Appareil pour fournir une indication digitale de la position d'un premier organe mobile par rapport à un second organe La présente invention a pour objet un appareil pour fournir une indication digitale de la position d'un premier organe mobile par rapport à un second organe.
On désire souvent établir une relation entre les positions relatives de deux objets ou organes, et ceci avec un degré de précision élevé. Ce problème se pose par exemple dans les systèmes de guidage par inertie, dans lesquels on désire connaître, avec une grande précision, la position d'un arbre par rapport à un point donné de référence fixe. Dans ces sys tèmes, il est souvent nécessaire de prévoir des moyens permettant une détermination périodique d'informa tions précises sur la position, donnant la position angulaire de l'arbre convenant à être traitée dans un équipement associé (par exemple évaluation ou ré glage).
Dans les systèmes proposés pour obtenir la précision exigée, les systèmes indicateurs de position nécessitent un équipement encombrant et délicat. En outre ces systèmes demandent à être maniés soigneu sement et leur alignement doit être contrôlé réguliè- rement pour pouvoir conserver le degré de précision exigé.
L'invention a pour but de créer un appareil du type décrit ci-dessus supprimant les désavantages mentionnés. L'appareil selon l'invention, qui com prend des moyens détecteurs comportant des premiè res parties connectées audit premier organe, des secondes parties connectées audit second organe et une troisième partie située entre ou autour desdites premières et secondes parties et étant mobile par rapport à celles-ci, qui comprend en outre au moins deux ensembles d'indices équidistants, la distance entre les indices étant différente d'un ensemble à l'autre,
les moyens détecteurs et les ensembles d7indi- ces étant agencés de façon telle que les ensembles d'indices engendrent dans les moyens détecteurs, lors du déplacement de ladite pièce mobile, des signaux électriques représentatifs de ladite position du premier organe;
et qui comprend finalement un circuit trans- formant lesdits signaux électriques en indications digi tales, est caractérisé en ce que lesdits ensembles d'in dices sont situés sur ladite troisième partie, des moyens étant agencés pour mouvoir cette dernière, de façon continue, par rapport auxdites première et seconde parties.
Selon une forme d'exécution préférée, dans laquelle il s'agit de déterminer la position d'un arbre mobile, on prévoit un indicateur ou codeur de la position d'un arbre comportant un organe de réfé rence ou stator et un organe d'entrée qui est entraîné par l'arbre dont on désire mesurer la position. Cha cun de ces organes porte deux séries de pistes sem blables d'indices de codage digital par exemple du type pouvant être lu par des moyens transducteurs ou détecteurs. L'une des pistes de chaque série com porte, pour la totalité de l'angle à mesurer, un indice de plus que l'autre piste de la série.
Un rotor com porte quatre pistes similaires d'indices de codage digital du même type, ces pistes étant disposées dans l'alignement et immédiatement à proximité des pistes correspondantes du stator et de l'organe d'entrée res pectivement.
Des moyens convenables, tels qu'un moteur synchrone, sont utilisés pour entraîner les pis tes du rotor afin qu'elles se déplacent en face des pistes du stator et de l'organe d'entrée. (Dans le cas où certains systèmes dynamiques particuliers sont surveillés, on peut prévoir, en outre, des moyens pour régler l'entraînement du rotor d'une manière telle qu'on engendre une information sur la position à des instants appropriés.) Les pistes du rotor étant entraî nées en face des pistes du stator et de l'organe d'entrée, il en résulte la production d'une série de signaux périodiques par chaque indice de chaque piste portée par le stator et l'organe d'entrée et ces séries de signaux sont combinées automatiquement en un signal moyen résultant,
qui en constitue la moyenne.
Un circuit détecteur et logique associé à cet appa reil codeur ou indicateur amplifie, conforme et inter prète les signaux moyens et engendre d'une manière cyclique un comptage fin ou précis (résultant de la mise en #uvre de la technique du vernier) et un comptage grossier ou brut, qui indiquent la position de l'organe d'entrée par rapport au stator. Les zones d'ambiguité possibles dans l'indication du signal grossier sont d'autre part éliminées automatiquement par le circuit logique.
En outre, lorsqu'on utilise un registre d'indication de position, on peut prévoir des moyens pour afficher ou actualiser automatiquement dans ce registre l'indication de position entre les périodes d'indication.
Les transducteurs, détecteurs, capteurs ou lec teurs utilisés dans le codeur de position peuvent pré senter, différentes configurations, et en particulier être constitués par des systèmes magnétiques, des systè mes à capacité variable et des systèmes à réluctance variable, dont certains seront décrits et illustrés ci-après.
L'appareil selon l'invention fournit une indica tion précise de la position relative de deux organes sous la forme d'une indication digitale immédiate ment disponible ou directement utilisable. Il est com pact, sûr et capable d'applications diverses.
On décrit ci-après à titre d'exemple non limitatif un certain nombre de modes de réalisation préférés considérés avec référence aux dessins ci-annexés sur lesquels la fig. 1 est une vue, en élévation latérale et en coupe, d'un appareil de codage de position particu lièrement simple, suivant un premier mode d'exécu tion de l'invention et mettant en #uvre des réluc tances variables ;
la fig. 2 est une vue analogue partielle, à plus grande échelle, illustrant le trajet ou passage du flux à travers deux pistes adjacentes de codage digital, ce flux étant engendré dans le dispositif à réluctance variable de la fig. 1 ; la fig. 3, qui est une coupe par 3-3 de la fig. 2, représente, en élévation et en bout, une portion des pistes du rotor et du stator de l'appareil de la fig. 1, illustrant la forme en entaille de ces pistes ;
la fig. 4 est une coupe par 4-4 de la fig. 1 d'une première série de pistes sur le rotor et le stator ; la fig. 5 est une coupe par 5-5 de la fig. 1 d'une seconde série de pistes sur le rotor et le stator ; la fig. 6 est un diagramme, sous forme de blocs logiques, du circuit logique réalisant la détection, le comptage et l'élimination des ambiguïtés, qui est associé à l'appareil; la fig. 7 est un graphique illustrant le fonction nement dans le temps du circuit logique de la fig. 6 ;
la fig. 8 est un diagramme représentant le circuit logique utilisé dans un système mettant en #uvre un registre de lecture pour afficher ou actualiser l'indi cation de position engendrée par le codeur ; la fig. 9 est un diagramme illustrant le circuit logique utilisé pour commander l'entraînement du rotor pour le codeur ; la fig. 10 est une vue en coupe illustrant un second mode de réalisation d'un codeur de la posi tion de l'arbre, mode de réalisation qui met en #uvre des capacités variables ;
la fig. 11 est une coupe par 11-11 de la fig. 10 montrant le rotor du codeur de la fig. 10 ; la fig. 12 illustre schématiquement un troisième mode de réalisation qui met en couvre des réluctances variables afin de déterminer un déplacement relatif linéaire ; la fig. 13 représente, schématiquement et en coupe, un autre mode de réalisation d'un indicateur de la position d'un arbre ;
la fig. 14 est une coupe par 14-14 de la fig. 13 montrant l'élément magnétique en forme de disque de l'indicateur de la fig. 13, sur lequel sont enregis trées trois séries de pistes magnétiques ; la fi-. 15, enfin, est un schéma, sous forme de blocs fonctionnels, d'un circuit approprié, destiné à être associé à un appareil indicateur, pour fournir une indication digitale immédiate de la position pré cise de l'arbre.
En se référant maintenant à la fig. 1, sur laquelle est illustré un appareil de codage de la position d'un arbre pour indiquer la position de celui-ci par rap port à un point de référence fixe, on voit que, sur cette figure, le point de référence fixe est constitué par une base ou support 10, tandis que l'arbre dont on veut indiquer la position porte la référence 12 et sera appelé ci-après arbre d'entrée . Sur le sup port 10 est fixé un stator 14 comportant deux séries 16 et 18 de pistes de lecture ou de codage digital.
Chaque piste est usinée dans une matière magnétique et présente plusieurs encoches 20 régulièrement espa cées sur la périphérie des portions de paroi verticales en formant une série de dents. La piste 18 présente, dans chaque portion de paroi, une encoche ou dent de plus que la piste 16, comme visible sur les fig. 4 et 5. Dans un code de réalisation préféré, chaque paroi pour la piste 16 comporte 256 encoches, tan dis que chaque paroi pour la piste 18 possède 257 encoches ; toutefois, pour simplifier les dessins, on a représenté ces parois comme ayant respectivement 11 (fig. 4) et 12 (fi-. 5) encoches, au lieu de 256 et 257 encoches.
Une bobine de fil ou bobinage 22 est placée dans la rainure ou gouttière 24 de chaque piste du stator. Une structure similaire est associée à l'arbre d'entrée 12. Deux gouttières 26 portant chacune une bobine de fil ou bobinage 22 sont montées à demeure sur la structure du stator. Des disques encochés 28 et 30 sont placés immédiatement au voisinage de ces gouttières et sont supportés par une pièce intermé diaire 32, réalisée en une matière non magnétique (par exemple en aluminium ou en un acier inoxydable approprié) et placée à une distance convenable pour permettre une rotation sans contact.
Chaque disque 28 comporte sur le dessin onze encoches et chaque disque 30 douze encoches (en réalité 256 et 257 encoches respectivement). Ainsi, la combinaison des g Cr outtières et des disques encochés réalise une struc ture semblable à celle des pistes 16 et 18 du stator.
Alors que la totalité de la structure des pistes de l'arbre d'entrée pourrait être montée sur l'arbre 12, il est préférable de séparer les gouttières et les disques de la manière illustrée sur les dessins, pour que le signal induit dans les bobines 22 puisse être plus facilement prélevé pour être appliqué à un circuit logique, par exemple du type illustré sur la fig. 6. Les disques encochés 28, 30 et la pièce intermédiaire 32 sont montés sur l'arbre d'entrée 12 et peuvent tourner par rapport au stator, en étant supportés, co-axialement à l'ensemble du stator, dans des rou lements 34 et 36.
On notera que les surfaces péri phériques effectives des pistes du stator et de l'arbre d'entrée sont alignées entre elles. Un détail d'une structure particulière utilisant cette configuration des pistes pour l'arbre d'entrée est représenté sur les fig. 2 et 3.
Un organe rotorique ou rotor 40 porte quatre séries 42, 44, 46, 48 de pistes, chacune disposée à l'extérieur et dans l'alignement d'une piste corres pondante 16, 18, 28, 30 du stator ou de l'arbre d'entrée respectivement, et chaque série 42, 44, 46, 48 est encochée d'une manière analogue à la piste correspondante 16, 18, 28, 30 du stator. Ainsi, dans le mode de réalisation illustré, les parois des séries de pistes 42 et 46 présentent onze encoches sur leur périphérie (en réalité 256 encoches) selon fig. 4, tan dis que les parois des séries de pistes 44 et 48 pré sentent douze (en réalité 257) encoches sur leur périphérie selon fig. 5.
Le rotor 40 et les pistes 42, 44, 46, 48 du rotor sont réalisées pour constituer une structure d'aimant permanent engendrant un flux ou champ magnétique qui se ferme par les entrefers existant entre les pistes 42, 44 du rotor 40 et les pistes correspondantes 28, 30 de l'arbre d'entrée 12 ou du stator. Le rotor 40 est monté sur un arbre 50 qui est supporté dans le carter du stator 14 par des roulements 52 et 54 et est entrainé en rotation par un moteur synchrone 56. On peut bien entendu avoir recours à d'autres moyens d'entraînement du rotor convenant à la nature du fonctionnement désiré de l'indicateur de position.
Au fur et à mesure que les pistes 42, 44, 46, 48 du rotor 40 passent devant les pistes 16, 18, 28, 30 du stator 14 et de l'arbre d'entrée 12, un signal de flux pulsatoire est engendré du fait de la modifica tion des configurations des entrefers. En fait, qua tre séries de trains de signaux S, S -i--1, I, I -I-1 sont engendrées, chaque train étant produit à partir de plusieurs points sur chaque paire de pistes (fig. 6).
Les séries de trains de signaux sont synchronisées les unes par rapport aux autres et leur moyenne est effectuée automatiquement dans l'appareil, étant donné qu'en fait plusieurs têtes de lecture ou cap teurs sont déplacés par rapport à une piste de codage numérique, et les erreurs dues à de faibles varia tions dans les emplacements des encoches tendront à se compenser du fait de la nature même du pro cédé mis en aeuvre. Dans le mode de réalisation illustré, il existe des trains S, 1, de onze impulsions, produits à partir des séries de pistes 16 et 28 et des trains S -I-1, I+1, de douze impulsions,
produits à partir des pistes 18 et 30, au cours de chaque rota tion complète du rotor 40. Le flux pulsatoire induit une tension dans la bobine associée 22 qui, à son tour, produit un courant variant sinusoïdalement. Ces signaux de courant variable sont transformés en impulsions utilisées pour fournir les indications de position désirées.
En se référant maintenant à la fig. 6, on voit que le train de signaux S de la piste 16 du stator 40 est appliqué sur une ligne 60, tandis que le train de signaux S+1 de l'autre piste 18 du stator 14 est appliqué sur une ligne 62. De même, le train de signaux I de la piste 28 de l'organe d'entrée 12 est appliqué sur une ligne 64, tandis que le train de signaux I+1 de l'autre piste 30 de l'organe d'entrée 12 est appliqué sur une ligne 66.
Chacun des quatre trains de signaux sinusoïdaux est appliqué à un circuit conformateur d'impulsions 68 qui reçoit le train de signaux et le transforme en une série correspondante d'impulsions rectangulaires.
Les circuits conformateurs ou de mise en forme 68 peuvent comprendre un étage amplificateur, un cir cuit de formation de signaux rectangulaires à partir de signaux sinusoïdaux et un circuit de différentia- tion pour fournir des impulsions de forme convena ble à partir des signaux rectangulaires par dériva tion, et il est préférable d'engendrer les impulsions en coïncidence avec le passage par la valeur zéro du courant sinusoïdal constituant le signal, comme cela est habituel dans les circuits conformateurs de ce type.
Les trains d'impulsions rectangulaires résultant des trains de signaux S et S -I-1 sont appliqués à un circuit à coïncidence 70, les trains d'impulsions cor respondant aux trains de signaux I et S -I-1 sont appli qués à un circuit à coïncidence 72 et les trains d'impulsions résultant des trains de signaux I et I -I--1 sont appliqués à un circuit à coïncidence 74. Ces circuits à coïncidence peuvent être constitués par des circuits ET classiques, du type à diodes, qui débi tent seulement lorsque des impulsions sont appliquées simultanément sur leurs entrées.
La sortie du cir cuit ET 70 est appelée So' ou référence de stator (coïncidence des impulsions correspondant aux deux trains de signaux du stator 14), la sortie du circuit ET 72 est désigné Vo' ou indication de vernier (cdincidence d'une impulsion du stator 14 et d'une impulsion de l'arbre d'entrée 12) et la sortie du cir cuit ET 74 est appelée Io ou référence de l'arbre d'entrée (coïncidence des impulsions correspondant aux deux trains de signaux de l'arbre d'entrée 12).
En outre, le train de signaux appliqué sur la ligne 60 est converti en impulsions de comptage C.
Au cours de la rotation du rotor 40, il existe, pour chaque tour, un point unique pour lequel il se produit une coïncidence ou concordance entre les encoches sur les deux pistes 16, 18 du stator 14 et les encoches correspondantes sur les pistes 46, 48 du rotor 40, et ce point matérialise un point de réfé rence.
Le circuit ET 70 débite lorsque ce point de cdincidence entre les trains de signaux S et S -f-1 est perçu et ce débit Sô est appliqué à l'entrée complé mentaire (qui fait passer dans l'état 1) du multivibra- teur bistable ou bascule 76 de sélection de compteur. Lorsque cette bascule est ainsi amenée dans son état. 1, elle présente un niveau de sortie qui condi tionne ou rend passante la porte 78.
Le signal Vo' suivant franchit donc cette porte sous la forme d'une impulsion Vo qui amène dans l'état 1 le multivibra- teur bistable ou bascule 80 de commande du comp teur fin (ou de comptage fin), ramène au zéro le compteur 82 de comptage fin ou de précision (par effet de vernier), et amène dans l'état 1 la bascule ou multivibrateur bistable 84 de suppression des ambi guïtés.
La sortie de la bascule 80 dans l'état 1 est également appliquée à un intégrateur 86 de manière que, sensiblement après un dixième de tour du rotor, la sortie de l'intégrateur 86 remette dans l'état O la bascule 84. Dans son état 1, la bascule 84 rend passante la porte 88 et dans son état O, elle rend passante la porte 90.
L'impulsion Sô suivante de référence de stator, provenant du circuit ET 70, replace la bascule 76 dans l'état O, de sorte que celle-ci applique son niveau de sortie au circuit différentiateur ou dérivateur 94 pour engendrer une impulsion So qui amène la bas cule 96 à l'état 1, le compteur 98 et la bascule 80 dans l'état O. Lorsque la bascule 80 est remise dans son état O, la diode 92 fournit un chemin de décharge rapide pour l'intégrateur 86, ce qui le rend prêt à être utilisé, à partir de son état déchargé, au cours du cycle de lecture suivant.
L'impulsion de référence Io suivante de l'organe d'entrée 12 engendrée par le circuit ET 74, est appli quée à la porte 90 et également, à travers le circuit à retard 100, à la porte 88 et elle est transmise par l'une de ces deux portes, à travers le circuit OU 102, pour placer dans l'état O la bascule ou multivibra- teur bistable 96.
Comme mentionné ci-dessus, les signaux S, appliqués par la ligne 60 au circuit confor- mateur 68, sont également utilisés pour former des impulsions de comptage C et ces impulsions sont appliquées, à travers l'unité à retard 104, aux portes 106 et 108 de sélection d'entrée de compteur (ces portes étant rendues passantes respectivement par les bascules 80 et 96 lorsqu'elles se trouvent dans l'état 1).
Si la bascule 80 se trouve dans l'état 1, les impulsions de comptage font avancer pas à pas un compteur 82 de comptage fin ou de précision (compteur de vernier), tandis que, si la bascule 96 se trouve dans l'état 1, les impulsions de comptage font avancer pas à pas un compteur 98 de comp tage grossier ou brut. Le retard imparti par l'unité à retard 104 est, par exemple, d'environ le quart de l'intervalle séparant entre elles les impulsions de comptage, tandis que le retard introduit par l'unité à retard 100 est sensiblement égal au double de cette quantité (retard introduit par l'unité 104).
Un diagramme temporel du fonctionnement du circuit de codage logique de la fig. 6 est illustré sur la fig. 7. Si l'on suppose que la bascule 76 de sélec tion du compteur se trouve initialement dans l'état O, une impulsion Sô débitée par le circuit ET 70 fait basculer ladite bascule en l'amenant dans l'état 1, de sorte qu'elle fournit un niveau de sortie condition nant, c'est-à-dire rendant passante, la porte 78.
Comme indiqué ci-dessus, cette impulsion Sô établit en fait un point de référence de la position du rotor par rapport au stator et cette opération rend le cir cuit logique prêt pour le fonctionnement du compteur fin. L'impulsion Vo\ suivante, qui est engendrée au point de coïncidence entre le train I de signaux (ou d'impulsions correspondantes) et le train S -h 1 de signaux (ou d'impulsions correspondantes), indique le point de coïncidence entre le stator et l'organe d'entrée pour le vernier. Cette impulsion Vo' franchit la porte conditionnée 78 qui la transmet en tant qu'impulsion Vo pour amener les bascules 80 et 84 dans l'état 1 et pour remettre à zéro le compteur fin 82.
La venue de la bascule 80 dans l'état 1 produit un niveau de sortie qui conditionne (rend passante) la porte 106 et produit le commencement de la charge de l'intégrateur 86. Les impulsions de comptage retardées par l'unité à retard 104, sont transmises par la porte 106 pour faire avancer pas à pas le compteur fin 82. Ladite unité à retard 104 sert à retarder suffisamment l'impulsion de comptage amenée aux portes 106 et 108 afin que l'impulsion arrive aux portes sans être coupée par le bascule- ment des bascules 76, 80 et 96, en réponse à une impulsion. En d'autres mots, l'unité à retard 104 assure que lesdites bascules aient changé d'état avant que l'impulsion soit comptée.
Le comptage fournit une indication de vernier précise de l'emplacement de l'arbre d'entrée 12 par rapport au stator 14 à l'ins tant où l'impulsion Vo a été engendrée. Le compteur fin avance pas à pas jusqu'à ce que l'impulsion Sô suivante, ayant traversé le circuit ET 70, ait fait bas culer la bascule 76 dans l'état O.
Ce basculement de la bascule 76 met en état le circuit de différen- tiation 94 pour engendrer une impulsion So qui ramène la bascule 80 dans l'état 0, déconditionne (c'est-à-dire rend bloquante) la porte 106 et termine le comptage fin. L'impulsion So a également pour effet d'amener dans l'état 1 la bascule 96 et de remettre à zéro le compteur 98 de comptage gros sier. Lorsque la bascule 96 se trouve dans l'état 1, la porte 108 se trouve conditionnée à l'état passant et les impulsions de comptage passent alors à travers cette porte 108 pour faire avancer pas à pas le comp teur grossier 98.
La porte 108 reste conditionnée jusqu'à ce que la bascule 96 soit ramenée dans son état O par une impulsion Io provenant du circuit ET 74 à travers, soit la porte 88, soit la porte 90 et le circuit OU 102. La porte 90 se trouve condi- tionnée à l'état passant lorsque la porte 106 de comptage fin est conditionnée pendant plus d'un dixième de tour du rotor et, dans ce cas, l'impul sion Io est effectivement avancée dans le temps pour empêcher l'impulsion de comptage grossier sui vante d'être enregistrée.
Par contre, si la porte 106 est conditionnée pendant moins d'un dixième de tour (ce qui indique un petit accroissement de vernier), l'intégrateur 86 n'agit pas sur la bascule 84 de con trôle d'ambiguïté pour la remettre dans l'état 0 et la porte 88 est conditionnée à l'état passant de manière que l'impulsion Io, retardée dans l'unité 100, com mande l'achèvement du comptage fin et l'enregistre ment de la dernière impulsion grossière est alors assuré. Ce comptage grossier donne une indication numérique grossière ou brute de la position de l'arbre 12 par rapport au stator 14 et il constitue une indi cation numérique grossière de la position angulaire de l'organe d'entrée par rapport au stator.
Le cycle du rotor est répétitif, des comptages fins et grossiers étant réalisés au cours des tours succes sifs du rotor 40. Le commencement d'un cycle est commandé par la concordance ou coïncidence entre les deux pistes du stator et les pistes correspondantes du rotor, c'est-à-dire par l'impulsion Sô. Par l'impul sion Vo, un point de coïncidence est détecté entre le train de signaux S + 1 et le train de signaux I de l'arbre d'entrée.
Le comptage fin est alors mis en route et le compteur 82 avance pas à pas jusqu'à l'impulsion So suivante qui, simultanément, ramène dans l'état 0 la bascule 80, termine le comptage fin et amène la bascule 96 dans l'état 1, ce qui provoque le commencement du comptage grossier. Ce comp tage grossier continue jusqu'à ce que l'impulsion Io soit engendrée (par détection de la coïncidence entre les pistes de l'organe d'entrée et les pistes correspon dantes du rotor) et, à ce moment, la bascule 96 est ramenée dans son état 0, ce qui termine le comptage.
Comme indiqué ci-dessus, l'impulsion So fournit une référence de stator, tandis que l'impulsion Io fournit une référence d'organe d'entrée. Le nombre d'impulsions de comptage engendrées quand le rotor se déplace entre ces deux emplacements (et enregis trées par le compteur grossier 82) constitue une indi cation grossière de la position relative de l'organe d'entrée par rapport au stator. Un comptage de ver nier, enregistré par le compteur fin 82, fournit une indication de la position exacte avec une grande pré cision.
En choisissant les entrées I et S+1, l'indica- tion Vo subit une précession dans le sens opposé à celui de la rotation de l'arbre d'entrée et permet à la même impulsion So d'être utilisée pour terminer le comptage de vernier et pour commencer le comptage grossier.
La direction de ladite précession de la coïncidence de vernier est contrôlée par la relation entre les trains de signaux de vernier et les trains de signaux de référence. Si le nombre d'intervalles de vernier est plus grand que (n+ 1), la coïncidence de vernier pré cède dans la même direction que les références. Si par contre le nombre d'intervalles de vernier est plus petit que (n - 1), la coïncidence précède dans la direction opposée. Par commodité, et un peu arbi trairement, on a choisi la relation de vernier (n) (n - 1), S + 1 étant l'entrée des signaux de référence et I étant l'entrée des signaux de vernier.
Dans l'appareil illustré, dont un graphique de lec ture est représenté sur la fig. 7, onze impulsions de comptage sont engendrées au cours de chaque tour du rotor. L'indication grossière ou brute est
EMI0005.0033
tan dis que l'indication fine ou de précision est
EMI0005.0035
Dans ce cas, la position angulaire indiquée de l'arbre est
EMI0005.0037
Il est évident que d'autres intervalles de comptage, tels que 100, 360 ou 1000, donneraient fréquemment des informations plus direc tement utilisables. Cependant, l'idée générale de l'invention est exposée à l'aide de l'exemple simplifié donné à titre d'illustration.
La bascule 84, en combinaison avec l'intégrateur 86, permet d'éliminer les ambiguïtés qui se produi sent lorsque le comptage fin est soit une faible frac tion, soit une importante fraction d'un tour. Si le comptage fin est petit, l'impulsion Io est retardée pour assurer l'inclusion de l'unité de comptage gros sier finale, alors que, s'il est grand, l'impulsion Io est effectivement avancée dans le temps pour assurer l'exclusion de l'unité de comptage grossier suivante.
Cette levée de l'ambiguïté est réalisée effectivement en mesurant l'importance du comptage fin précédent, tel qu'il est conservé dans la bascule 84. En se réfé rant au circuit de la fig. 6, la bascule 84 est placée dans l'état 1 par l'impulsion Vo et lorsque le comp tage fin est petit (de sorte que la bascule 84 ne peut pas être remise dans son état 0 par l'intégrateur 86), la porte 88 reste conditionnée à l'état passant et l'impulsion Io est retardée par l'unité à retard 100 (deux périodes de retardement plutôt que la simple période de retardement impartie aux impulsions C par l'unité 104)
pour assurer l'inclusion du comptage appliqué à travers la porte 108 au compteur 98 avant la remise dans l'état 0 de la bascule 96. Par contre, si le comptage fin est important, l'impulsion Io n'est pas retardée et la bascule 96 est ramenée immédia tement à l'état 0 par Io, de sorte que l'exclusion de l'impulsion C suivante est assurée. Ainsi, ce cir cuit logique assure une indication numérique conti nue et sensiblement immédiate de la position d'un organe par rapport à un autre, et ceci avec un très haut degré de précision et une élimination automati que des points d'ambiguïté.
Sur la fig. 8, on a illustré un circuit logique plus complexe comportant un registre de lecture 120 avec une section fine 122 et une section grossière 124, chaque section comportant des étages corespondant respectivement au compteur fin 82 et au compteur grossier 98. Les contenus des compteurs sont trans férés au registre de lecture après la fin de chaque comptage, à travers les portes 126 et 128 rendues passantes par les impulsions So et Sô respective ment.
Ce registre de lecture fournit une indication numérique, sur les positions des éléments repérés, pendant des intervalles de temps sensiblement plus longs que cela n'est possible par la mise en oeuvre des seuls compteurs grossier et fin. On se rendra compte que les compteurs fin et grossier pourraient être utilisés dans un montage similaire avec des orga nes logiques de commutation fonctionnant pour que l'information de position soit disponible après chaque tour du rotor plutôt que tous les deux tours du rotor.
Les éléments ou organes dont les positions relati ves sont mesurées peuvent être soumis à des mou vements accélérés de grande amplitude et il peut être désirable d'afficher ou actualiser l'indication fournie par le circuit logique de la fig. 6 entre les inter valles de lecture cyclique. Dans de tels cas, les comp teurs grossier et fin peuvent être connectés ensemble et organisés pour pouvoir compter à la fois additi- vement et soustractivement. Le registre de lecture est alors, d'une manière similaire,
conçu comme compteur additif et soustractif. Sur le schéma de la fig. 8, les trains de signaux sinusoïdaux In et Sn (provenant respectivement des pistes 28 et 16) du codeur digital de position (représenté dans son ensem ble par le rectangle 130) sont envoyés à un moteur synchro 132 qui est sensible à la différence de phase entre les signaux In et Sn ; l'arbre de sortie 134 de ce moteur synchro tourne en réponse à une diffé rence de phase entre ces signaux qu'il détecte. Ce moteur détermine donc le sens du mouvement de l'organe dont la position est surveillée par le codeur digital de position 130.
Un codeur 136 des variations de position de l'arbre 134 est utilisé pour détecter le mouvement de cet arbre. Ce codeur 136, qui peut posséder deux têtes de lecture faisant entre elles un angle de 90o, détecte le déplacement de l'arbre 134 et engendre une série de signaux qui sont résolus par le circuit logique 138 et une impulsion d7actionne- ment du compteur est engendrée afin d'être appli quée soit à travers la ligne 140 pour faire avancer d'un pas les compteurs, soit à travers la ligne 142 pour faire reculer d'un pas les compteurs, suivant le sens détecté du déplacement relatif des organes sur veillés.
Chaque impulsion de comptage C provenant du circuit 130 de codage de la position de l'arbre 12 est appliquée au codeur 136 et dirige l'information, sur la position de l'arbre 134, vers le circuit logique <B>138</B> et cette même impulsion de comptage, retardée d'un demi-intervalle de temps par l'unité à retard 144, contrôle également le passage de toute impulsion d'actionnement du compteur qui est engendrée. Ce dispositif d'application d'un retard aux impulsions évite tout conflit entre les impulsions de comptage en provenance du circuit de codage<B>130</B> et une impulsion d'actionnement du compteur provenant du circuit logique 138.
Une seconde complication du dispositif de codage type de la position d'un arbre est représentée sur la fig. 9. L'ordre de lecture d'une indication de position par le codeur de l'arbre peut, dans cer taines applications, être donné par une impulsion de lecture. Dans ce cas, il est désirable que l'impul sion Vo soit engendrée aussi exactement que possi ble en même temps que l'impulsion de lecture. Le dispositif illustré sur la fig. 9 représente un système pour synchroniser la production de cette impulsion Vo avec une impulsion de lecture en faisant varier la vitesse à laquelle le rotor 40 est entraîné par le moteur synchrone 56.
Cette variation modifie d'une manière efficace l'instant d'apparition de l'impulsion So tout en plaçant l'impulsion Vo en synchronisme pratiquement absolu avec l'impulsion de lecture. Dans ce circuit, le moteur synchrone 56 est entraîné en rotation par un oscillateur à fréquence variable 150 qui est polarisé pour engendrer une fréquence nor male, mais cette fréquence peut être accrue en réponse à une tension d'entrée. Le circuit intégra teur 152 fournit cette tension d'entrée variable et il est contrôlé par la bascule ou multivibrateur bistable 154.
La bascule 154, lorsqu'elle est amenée dans l'état 1 par l'impulsion de lecture arrivant par la ligne 156, applique un niveau de tension à l'inté grateur 152 et celui-ci produit une tension de sortie croissante qui augmente la fréquence de sortie de l'oscillateur 150 et entraîne le moteur 56 à une vitesse plus grande. L'impulsion Vo suivante, arri- vant par la ligne 158, replace la bascule 154 dans l'état O et élimine le niveau qui rend opératoire l'intégrateur 152, ce quia pour effet de ramener la fréquence variable de l'oscillateur à sa fréquence normale.
La durée de l'entraînement en rotation à une vitesse accrue est donc directement proportion nelle à l'intervalle de temps entre l'impulsion de lec ture et l'impulsion Vo, le résultat de cette opération étant d'avancer l'impulsion Vo dans le temps. Il en résulte que l'impulsion Vo devrait se produire, au cours du cycle suivant, en un point plus voisin de l'impulsion de lecture. L'homme de l'art compren dra aisément que, si l'on a décrit essentiellement un servomécanisme du type tout ou rien, on peut uti liser d'autres types de servomécanismes (par exem ple un servomécanisme tendant à annuler un signal d'erreur) pour produire des résultats analogues.
Un deuxième mode de réalisation de l'appareil de codage est illustré sur les fig. 10 et 11. Dans ce mode de réalisation, l'appareil, qui met en couvre des capacités variables, comporte deux séries de disques à circuits imprimés qui forment les armatures de condensateur. L'appareil comprend un carter stato- rique 10' auquel est fixé un disque 170 sur lequel sont disposées deux pistes 16' et 18' d'éléments ou armatures 172 de condensateur.
Ces pistes de con densateurs correspondent aux pistes du stator du dispositif à réluctance variable des fi-. 1 à 6 et ont reçu les mêmes nombres de référence que dans ce dispositif, mais dotés de l'exposant prime . Un arbre 12' de l'organe d'entrée, supporté dans des paliers 34', porte un disque 174 (similaire au dis que 170) sur lequel sont disposées des pistes corres pondantes 30' et 32' d'éléments ou armatures 172 de condensateur. Le rotor 40', qui est un disque plat, est entraîné par l'arbre 50' et comporte des disques 176, 178 de condensateurs fixés de chaque côté de celui-ci et dotés de quatre séries de pistes 42', 44' et 46', 48' respectivement.
Une vue en élévation latérale du disque rotorique 40' et du dis que 178 de condensateurs monté sur lui est repré sentée sur la fig. 11. Comme indiqué sur cette figure, douze segments 172 de condensateur, connectés entre eux, sont prévus sur la piste externe 48', tandis qu'on n'a prévu que onze segments similaires 172 de condensateur sur la piste interne 46'. Les pistes 16', 30' et 44' correspondant à la piste 46' n'ont chacune que onze segments connectés entre eux, tan dis que les pistes 18', 32' et 42', qui correspondent à la piste 48', présentent chacune douze segments connectés entre eux.
Au cours de la rotation du rotor 40' par rapport au stator 14', il n'existe qu'un point pour lequel tous les segments du dis que 178 sont alignés avec les segments du disque 170. En ce point, l'effet de capacité est tel qu'un signal maximum est produit à partir des deux séries de condensateurs et un tel signal représente le point de référence So. D'une manière similaire, les seg ments sur les deux séries de pistes correspondantes entre l'organe d'entrée 12' et le rotor 40' ne coïnci dent qu'en un point, pour lequel un signal maxi mum Io est produit.
La similitude de la structure entre le dispositif à réluctance variable des fig. 1 à 5 et du dispositif à capacité variable des fig. 10 et 11 est suffisamment évidente pour qu'il soit inutile d'insister davantage à son sujet. Ces deux valeurs So et Io commandent les portes qui mettent en oeuvre le comptage grossier.
Le comptage de précision ou de vernier, ou comptage fin, est amorcé par le signal V" qui est engendré par la coïncidence entre les signaux provenant de la piste 30' de l'organe d'entrée et la piste 18' du stator de la même manière que dans le dispositif à réluctance variable des fig. 1 à 5 et donc, comme décrit ci-dessus, et un circuit logique similaire est mis en oeuvre pour fournir une indica tion de position à partir de ces données codées. L'appareil des fig. 10 et 11 constitue ainsi un deuxième mode de réalisation d'un dispositif indica teur de position compact et précis. Un troisième mode de réalisation est illustré sur fig. 12.
Celle-ci représente un dispositif indicateur de position linéaire comportant un stator 180 et un organe mobile 182 qui constitue l'organe d'entrée. Comme illustré, ce mode de réalisation met en oeuvre des variations de réluctance, le stator 180 et l'organe d'entrée 182 comportant chacun des séries de parties encochées correspondantes 184, 186 et 188, 190. A chaque partie encochée est associée une bobine 192 qui est influencée par le flux auquel elle est soumise d'une manière analogue à ce qui se passe dans l'appareil des fig. 1 à 5.
La portion 184 de codage digital (à transducteur) du stator comporte N encoches par unité de longueur, alors que la por tion 186 comporte N+1 encoches. D'une manière similaire, les portions correspondantes 188 et 190 de l'organe d'entrée 182 comportent N et N+1 encoches respectivement.
Un organe rotorique 194, disposé entre le stator et l'organe d'entrée, comporte une première portion 196 encochée ou filetée héli- @coïdalement présentant un pas de N/unité de lon gueur, de sorte qu'elle présente N filets par unité de longueur, et une seconde portion 198 encochée ou filetée hélicoïdalement présentant N+1 filets par unité de longueur.
La similitude entre cette structure et les modes de réalisation des fig. 1 et 10 (qui ont été décrits en détail) est évidente, en ce qui concerne les pistes de codage digital et l'organe rotorique asso cié.
Le rotor 194 peut être entrainé soit d'une manière intermittente, soit à une vitesse constante, et l'appa reil produit des trains de signaux de sortie, du fait que le flux change dans les pistes de codage associées, proportionnellement aux variations de l'effet d'entre- fer total, de la même manière et pour les mêmes rai sons que le dispositif des fig. 1 à 6.
L'organe d'entrée peut être déplacé de toute manière convenable, par exemple par une tige 200, et sa position peut être déterminée d'une manière précise par des indications de comptages fin et grossier, comme décrit ci-dessus.
Il serait également possible de réaliser un dispo sitif mesurant les déplacements linéaires en combi nant un tambour d'enroulement à l'un quelconque des modes de réalisation d'un dispositif de mesure de la position angulaire du type décrit et illustré. Dans ce cas, un fil, enroulé sur le tambour, suivrait le déplacement linéaire à mesurer en provoquant la rotation du tambour en fonction du déplacement linéaire ; par conséquent, la mesure de la rotation du tambour constituerait une indication directe et très précise de la grandeur du déplacement linéaire.
Un mode de réalisation d'un indicateur magné tique de la position angulaire d'un arbre est illustré sur la fig. 13. Dans ce mode de réalisation, un pre mier jeu de têtes de lecture 250 est monté sur 1e carter 252, tandis qu'un second jeu 254 est monté sur un bras 256 porté par l'arbre mobile 258 dont on désire détecter la position (par rapport au car ter 252). L'arbre 258 est monté pour pouvoir tour ner dans un palier 260. Les deux jeux de têtes peu vent donc ainsi tourner l'un par rapport à l'autre.
Des pistes magnétiques, qui sont explorées par les deux jeux de têtes de lecture, sont enregistrées sur un seul organe 262, en forme de disque, qui est fixé sur un arbre d'entraînement 264 supporté dans le car ter 252 par un palier 266 de manière à pouvoir tourner. L'organe en forme de disque peut être un support revêtu d'une matière magnétique convenable, ou bien il peut être constitué par un disque magné- tisable par exemple.
Le dispositif de la fig. 13 est conçu pour fournir une indication digitale directe de la position de l'arbre, en degrés, minutes d'arc et secondes d'arc. Trois paires de traces magnétiques 268, 270, 272 (fig. 14) sont enregistrées sur le dis que mobile 262 et une tête de lecture est associée à chaque trace.
Comme indiqué schématiquement sur la fig. 14, on prévoit sur la surface supérieure du disque 262 trois traces destinées au stator et référencées 268, 270, 272, ces traces comportant des traits, indices ou bits enregistrés magnétiquement. Des traces corres pondantes pour le rotor sont prévues sur la sur face inférieure du disque 262. La paire externe de traces 268 est utilisée pour indiquer la rotation de l'arbre en secondes d'arc.
La trace de cette paire destinée au stator (la trace qui est associée à la tête de lecture fixe et qui est disposée sur la surface supé rieure du disque) comporte 3599 traits ou bits d'information magnétique inscrits sur elle, tandis que la trace de cette paire, destinée au rotor, comporte 3600 bits enregistrés sur elle. La paire médiane de traces 270 sert à indiquer les minutes d'arc. La trace de cette paire, destinée au stator comporte 359 traits ou bits enregistrés magnétiquement, tandis que 360 traits ou bits sont inscrits sur la trace de rotor cor respondante (de la même paire 270).
Enfin, la troi sième paire de traces 272 est utilisée pour indiquer les degrés, 360 traits ou bits étant enregistrés sur la trace de stator, tandis qu'un seul trait ou bit est inscrit sur la trace de rotor de cette troisième paire. Trois têtes de lecture sont prévues dans chaque jeu et, comme représenté sur les fig. 13 et 14, elles sont décalées l'une par rapport à l'autre pour permettre une meilleure utilisation de l'espace disponible. Les paires correspondantes de têtes sont toutefois mon tées de manière qu'elles puissent être exactement ali gnées et donc pour que les trois paires de têtes puis sent venir simultanément en alignement.
Dans la disposition illustrée de l'indicateur de la position d'un arbre, la paire externe de traces (utilisée pour indiquer les secondes d'arc) présente un cycle dont les subdivisions sont de 1/3600e de tour de l'arbre (c'est-à-dire 360 secondes d'arc ou 1/10e de degré). C'est pourquoi un déplacement du zéro d'une division (ou de dix bits) correspond à une seconde d'arc.
Au cours de l'opération de repérage ou lec ture, le disque 262 est entraîné en rotation du point zéro jusqu'à la position dans laquelle les têtes de lecture détectent la coïncidence exacte entre les traits ou indices qui se trouvent alors directement sous les têtes de lecture ; par conséquent, le nombre de bits dont a tourné le disque fournit une indication directe et précise de la position de l'arbre 258 en secon des d'arc.
La paire intermédiaire 270 de traces magnétiques (utilisées pour indiquer les minutes d'arc) comporte un cycle dont les subdivisions sont de 1/360e de tour pour l'arbre (c'est-à-dire de 60 minutes d'arc pour cet arbre). C'est pourquoi un déplacement du zéro de 6 divisions (ou 6 bits) correspond à une minute pour l'angle de rotation de l'arbre. Enfin, la troisième paire 272 de traces est utilisée pour déter miner la position des zéros.
Lorsque le repère de comptage (le seul trait ou bit de la trace du rotor 272) passe devant la tête de lecture associée 254, le signal qui en résulte amorce le comptage par les compteurs. Le compteur des secondes d'arc, associé à la trace de rotor 268, comptera jusqu'à 60, puis reviendra au zéro. Le compteur des minutes d'arc, qui avance d'un pas à chaque sixième bit détecté par la tête de lecture asso ciée à la trace de rotor 270, avancera également pas à pas jusqu'à 60, puis reviendra au zéro. Enfin, le compteur de degrés avance d'un pas lors de chaque dixième bit lu par la tête de lecture associée à la trace de stator 272. Lorsque le point de coïncidence (zéro) des bits ou traits de chaque jeu ou paire de traces est atteint, l'avance du compteur associé est arrêtée.
On obtient ainsi une indication digitale de la position de l'arbre en secondes, minutes et degrés, au bout d'une rotation, au maximum égale à un tour, du disque 262.
On peut utiliser divers moyens pour détecter le zéro. Par exemple, on peut avoir recours à un démo- dulateur de phase sensible dont la sortie est nulle lorsque les deux signaux (en provenance de deux têtes magnétiques) qui l'atteignent sont déphasés de 90e. Un autre dispositif convenable est constitué par un détecteur à coïncidence formé de circuits ET. Un dispositif convenable d'un tel circuit détecteur est représenté sur la fi-. 15, ce circuit pouvant s'appli quer par exemple à un montage similaire à celui de la fig. 13 mais à deux traces seulement.
Sur cette fig. 15, on a représenté le carter 216 de l'indicateur de la position de l'arbre, l'arbre d'entrée 212 et l'arbre de sortie 238. Lorsque les têtes de lecture passent au-dessus des indices enregistrés magnétique- ment sur les traces, le changement de flux magné tique est détecté par ces têtes de lecture et des signaux (sinusoïdaux) sont engendrés qui sont transmis par des balais collecteurs 280 aux lignes 282 et 284 res pectivement.
Chaque train de signaux sinusoïdaux est appliqué successivement à un circuit conformateur 286 (qui les transforme par exemple en signaux rec tangulaires) et à un circuit différentiateur 288 et les impulsions quittant les deux circuits 288 sont appli quées à un détecteur de coïncidence 290. Comme indiqué ci-dessus, il existe différents types de circuits détecteurs de coïncidence convenables qui sont capa bles de répondre à des impulsions se produisant à des intervalles de temps inférieurs à 100 millimicro- secondes. Avec les techniques des diodes à avalan che, des réponses à des écarts temporels entre impul sions nettement inférieurs à cette valeur sont possi bles.
Un compteur 292, qui est mis en route lorsque le repère particulier ou index inscrit sur la trace est détecté, est avancé d'un pas par chaque signal appli qué sur la ligne 282 jusqu'au point exact de coïn cidence entre les deux trains d'impulsions détectés par le détecteur de coïncidence 290. A ce moment, le détecteur de coïncidence engendre un signal de sortie sur la ligne 294, ce signal empêchant toute avance du compteur 292.
Un autre type convenable de détecteur de zéro est constitué par un détecteur sensible à un signal ayant une fréquence égale à la différence entre les fréquences de deux signaux débités par des têtes de lecture. Un tel détecteur comprend un circuit mélan geur qui produit un battement entre les deux fré quences résultant des deux traces lues par lesdites têtes, un filtre passe-bas qui, dans la sortie du mélan geur, arrête les composantes haute fréquence et ne laisse passer que la composante correspondante à la différence des fréquences, et un circuit de déclenche ment actionné par la traversée du zéro par le signal résultant, c'est-à-dire la différence des fréquences, qu'il reçoit du filtre passe-bas.
Les dispositifs décrits constituent des appareils perfectionnés de codage d'une position, fournissant simultanément avec rapidité et précision des indica- tions grossières ou brutes et des indications précises ou fines (indications de vernier). Ils réalisent une éli mination automatique des ambiguités et effectuent automatiquement la moyenne des signaux parallèles, de sorte que des écarts de tolérance relativement importants dans leur construction ne diminuent pas leur précision.
Ce sont des appareils compacts qui comportent de nombreuses applications dans diffé rents domaines de mesure des positions.
On comprendra aisément que différentes modifi cations peuvent être apportées aux modes de réalisa tion illustrés, en plus de celles spécifiquement pré vues ci-dessus. Par exemple, on peut avoir recours à d'autres types de systèmes de codage binaire et de lecture de la position, par exemple à des systèmes utilisant des détecteurs de radiations et des détec teurs optiques. On peut également utiliser, dans des variantes du codeur, d'autres types de moyens engen drant des références pour le stator et pour l'organe d'entrée par exemple un seul repère ou index sur une trace pour constituer ladite référence.
On peut égale ment accumuler les comptages grossier et fin dans les deux compteurs en même temps avec un circuit logique éliminant les ambiguités modifié en consé quence. Suivant une autre variante particulière, on peut utiliser la technique d'actualisation ou d'affichage illustrée sur la fig. 8 avec un seul registre qui répond à la fois au circuit logique du codeur digital et au circuit logique du codeur à vernier si des retards périodiques dans la lecture peuvent être tolérés.