
11 -Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le module de soustraction comprend un interpolateur (21) recevant en entrée le sinus et le cosinus de ladite position angulaire et fournissant en sortie ladite position angulaire θ.
12-Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les capteurs sont répartis de manière non périodique pour optimiser les erreurs liés à la forme émise par la bague annulaire émettrice.
13-Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les capteurs sont disposés dans un même boîtier. 14-Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant un démultiplicateur mécanique de rapport de rotation.
15-Système selon la revendication 14, comprenant un compteur mécanique incrémenté d'un cran à chaque tour. 16-Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant trois, cinq ou sept capteurs disposés sur un secteur angulaire de 2π/3 , et un codeur bipolaire.
17-Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 15, comprenant trois, cinq ou sept capteurs disposés sur un secteur angulaire de π/3 et un codeur quadripolaire.
18-Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 15, comprenant trois, cinq ou sept capteurs disposés sur un secteur angulaire de 4π/9 et un codeur hexapolaire.
19-Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 15, comprenant trois, cinq ou sept capteurs disposés sur un secteur angulaire de π/6 et un codeur octopolaire.
20-Roulement (26) comprenant deux bagues (27, 28), une rangée d'éléments roulants disposés entre les bagues et un système selon l'une quelconque des revendications précédentes, ledit système fournissant la position angulaire d'une bague par rapport à l'autre bague.
21 -Machine tournante comprenant un rotor (22), un stator (21) et un système selon l'une quelconque des revendications 1 à 19, ledit système fournissant la position angulaire du rotor par rapport au stator.
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