EP0432101B1 - Dispositif de mesure à plusieurs capteurs en multiplex - Google Patents

Dispositif de mesure à plusieurs capteurs en multiplex Download PDF

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EP0432101B1
EP0432101B1 EP90810943A EP90810943A EP0432101B1 EP 0432101 B1 EP0432101 B1 EP 0432101B1 EP 90810943 A EP90810943 A EP 90810943A EP 90810943 A EP90810943 A EP 90810943A EP 0432101 B1 EP0432101 B1 EP 0432101B1
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sensor
disposed
voltage
supply
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Daniel Hobmaier
José Barros
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Baumer Electric AG
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Baumer Electric AG
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    • G—PHYSICS
    • G08—SIGNALLING
    • G08C—TRANSMISSION SYSTEMS FOR MEASURED VALUES, CONTROL OR SIMILAR SIGNALS
    • G08C15/00—Arrangements characterised by the use of multiplexing for the transmission of a plurality of signals over a common path
    • G08C15/06—Arrangements characterised by the use of multiplexing for the transmission of a plurality of signals over a common path successively, i.e. using time division
    • G—PHYSICS
    • G08—SIGNALLING
    • G08C—TRANSMISSION SYSTEMS FOR MEASURED VALUES, CONTROL OR SIMILAR SIGNALS
    • G08C19/00—Electric signal transmission systems
    • G08C19/38—Electric signal transmission systems using dynamo-electric devices

Definitions

  • the present invention relates to a device for measuring the angular position of a shaft, comprising two or more position sensors with a rotary member, these sensors being arranged to be supplied by a symmetrical or pulse periodic voltage and for supplying, on conductors of output, signals depending on the angular position of their respective rotary members, the device further comprising a multiplexing assembly connected to said sensors and connected by output conductors to a signal processing device.
  • the present invention aims to reduce the number of connecting conductors required between the assembly comprising the various sensors and the multiplexing device, and the power supply, control and signal processing circuits which are generally located at a certain distance. sensors.
  • This problem is indeed crucial in applications in which two or more sensors are used per shaft and, consequently, cumbersome, annoying and costly cabling is necessary according to the usual technique.
  • this involves measuring the rotation of several shafts of the same device and the wiring is thus multiplied accordingly.
  • the solution of connecting different sensors by means of gears with a high reduction ratio so as to reduce the number of sensors necessary to cover a given working range, requires very precise sensors and gears and therefore leads to relatively high cost prices .
  • the invention also aims to make it possible to reduce the cost price of the entire device, while making it possible to cover a wide field of work of the device, that is to say to allow the measurement of a large number of revolutions of a tree.
  • the measuring device is characterized in that it comprises a device for supplying and controlling the multiplexing arranged to superimpose on the supply voltage to supply the sensors a DC offset voltage selected from at least as many offset voltages, values and / or different polarities as the device includes sensors beyond the first, each of these offset voltages corresponding to a certain sensor or part of a certain sensor, and that the multiplexing assembly includes discrimination means for determining the value and / or polarity of the applied offset voltage, as well as means for addressing the corresponding sensor or sensor part, so that the output signals of this sensor or this part of sensor are transmitted to the signal processing device.
  • the invention thus makes it possible to produce installations having a minimum of connection cables, the same number of wires as for a single sensor being sufficient for the connection with the power supply, control and signal processing parts of the measuring device. .
  • a first sensor of the device is a sensor of a precision substantially greater than that of the other sensors of the device, and is arranged to be coupled directly with the shaft whose rotation is to be measured, the other sensor (s) being successively coupled with the rotary member of the first sensor by means of mechanical coupling devices having a determined transmission ratio.
  • the first sensor can in particular be constituted by a resolver, the other sensors being able to be of the inductive type with passive rotary member arranged to provide output signals of the same format as the resolver.
  • the mechanical coupling devices between the various sensors are preferably constituted by gears.
  • the number of connecting conductors becomes independent of the number of sensors, it is possible, for example, to increase this number so as to allow the use of lower reduction ratios or, more generally, of lower numbers of teeth and therefore much less expensive gears.
  • the first sensor directly coupled to the input shaft whose angular position is to be measured generally requires the precision desired for the indication of the angular position on a revolution of the shaft, the other sensors used to indicate the number of complete revolutions of the tree between a starting position and a final position and therefore only needs sufficient precision to determine this number of revolutions. This requirement for precision decreases with the reduction ratio used.
  • sensors of very economical structure can be constructed, for example according to the principle of varying the coupling between a primary winding and secondary windings in phase quadrature, using a passive mobile member, these sensors being capable of provide output signals of the same format as that of inductive sensors of the resolver type which are significantly more expensive.
  • the present device allows, by the use of this type of sensors as sensors according to the first, to significantly reduce the cost price of the entire device.
  • the multiplexing assembly preferably comprises discrimination means arranged to determine the value and / or the polarity of the offset voltage at an instant in the supply cycle lying in the interval between two successive pulses.
  • an input shaft 1 the absolute angular position of which is to be measured, that is to say the position from a starting position, including the number of complete revolutions made between this starting position and the position to be measured is mechanically coupled with a first position sensor C1 which in this case consists of a resolver.
  • This sensor C1 is supplied by two conductors designated as a whole by MC1 and provides output signals on four conductors designated as a whole by SC1.
  • Fig. 1 shows, moreover, by way of nonlimiting example, three other sensors C2, C3 and C4 which could also be resolvers, but which are preferably constituted by inductive sensors with a passive mobile member supplying signals output in the same format as a resolver and can therefore be processed by the same converter device.
  • the rotary members of the sensors C1 to C4 are mounted on respective axes 2, 3, 4, 5 and are coupled, by means of gears, for example reduction gears such as 6, 7 between C1 and C2, 8, 9 between C2 and C3, and 10, 11 between C3 and C4.
  • the reduction ratio can be 16: 1, for example, which allows these gears to be produced very economically compared to gears having, for example, ratios of 100: 1 as usually used in a such a measuring device.
  • the supply conductors of the sensors C2 to C4 and the conductors connecting the output terminals of these sensors to a multiplexing assembly 12, are designated, respectively, by MC2, MC3, MC4 and SC2, SC3, SC4, similarly to those of sensor C1.
  • the multiplexing assembly 12 is installed near the sensors, for example on a machine such as an industrial robot, and it is connected to a signal processing device represented schematically by the blocks 13, 14, as well as to a multiplexing supply and control device represented by blocks 15, 16, 17. As shown in FIG. 1, this connection is made, on the one hand, by four conductors S1, S2, S3, S4 and, on the other hand, by two conductors M1, M2, therefore by six conductors in total.
  • the signals appearing on the conductors S1 to S4 are first processed in the block 13, essentially constituted, in the illustrated case, by an analog-digital R / D converters, to transform the analog signals of resolver format into digital signals, these signals then being processed in an operating device 14 in order to determine the angular position of the input shaft and / or the speed of rotation of this shaft.
  • a supply current source for the sensors and the assembly 12 is indicated by block 15. It supplies, via two conductors R1, R2, a sinusoidal and pulse voltage to a coding circuit 16 connected by the conductors M1, M2 to assembly 12.
  • the selection of the sensors C1 to C4 for the transmission of the corresponding output signals, in multiplex, to the device 13, is carried out under the control of addressing signals supplied on conductors A1, A2, A4, A4, as indicated schematically FIG. 1, by a control device 17 also connected to the operating device 14.
  • Fig. 2 shows the diagram of the circuit 16 according to an exemplary embodiment making it possible to superimpose on the supply voltage applied between R1 and R2, different offset voltages defined, respectively, by the level of DC voltages selectively applied to the conductors A1 to A4.
  • the superimposed DC voltages determined, for example, by the choice of resistors r1 to r6 in FIG. 2 preferably have a value substantially smaller than the supply voltage, but must, of course, be sufficient to allow easy discrimination. It should also be noted that the potentials of M1 and M2 are floating.
  • Fig. 3 is a simplified diagram of a multiplexing assembly 12 used in the device of FIG. 1.
  • the voltage applied via conductors M1 and M2 is, on the one hand, rectified and filtered by circuits 18 to 21, in order to obtain a DC supply voltage Vcc, in particular for supplying analog multiplexers represented by a block 22.
  • the voltage on M1, M2 is, moreover, supplied to the various sensors via the conductors MC1 to MC4, a filtering being provided for eliminating the DC component by means of a high-pass filter 23 which, in the present example , can be mounted downstream of the power supply of the first sensor C1.
  • the voltage on M1, M2 is filtered by a low-pass filter 24 to apply the continuous offset voltage to a level discriminator 25 shown diagrammatically in FIG. 3.
  • This discriminator supplies to addressing inputs A1 ′, A2 ′, A3 ′, A4 ′ a corresponding addressing signal which causes the output signals of the respective sensor to appear on the transmission conductors S1 to S4.
  • the detection of the DC offset voltage is preferably carried out in the interval between two consecutive pulses.
  • the multiplexing according to the invention practically does not complicate the overall structure of the measurement device, since it allows the use of a single analog-digital converter or other device signal processing.
  • the use of a minimum of connection conductors and, in particular in the case described by way of example, the possibility of using simple and more economical sensors and gears with relatively low number of teeth, provides decisive technical and economic advantages.

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Description

  • La présente invention concerne un dispositif de mesure de la position angulaire d'un arbre, comportant deux ou plusieurs capteurs de position à organe rotatif, ces capteurs étant agencés pour être alimentés par une tension périodique symétrique ou impulsionnelle et pour fournir, sur des conducteurs de sortie, des signaux fonction de la position angulaire de leurs organes rotatifs respectifs, le dispositif comportant en outre un ensemble de multiplexage connecté auxdits capteurs et relié par des conducteurs de sortie à un dispositif de traitement des signaux.
  • Un tel dispositif est décrit dans le brevet US 4,207,505. Selon ce brevet, plusieurs résolvers sont connectés à un dispositif de multiplexage sous la commande de commutateurs de sélection correspondants. La technique du multiplexage permet de réduire, dans un tel cas, le nombre de composants, et, en particulier, les conducteurs de sortie du dispositif de multiplexage peuvent être au même nombre que les conducteurs de sortie d'un seul résolver. Toutefois, les résolvers et le dispositif de multiplexage nécessitent une alimentation extérieure ainsi qu'une commande du multiplexage et le dispositif comporte, par conséquent, d'une part, des liaisons avec les différentes sources de courant et, d'autre part, des liaisons avec les sources des signaux de commande.
  • La présente invention vise à réduire le nombre de conducteurs de liaison nécessaires entre l'ensemble comprenant les différents capteurs et le dispositif de multiplexage, et les circuits d'alimentation, de commande et de traitement des signaux qui sont en général situés à une certaine distance des capteurs. Ce problème est en effet crucial dans les applications dans lesquelles deux ou plusieurs capteurs sont utilisés par arbre et, par conséquent, un câblage encombrant, gênant et coûteux est nécessaire selon la technique usuelle. En outre, dans certains cas, par exemple en robotique, il s'agit de mesurer la rotation de plusieurs arbres du même appareil et le câblage se trouve ainsi multiplié en conséquence. Il est également à noter que la solution de relier différents capteurs au moyen d'engrenages avec un rapport de réduction élevé, de manière à réduire le nombre de capteurs nécessaires pour couvrir un domaine de travail donné, nécessite des capteurs et des engrenages de grande précision et conduit donc à des prix de revient relativement élevés. L'invention vise également à permettre de réduire le prix de revient de l'ensemble du dispositif, tout en permettant de couvrir un large domaine de travail du dispositif, c'est-à-dire de permettre la mesure d'un grand nombre de révolutions d'un arbre.
  • A cet effet, le dispositif de mesure selon l'invention est caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif d'alimentation et de commande du multiplexage agencé pour superposer à la tension d'alimentation à fournir aux capteurs une tension de décalage continue sélectionnée parmi au moins autant de tensions de décalage, de valeurs et/ou de polarités différentes que le dispositif comporte de capteurs au-delà du premier, chacune de ces tensions de décalage correspondant à un certain capteur ou une partie d'un certain capteur, et en ce que l'ensemble de multiplexage comporte des moyens de discrimination pour déterminer la valeur et/ou la polarité de la tension de décalage appliquée, ainsi que des moyens pour adresser le capteur ou la partie de capteur correspondants, de façon que les signaux de sortie de ce capteur ou de cette partie de capteur soient transmis au dispositif de traitement des signaux.
  • L'invention permet ainsi de réaliser des installations ayant un minimum de câbles de liaison, le même nombre de fils que pour un capteur unique étant suffisant pour la liaison avec les parties d'alimentation, de commande et de traitement des signaux du dispositif de mesure.
  • Selon une forme d'exécution préférée, un premier capteur du dispositif selon l'invention est un capteur d'une précision sensiblement plus grande que celle des autres capteurs du dispositif, et est agencé pour être couplé directement avec l'arbre dont la rotation est à mesurer, le ou les autres capteurs étant couplés successivement avec l'organe rotatif du premier capteur par l'intermédiaire de dispositifs de couplage mécaniques ayant un rapport de transmission déterminé. Le premier capteur peut notamment être constitué par un résolver, les autres capteurs pouvant être du type inductif à organe rotatif passif agencés pour fournir des signaux de sortie de même format que le résolver. Les dispositifs de couplage mécaniques entre les différents capteurs sont de préférence constitués par des engrenages.
  • Etant donné que le nombre de conducteurs de liaison devient indépendant du nombre des capteurs, on peut, par exemple, augmenter ce nombre de manière à permettre l'utilisation de rapports de réduction moins élevés ou, plus généralement, de nombres de dents moins élevés et donc d'engrenages nettement moins coûteux. D'autre part, seul le premier capteur couplé directement à l'arbre d'entrée dont on veut mesurer la position angulaire, nécessite généralement la précision souhaitée pour l'indication de la position angulaire sur un tour de l'arbre, les autres capteurs servant à indiquer le nombre de révolutions complètes de l'arbre entre une position de départ et une position finale et n'ayant donc besoin que d'une précision suffisante pour déterminer ce nombre de révolutions. Cette exigence de précision diminue avec le rapport de réduction utilisé. Il s'avère que des capteurs de structure très économique peuvent être construits, par exemple selon le principe de la variation du couplage entre un enroulement primaire et des enroulements secondaires en quadrature de phase, en utilisant un organe mobile passif, ces capteurs étant capables de fournir des signaux de sortie de même format que celui des capteurs inductifs du type résolver sensiblement plus coûteux. Le présent dispositif permet, par l'utilisation de ce type de capteurs comme capteurs suivant le premier, de réduire de façon importante le prix de revient de l'ensemble du dispositif.
  • Dans le cas où les capteurs sont alimentés par un courant impulsionnel, l'ensemble de multiplexage comporte de préférence des moyens de discrimination agencés pour déterminer la valeur et/ou la polarité de la tension de décalage à un instant du cycle d'alimentation se situant dans l'intervalle entre deux impulsions successives.
  • Les buts, avantages et particularités du présent dispositif ressortiront plus clairement de la description suivante d'un exemple de réalisation, illustré dans le dessin annexé, dans lequel
    • la Fig. 1 est un schéma d'ensemble d'un dispositif selon l'invention pour la mesure de la position angulaire d'un arbre;
    • la Fig. 2 est le schéma du dispositif d'alimentation et de commande du multiplexage faisant partie du dispositif de la Fig. 1; et
    • la Fig. 3 est le schéma de l'ensemble de multiplexage faisant partie du dispositif de la Fig. 1.
  • Selon la Fig. 1, un arbre d'entrée 1, dont on veut mesurer la position angulaire absolue, c'est-à-dire la position à partir d'une position de départ, y compris le nombre de révolutions complètes effectuées entre cette position de départ et la position à mesurer, est couplé mécaniquement avec un premier capteur de position C1 qui est constitué, en l'occurrence, par un résolver. Ce capteur C1 est alimenté par deux conducteurs désignés dans leur ensemble par MC1 et fournit des signaux de sortie sur quatre conducteurs désignés dans leur ensemble par SC1.
  • La Fig. 1 montre, en outre, à titre d'exemple non-limitatif, trois autres capteurs C2, C3 et C4 qui pourraient également être des résolvers, mais qui sont, de préférence, constitués par des capteurs inductifs à organe mobile passif fournissant des signaux de sortie de même format qu'un résolver et pouvant donc être traités par le même dispositif convertisseur. Les organes rotatifs des capteurs C1 à C4 sont montés sur des axes respectifs 2, 3, 4, 5 et sont couplés, au moyen d'engrenages, par exemple d'engrenages réducteurs tels que 6, 7 entre C1 et C2, 8, 9 entre C2 et C3, et 10, 11 entre C3 et C4. Le rapport de réduction peut être de 16:1, par exemple, ce qui permet de réaliser ces engrenages d'une façon très économique par rapport à des engrenages ayant, par exemple, des rapports de 100:1 tels qu'utilisés habituellement dans un tel dispositif de mesure. Dans le cas d'un couplage du type Master-Vernier entre capteurs, il est avantageux d'utiliser, de façon similaire, des nombres de dents inférieurs à ceux des dispositifs usuels de ce type, par exemple en réalisant des rapports Master-Vernier de 16:17.
  • Les conducteurs d'alimentation des capteurs C2 à C4 et les conducteurs reliant les bornes de sortie de ces capteurs à un ensemble de multiplexage 12, sont designés, respectivement, par MC2, MC3, MC4 et SC2, SC3, SC4, de façon similaire à ceux du capteur C1.
  • L'ensemble de multiplexage 12 est installé à proximité des capteurs, par exemple sur une machine telle qu'un robot industriel, et il est relié à un dispositif de traitement des signaux représenté schématiquement par les blocs 13, 14, ainsi qu'à un dispositif d'alimentation et de commande du multiplexage représenté par les blocs 15, 16, 17. Comme l'indique la Fig. 1, cette liaison est réalisée, d'une part, par quatre conducteurs S1, S2, S3, S4 et, d'autre part, par deux conducteurs M1, M2, donc par six conducteurs au total. Les signaux apparaissant sur les conducteurs S1 à S4 sont d'abord traités dans le bloc 13, essentiellement constitué, dans le cas illustré, par un convertisseurs analogique-digital R/D, pour transformer les signaux analogiques de format résolver en signaux numériques, ces signaux étant ensuite traités dans un dispositif d'exploitation 14 en vue de déterminer la position angulaire de l'arbre d'entrée et/ou la vitesse de rotation de cet arbre.
  • Une source de courant d'alimentation pour les capteurs et l'ensemble 12 est indiquée par le bloc 15. Elle fournit, par l'intermédiaire de deux conducteurs R1, R2, une tension sinusoïdale et impulsionnelle à un circuit de codage 16 relié par les conducteurs M1, M2 à l'ensemble 12.
  • La sélection des capteurs C1 à C4 pour la transmission des signaux de sortie correspondants, en multiplex, au dispositif 13, s'effectue sous la commande de signaux d'adressage fournis sur des conducteurs A1, A2, A4, A4, comme l'indique schématiquement la Fig. 1, par un dispositif de commande 17 relié par ailleurs au dispositif d'exploitation 14.
  • La Fig. 2 montre le schéma du circuit 16 selon un exemple de réalisation permettant de superposer à la tension d'alimentation appliquée entre R1 et R2, différentes tensions de décalage définies, respectivement, par le niveau de tensions continues appliquées sélectivement aux conducteurs A1 à A4. Les tensions continues superposées déterminées, par exemple, par le choix des résistances r1 à r6 de la Fig. 2 ont, de préférence, une valeur sensiblement plus petite que la tension d'alimentation, mais doivent, bien entendu, être suffisantes pour permettre une discrimination aisée. Il est à noter également que les potentiels de M1 et M2 sont flottants.
  • La Fig. 3 est un schéma simplifié d'un ensemble de multiplexage 12 utilisé dans le dispositif de la Fig. 1. La tension appliquée par l'intermédiaire des conducteurs M1 et M2 est, d'une part, redressée et filtrée par des circuits 18 à 21, pour obtenir une tension d'alimentation continue Vcc, notamment pour alimenter des multiplexeurs analogiques représentés par un bloc 22.
  • La tension sur M1, M2 est, en outre, fournie aux différentes capteurs par l'intermédiaire des conducteurs MC1 à MC4, un filtrage étant prévu pour éliminer la composante continue au moyen d'un filtre passe-haut 23 qui, dans le présent exemple, peut être monté en aval de l'alimentation du premier capteur C1.
  • Par ailleurs, la tension sur M1, M2 est filtrée par un filtre passe-bas 24 pour appliquer la tension de décalage continue à un discriminateur de niveaux 25 représenté schématiquement à la Fig. 3. Ce discriminateur fournit à des entrées d'adressage A1′, A2′, A3′, A4′ un signal d'adressage correspondant qui fait apparaître les signaux de sortie du capteur respectif sur les conducteurs de transmission S1 à S4.
  • Dans le cas d'une alimentation des capteurs par un courant impulsionnel, la détection de la tension continue de décalage s'effectue de préférence dans l'intervalle entre deux impulsions consécutives.
  • Il est à remarquer que, d'une façon générale, le multiplexage selon l'invention ne complique pratiquement pas la structure d'ensemble du dispositif de mesure, puisqu'il permet l'utilisation d'un seul convertisseur analogique-digital ou autre dispositif de traitement des signaux. En revanche, l'utilisation d'un minimum de conducteurs de liaison et, notamment dans le cas décrit à titre d'exemple, la possibilité d'utiliser des capteurs simples et plus économiques et des engrenages à nombre de dents relativement faible, procure des avantages techniques et économiques décisifs.

Claims (5)

  1. Dispositif de mesure de la position angulaire d'un arbre (1) comportant deux ou plusieurs capteurs de position à organe rotatif (C1, C2, C3, C4), ces capteurs étant agencés pour être alimentés (via MC1, MC2, MC3, MC4) par une tension périodique symétrique ou impulsionnelle, et pour fournir, sur des conducteurs de sortie (SC1, SC2, SC3, SC4), des signaux fonction de la position angulaire de leurs organes rotatifs respectifs, le dispositif comportant en outre un ensemble de multiplexage (12) connecté auxdits capteurs et relié par des conducteurs de sortie (S1, S2, S3, S4) à un dispositif de traitement des signaux (13, 14), caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif d'alimentation et de commande du multiplexage (15, 16, 17) agencé pour superposer à la tension d'alimentation à fournir aux capteurs, une tension de décalage continue, sélectionnée parmi au moins autant de tensions de décalage de valeurs et/ou de polarités différentes que le dispositif comporte de capteurs au-delà du premier, chacune de ces tensions de décalage correspondant à un certain capteur ou une partie d'un certain capteur, et en ce que l'ensemble de multiplexage (12) comporte des moyens de discrimination (24, 25) pour déterminer la valeur et/ou la polarité de la tension de décalage appliquée, ainsi que des moyens (22) pour adresser le capteur ou la partie de capteur correspondants, de façon que les signaux de sortie de ce capteur ou de cette partie de capteur soient transmis au dispositif de traitement des signaux (13, 14).
  2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel les capteurs sont alimentés par un courant impulsionnel, caractérisé en ce que l'ensemble de multiplexage (12) comporte des moyens de discrimination agencés pour déterminer la valeur et/ou la polarité de la tension de décalage, à un instant du cycle d'alimentation se situant dans l'intervalle entre deux impulsions successives.
  3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un premier capteur (C1) est un capteur d'une précision sensiblement plus grande que celle des autres capteurs (C2, C3, C4) du dispositif et est agencé, pour être couplé directement avec ledit arbre (1), le ou les autres capteurs (C2, C3, C4) étant couplés successivement avec l'organe rotatif du premier capteur (C1) par l'intermédiaire de dispositifs de couplage mécaniques (6-11) ayant un rapport de transmission déterminé.
  4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le premier capteur (C1) est constitué par un résolver, les autres capteurs étant du type inductif à organe rotatif passif, agencés pour fournir des signaux de sortie de même format que le résolver.
  5. Dispositif selon l'une des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que lesdits dispositifs de couplage mécaniques entre les différents capteurs sont constitués par des engrenages (6-11).
EP90810943A 1989-12-06 1990-12-04 Dispositif de mesure à plusieurs capteurs en multiplex Expired - Lifetime EP0432101B1 (fr)

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