FR2797959A1 - Dispositif d'ajustement de gain pour un capteur de champ magnetique - Google Patents

Abstract

Procédé d'ajustement de gain pour dispositif (4, 5) de mesure par variation de champ magnétique (B), de position d'une cible ferromagnétique (1) de profondeur variable par rapport à une sonde (4) séparée de la cible (1) par un entrefer (7) comportant une partie aléatoire, ledit champ magnétique étant généré par une source magnétique (5), caractérisé en ce qu'il comporte une amplification analogique d'un signal (Vgs) de la sonde (4) avec un gain évoluant de façon inverse au signal (Vgs).

Description

Dispositif d'ajustement de gain pour un capteur de champ magnétique L'invention se rapporte à un dispositif et à un procédé détection de champ magnétique. Elle s'applique notamment dans le domaine l'électronique automobile pour la détection d'angle de rotation d'une roue dentée.

Dans les dispositifs traditionnels, on utilise pour cette détection des capteurs sensibles au champ magnétique, par exemple cellule à effet Hall, ou cellule magnéto-résistive.

figure 1 illustre une configuration schématique d'un tel dispositif. On dispose face d'une roue dentée 1 en matériau ferromagnétique, présentant ici une dent semi-circulaire 2 et une zone creuse 3 une sonde à effet Hall 4, et sensiblement selon le même axe passant par la roue dentée 1 et sonde 4, un aimant 5 placé au delà de la sonde 4, et dont le point de 0 gauss situé en un point 6.

Il demeure nécessairement dans ces dispositifs un entrefer 7 entre la roue dentée 1 et la sonde 4.

Un signal électrique image du champ magnétique local est récupéré aux bornes de la sonde 4, et est traduit par un dispositif électronique non représenté en signal Vs représentatif d'une mesure de distance entre la partie de roue qui fait face à la sonde et ladite sonde. On peut par ce principe détecter la rotation de la roue dentée 1. Le but est naturellement de détecter façon aussi fine que possible chaque transition de la roue dentée lorsqu'elle passe devant la sonde 4.

Le signal Vs observé en sortie de sonde 4 (après passage dans un dispositif électronique adapté) est illustré sur la figure 2, sur laquelle le potentiel Vs est situé en ordonnée, et le temps T en abscisse, et en supposant fa roue dentée 1 en rotation.

De façon connue, le signal Vs présente l'allure générale courbes 8, 9 lors du passage d'une dent pendant l'intervalle de temps 10.

Dans ces dispositifs, la variation de l'entrefer 7 ("air gap en anglais) entre la roue dentée 1 et la sonde Hall entraîne un problème de mesure. En effet, les courbes observées 8, 9 varient largement selon que l'entrefer est mince (7min) ou large (7max) respectivement, ce qui peut résulter par exemple d'un jeu mécanique de montage (suite à des dilatations thermiques). Plus précisément, la problématique de détection d'une cible en rotation avec une grande précision réside dans le fait que la pente du signal électrique évolue en fonction de l'entrefer, pour les circuits à effet Hall utilisant seuils de basculement fixe autour d'une valeur moyenne proche de zéro, existe un decalage entre le passage du front de la cible et la réaction du circuit intégré, ce decalage varie en fonction de l'entrefer.

Pour un dispositif électronique de détection de passage de dent 2 utilisant un seuil de tension V1, la variation d'allure des pentes de transition 8A, 9A traduit en terme de réponse signal par une différence de temps de détection AT, naturellement néfaste à la précision de la mesure.

Une solution déjà connue à ce problème utilise une adaptation de gain grâce à deux convertisseurs analogique I digital, le principe étant d'amplifier le signal pour parvenir toujours à un signal de sortie Vs de même niveau, indépendamment de l'entrefer. Ce dispositif a cependant pour inconvénient principal son prix élevé, ainsi que la répétabilité signal de sortie Vs qui est liée à la présence d'une horloge (effet connu sous le nom de "jitter effect" en anglais).

La présente invention répond au problème précédemment exposé d'imprécision de mesure liée à la variation de la pente du signal en fonction de l'entrefer, et propose à cet effet, un procédé simple et un dispositif analogique correspondant permettant de réduire la dépendance de la mesure par rapport à la variation d'entrefer.

Selon un second objectif, le dispositif est économique à fabriquer, réutilisant un circuit intégré à effet Hall standard, déjà répandu sur le marché. Suivant l'invention, dans un dispositif de détection de cible dentée à base de matériau ferromagnétique, la détection étant réalisée par variation de champ magnétique détectée par une sonde, on utilise un procédé d'ajustement de gain comportant une amplification analogique du signal de la sonde, avec un gain évoluant de façon inverse au signal (Vgs).

On comprend que par ce moyen, on augmente automatiquement le signal lorsque l'entrefer est important, et on le réduit lorsque l'entrefer est plus faible, pour se rapprocher d'un niveau Vopt prédéterminé.

Plus généralement on réduit ainsi la dépendance de la pente de la courbe de signal en fonction de l'entrefer. L'avantage est alors de disposer d'une marge de montage mécanique (cible par rapport au capteur) sans avoir à effectuer des opérations supplémentaires d'adaptation, logicielle ou autre.

Le principe de l'invention est d'insérer un dispositif électronique intermédiaire entre le signal amplifié issu de la cellule Hall et la partie 'Trigger de Schmitt" (sensiblement entre le capteur et la sortie de potentiel mesurée), dispositif dont gain se comporte de façon inversement proportionnelle au signal d'entrée. Préférentiellement, la pente du signal est telle qu'elle vérifie l'équation <I>pente du signal pente du signal adapté</I> =1.

On utilise dans le présent exemple préférentiellement un transistor dans sa région de fonctionnement ohmique (comportement linéaire similaire à une résistance variable).

Plus précisément, on utilise un transistor MOS ou JFET pour leurs propriétés intrinsèques ainsi que leur facilité d'intégration et de compatibilité avec les circuits intégrés à base de technologie CMOS et BICMOS.

La description et les dessins qui suivent permettront de mieux comprendre buts et avantages de l'invention. II est clair que cette description n'est donnée ' titre d'exemple, et n'a pas de caractère limitatif.

Dans dessins - la figure 1 représente de façon schématique le principe de mesure de position angulaire de roue dentée grâce à la variation d'induction magnétique au niveau de la sonde lors d'une transition entre dent et creux; - la figure 2 illustre la correspondance entre le passage d'une dent de roue dentée et le niveau de tension observé en sortie de la sonde à effet Hall ; - la figure 3 montre un schéma électronique dispositif selon l'invention; - la figure 4 illustre la correspondance, dans transistor JFET ou MOS, entre le courant circulant dans le drain et la tension drain source, selon la valeur de la tension gate source; - la figure 5 illustre l'allure de la correspondance entre la tension gate source et la résistance ohmique drain source d'un transistor JFET (ou MOS); - la figure 6 illustre de même la correspondance entre le gain et la tension gate source; - la figure 7 montre la correspondance entre la tension gate source et la tension de sortie du dispositif selon l'invention, pour deux valeurs différentes d'entrefer, - la figure 8 montre un schéma électronique d'une variante de dispositif selon l'invention, utilisant deux transistors MOS, présentant l'avantage d'utiliser charge active, - la figure 9 montre la correspondance entre la tension gate source et tension de sortie du dispositif selon l'invention, dans cette même variante. Comme le montre la figure 3 dans un exemple décrit ici à titre limitatif, un dispositif 11 d'ajustement automatique de gain s'insère entre le couple formé par la sonde 4 (ici une cellule à effet Hall) et un amplificateur 12 monté aux bornes de ladite sonde 4, connu en soi, et un trigger de Schmitt 13.

Dans le dispositif, le signal Vgs (entre gate et source) en sortie l'amplificateur 12 attaque un transistor JFET 14, dont la source 15 est reliée à masse et le drain 16 est relié à une résistance R1. Le signal sortant de la resistance R1 alimente un amplificateur 17 dont l'autre entrée est portée à une tension de référence Vref prédéterminée pouvant être programmable à l'aide d'une mémoire EPROM dans le cas d'un circuit évolué.

Le signal Vs en sortie de cet amplificateur 17 attaque enfin le trigger Schmitt 13, connu en soi. Une seconde résistance R2 est montée en parallele avec l'amplificateur 17.

Les valeurs des composants définissent les conditions de fonctionnement.

Pour expliquer le fonctionnement du dispositif, on rappelle d'abord que dans le cas d'un transistor JFET, le transistor 15 se comporte dans sa région linéaire (ohmique) comme une résistance dont la valeur dépend du signal d'entree Par ailleurs, la valeur de la résistance entre drain et source Rds (qui est fonction de la tension Vgs gate source), augmente en tendant vers l'infini lorsque la tension entre gate et source Vgs tend vers une valeur Vp dépendant des caractéristiques de fabrication du transistor JFET (figure 5).

On a une équation de la forme

où Ko et K, dépendent de la technologie de fabrication du composant. Corrélativement, le gain du dispositif 11 suit une courbe du type de la courbe 18 sur figure 6. Il est maximal (valeur notée<I>K</I> max) lorsque la résistance ohmique du transistor JFET 14 est minimale, il décroit lorsque la tension d'entrée gate source Vgs augmente (la résistance ohmique augmentant également), et atteint une valeur plancher lorsque la tension d'entrée Vgs depasse la valeur Vp (la resistance ohmique équivalente drain source Rds tend alors vers l'infini). Il n'y a plus alors d'amplification du signal.

Sur cette même figure 6, on comprend que lorsque la sonde 4 se trouve en face d'un creux 3 de la cible 1, la tension d'entrée Vgs est faible (zone 9), et lorsque la sonde se trouve en face d'une dent 2, la tension d'entrée Vgs est plus importante (zone 20 sur la figure).

On a bien un gain du dispositif 11 plus élevé lorsque on est face à un creux 3 que face à une dent 2 de la cible 1, avec une évolution inverse entre le gain et la tension d'entrée Vgs.

La fonction de transfert entre la tension de sortie Vs et la tension d'entrée gate source Vgs peut s'écrire (en utilisant la résistance ohmique définie en fonction de la tension gate source Vgs par la formule (1) plus haut)

On comprend que grâce à la connaissance de l'évolution des niveaux de champ magnétique B en fonction de l'entrefer 7 (de la forme ke'9aP), on peut fixer le niveau d'amplification nécessaire afin de réaliser deux conditions <B>11</B> réduire l'écart entre le signal de sortie Vs (image du champ magnétique B), en face d'une dent 2 à fort et faible entrefer, 21 maintenir cependant entre le signal de sortie Vs face à une dent 2 (et à faible entrefer) et le signal de sortie Vs face à un creux 3 une différence de niveau supérieure au seuil de détection du trigger de Schmitt 13 (pour discerner une dent d'un creux ainsi qu'avoir une bonne immunité au bruit).

Ceci est possible grâce à une bonne adéquation entre le facteur d'atténuation magnétique 3 (connu), les résistances R1, R2, et la tension Vref qui fixe la zone de fonctionnement du transistor JFET dans sa région de fonctionnement ohmique, et bien entendu les caractéristiques technologiques dudit transistor.

Plus précisément, en faisant maintenant référence à la figure 7, à partir des constatations suivantes : VO est invariant par amplification sous les conditions suivantes <I>1)</I> Vref <I≥ VO -</I> d 2) Vsmax = VO + d à toute augmentation de Vsmax d'une quantité E correspond une diminution Vref de la même quantité E, et vice versa, VO'référence de tension pour le circuit intégré.

réalise un ajustage magnétique par déplacement de l'aimant 5 par rapport circuit intégré fixe contenant la sonde Hall 4. Le niveau V0, correspondant à un champ moyen proche de zéro Gauss, est ajusté de façon mécanique (déplacement de la position de zéro Gauss 6 de l'aimant 5 à l'intérieur de la sonde amène ainsi le niveau VO entre le niveau de signal<I>V</I> notch correspondant à un creux 3 de la cible 1 et le niveau de signal le plus faible Vmin correspondant à une dent 2 de la cible 1 Autour de la valeur du signal de sortie V0, pour avoir une bonne détection le Trigger de Schmitt 13 et assurer la fonctionnalité la plage d'netrefer et max, il faut que la valeur<I>V</I> notch(max) soit supérieure à VO + <I>Bon</I> pour la détection d'un creux 3, et que la valeur Vmin(tooth) soit supérieure à <I>VO + B</I> off pour la détection d'une dent 2. Ceci étant réalisé grâce au deplacement de l'aimant 5 par rapport à la sonde 4.

Par ailleurs, la première condition concerne le rapport d'ajustage de l'amplitude (rapport entre un écart J Vs sur le signal de sortie Vs par rapport à l'écart aVgs sur le signal d'entrée Vgs)

où Vp est la valeur de seuil de tension d'entrée Vgs au delà de laquelle la résistance Rds on devient infinie, et a est strictement supérieur à 1.

Cette valeur 0 caractérise la pente de la courbe Vs fonction de Vgs. La figure 7 montre deux courbes, la première, notée 1, avant l'amélioration de l'ajustage par le dispositif 11, et la seconde, notée 2, avec ajustement de gain et réglage des paramètres du dispositif selon l'invention.

Enfin, remarquons que pour une cible dentée 1 connue, dans la configuration magnétique utilisée, la valeur de tension d'entrée<I>V</I> notch face à un creux 3 de la cible 1 est sensiblement indépendante de l'entrefer 7 minimale ou maximale (en particulier ici si la différence de profondeur entre dent et creux est supérieure à 5 mm).

On a donc grâce à ce procédé réduit l'écart entre les niveaux de signaux à fort et à faible entrefer. La comparaison des courbes 1 et 2 montre que l'écart entre les signaux d'entrée à faible et fort entrefer se trouve réduit après amplification et ajustage des paramètres pour la courbe 2 et la courbe 1.

On constate que partie 23 (écart entre les signaux pour un entrefer faible et fort) devient après amplification et ajustage la zone 24 pour la cas 2, et 25 pour le cas 1 (figure 7).

En agissant sur - le couple R1, qui permet d'ajuster, d'une part, 1a tension maximale de sortie Vsmax et, d'autre part, la pente (3 de la courbe liant la tension d'entrée Vgs et la tension de sortie Vsmax devant être chosi tel que Vsmax <I≥</I> Vref <I>+ d</I> - en prenant pour Vref la valeur VO - d ( < _ VO), on ramène automatiquement l'écart de tension de sortie dVs à une valeur 24 nettement plus faible qu'en l'absence d'ajustement des paramètres (écart noté 25 sur la figure et par conséquent on réalise une adaptation de signal en mode dynamique.

En pratique, on effectue un réglage préalable de la position de l'aimant 5 par rapport à la sonde et par conséquent le réglage de VO à un niveau permettant de discerner dent d'un creux. Cette opération s'effectue face à une cible tournante et à l'entrefer maximum.

En fonctionnement ors de la rotation de la roue dentée 1, et suite à un changement d'entrefer pour raisons de dilatation thermique, vieillissement ou autre, le dispositif selon l'invention 11 provoque automatiquement une adaptation de gain autour de V0. On a bien alors grâce à cette adaptation une réduction de la différence d'instant de détection par le dispositif en aval entre l'entrefer 7 maximum et minimum. Ce qui réduit le déphasage entre le passage du front mécanique de la cible (roue dentée 1) et la réponse du capteur en fonction de l'entrefer. Ceci est réalisé de façon purement analogique, au contraire de systèmes partiellement digitaux pour lesquels le phénomène dit de "jitter" est dérangeant, ou ' d'autres systèmes utilisant une détection de pic de signai qui nécessité une capacité non intégrable, et qui présente des inconvénients tel que courant de fuite fragilité, sensibilité au stress mécanique, d'ou de grosses difficultés de mise en oeuvre.

On comprend que préférentiellement selon l'invention, l'amplification du signal vérifie une équation de la forme :<I>pente</I> de décroissance<I>du champ</I> <I>magnétique x</I> pente d'amplification <I≥</I> 9, avec <I>1)</I> Vref=VD-d <I>2)</I> Vsmax <I≥ VO + d</I> 3) à toute augmentation de Vsmax d'une quantité E correspond une diminution de Vref de la même quantité s, et vice versa.

Dans une variante, le transistor JFET 14 est remplacé un transistor MOS, qui présente un comportement comparable dans région de fonctionnement ohmique.

Dans une autre variante, une mémoire de type EPROM par exemple est utilisée, en association avec le dispositif selon l'invention, pour éliminer l'influence des tolérances des différents paramètres, ainsi que la compensation en température, et l'effet de vieillissement des caractéristiques électriques de composants.

Dans encore une autre variante, on utilise un second transistor 26 de résistance ohmique modulée par la tension dans 1e premier transistor 14 (figure 8). Les deux transistors 15, 26 alimentent directement le Trigger de Schmitt 13 par leur drain commun d, le second transistor étant utilisé comme charge active. L'avantage de cette variante est la facilité d'intégration obtenue.

Dans ce cas, on dispose de deux pentes de la courbe liant Vs et Vgs pour placer le point VO (figure 9). Dans cette figure, entre les points 27 et 28, les deux transistors 15, 26 sont passants, entre les points 28 et 29, le premier transistor 15 est passant, alors que le second 26 est saturé, enfin au delà du point 29 les deux transistors sont saturés.

II est clair que selon les caractéristiques de fabrication des transistors 15, 26, il est possible de choisir la pente idéale de fonctionnement.

La portée de la présente invention ne se limite pas aux détails des formes de réalisation ci-dessus considérées à titre d'exemple, mais s'étend au contraire aux modifications à la portée de l'homme de l'art.

Claims (2)

REVENDICATIONS

1. Procédé d'ajustement de gain pour dispositif (4, 5) de mesure par variation de champ magnétique (B), de position d'une cible ferromagnétique (1) de profondeur variable par rapport à une sonde (4) séparée de la cible (1) par un entrefer comportant une partie aléatoire, ledit champ magnétique étant généré par une source magnétique (5), caractérisé en ce qu'il comporte une amplification analogique d'un signal (Vgs) de la sonde (4) avec un gain evoiuant de façon inverse signal (Vgs).

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'amplification du signal vérifie une équation de la forme :<I>pente</I> de décroissance <I>du champ</I> magnétique x pente d'amplification <I≥</I> 9 avec <I>1)</I> Vref=VD-d Vsmax <I≥ VO + d</I> à toute augmentation de Vsmax d'une quantité correspond une diminution Vref de 1a même quantité E, et vice versa. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 2, caractérisé en ce le signal (Vgs) en sortie de la sonde (4) attaque un transistor (14), dont la source 5) est reliée à la terre et le drain (16) est relié à une résistance (R1), le signal sortant de la résistance (R1) alimentant un amplificateur (17) dont l'autre entrée est portée à une tension de référence tVref) prédéterminée, une seconde résistance (R2) étant montée en parallèle avec l'amplificateur (1 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications à 3, caractérisé en ce qu'il comporte également une étape de réglage d'un niveau de signal (VO) de sonde (4) invariant par amplification de façon à l'amener entre un niveau de signal<I>(V</I> notch) correspondant à un creux (3) de la cible (1) et un niveau de signal le plus faible (Vmin) correspondant à une dent (2) de la cible (1). 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que le réglage de niveau est réalisé par déplacement relatif de la source magnétique (5) par rapport à la sonde (4). 6. Dispositif (11) d'ajustement de gain pour dispositif (4, 5) de mesure variation de champ magnétique (B), de position d'une cible ferromagnétique de profondeur variable par rapport à une sonde (4) séparée de la cible (1) par entrefer (7) comportant une partie aléatoire, caractérisé en ce qu'il présente un gain évoluant de façon inverse à un signal (Vgs). 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comporte un transistor (15) fonctionnant dans sa région de fonctionnement ohmique. 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que le transistor 5) est de type MOS ou JFET. 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comporte transistor (14), dont la source (15) est reliée à la masse et le drain (1 est relié à une résistance (R1), le signal sortant de la résistance (R1) alimentant un amplificateur (17) dont l'autre entrée est portée à une tension de référence (Vren prédéterminée, une seconde résistance (R2) étant montée en parallele avec l'amplificateur (17).