FR2901403A1

FR2901403A1 - Dispositif pour la commande ou stabilisation de charges utiles incluant simultanement des moyens d'entrainement,de reduction des couples et forces parasites et de mesures de position.

Info

Publication number: FR2901403A1
Application number: FR0604490A
Authority: FR
Inventors: Georges Kryze
Original assignee: COSE SARL SARL
Current assignee: COSE SARL SARL
Priority date: 2006-05-19
Filing date: 2006-05-19
Publication date: 2007-11-23

Abstract

L'invention concerne un dispositif de commande ou de stabilisation de position d'une charge utile incluant: des moyens d'entraînement en mouvement, des moyens de réduction des couples et forces parasites par la compensation au moins partielle des effets de gravité et des moyens de mesure de la position de la charge entraînée. La figure 1 illustre l'invention. Le dispositif comporte un moyen de guidage (4) en mouvement relatif de deux parties (41),(42) d'un équipement dont l'une peut être fixe et l'autre, supporte un appareil dont la position doit être commandée ou stabilisée. Le passage d'un courant dans la bobine (2) traversée par le flux de l'aimant (1) provoque une force M, convertie en un couple utilisé pour l'orientation. Simultanément, l'aimant (1) orienté selon une direction (dl), par exemple, parallèle à la gravité exerce sur le noyau (3) une force F qui compense la charge pondérale sur le palier. Simultanément un capteur (5) mesure l'orientation. Un système complet de stabilisation pourra comporter plusieurs fois le dispositif décrit, ou traiter plusieurs axes. L'invention est destinée à la stabilisation précise de la position d'instruments, tels des instruments optiques, des radars, des antennes, des phares ou d'autres objets embarqués sur des véhicules.

Description

-2- perturbations introduites par les couples de frottement, et donnant

une mesure de la position angulaire de la charge qui peut être extrêmement précise même si le dispositif de guidage est affecté par des jeux axiaux comme radiaux La figure 1 représente un exemple d'une réalisation simple d'un dispositif selon l'invention illustrant le schéma de principe de l'invention. Le dispositif comporte un moyen de guidage mécanique en rotation relative de deux parties d'un équipement autour d'un axe (4). Une des deux parties peut être fixe, ou portée par un porteur mobile, tel un véhicule, et l'autre, en général plus petite, qui sera appelée charge dans la suite, supporte un appareil dont la position doit être commandée ou stabilisée. Le moyen de guidage en rotation est composé de deux bagues (41) et (42), chacune solidaire d'une partie de l'équipement. Une des deux bagues est aussi solidaire du noyau ferromagnétique (3) muni de la bobine (2). L'autre bague est solidaire de l'aimant (1). Selon les modes de réalisation, ou bien l'aimant, ou bien le noyau avec sa bobine sera solidaire de la charge. Le flux magnétique de l'aimant (1) est en grande partie canalisé par le noyau (3). En pénétrant dans le noyau (3) les lignes de force du champ magnétique de l'aimant (1) intersectent les spires de la bobine (2). Si la bobine est traversée par un courant, son intersection avec des lignes du champ magnétique générera une force électrodynamique (M) proportionnelle au courant et perpendiculaire à celui-ci, et agissant donc dans l'axe de la bobine. Cette force se convertit en un couple tendant à forcer la rotation d'une des parties de l'équipement contre l'autre, permettant ainsi de commander leur position relative. L'aimant (1) et le noyau (3) de la bobine (2) sont mutuellement attirés par une force d'attraction magnétique (F) approximativement perpendiculaire au plan de l'entrefer situé entre l'aimant (1) et les noyaux bobinés (3). En choisissant la position relative de l'aimant et du noyau on peut avantageusement obtenir que cette force soit approximativement colinéaire à la gravité mais de direction opposée à la gravité agissant sur la charge.

Dans la figure 1, les positions P1, P2 et P3 de l'aimant illustrent des positions requises pour compenser le poids de la charge dans différentes positions de l'axe de rotation, relativement à la direction de la gravité illustrée par les vecteurs, respectivement dl, d2 et d3. Les noyaux peuvent porter plusieurs bobines plongées dans le champ de plusieurs pôles magnétiques. Ainsi la figure 2 représente un schéma de principe d'un système avec un noyaux à deux bobines (8) plongées chacune dans le champ d'un pôle opposée d'un même aimant (7) qui peut avantageusement être composé de parties à aimantation permanente (71) et (73) et de parties en matériau magnétique doux (72). -3- Le sens des bobinages (8) est tel que les directions de courant sous les pôles opposés sont opposées elles aussi, et les forces électrodynamiques générées s'additionnent et créent un couple de rotation autour de l'axe (13) matérialisé par les bagues (131) et (132). Cet arrangement permet de fermer, à l'entrefer près, le circuit magnétique de l'aimant (7) à travers le noyau (9) et d'obtenir ainsi des champs magnétiques et donc des forces générées plus fortes et des champs de dispersion plus faibles que ne le permet un arrangement selon la figure 1. En tournant la position de l'aimant (7) par rapport à l'axe AB on peut choisir la direction de la force d'attraction entre l'aimant (7) et le noyau (similairement comme c'est illustré dans la figure 1) afin d'obtenir la compensation la plus avantageuse du poids de la charge par cette force d'attraction. Un arrangement selon la figure 2 équivaut approximativement à deux dispositifs selon la figure 1, dont les forces utiles s'additionnent mais dont les champs de dispersion magnétique se soustraient et tendent fortement à s'annuler avec une distance croissante. Ceci diminue fortement l'influence éventuelle non désirée des champs magnétiques de dispersion. L'arrangement selon la figure 2 permet aussi une utilisation avantageuse d'un capteur magnétique à magnétorésistance (tel un capteur du type HONEYWELL HMC 1512 ou semblable).

Le capteur (11), solidaire mécaniquement avec le noyau, donc mobil par rapport à l'aimant, et placé dans ou près du plan de symétrie des deux bobines, est sensible à l'orientation des lignes (12) du champ de l'aimant (7). Ce capteur d'orientation du champ magnétique (11), fonctionne en mode saturé et possède deux axes mutuellement perpendiculaires de sensibilité, illustrées par (SX) et (SY). Le capteur donne deux mesures, une du sinus et l'autre du cosinus de l'angle d'orientation de lignes de force du champ par rapport à l'axe SX, indépendamment de l'intensité du champ et indépendamment de la composante du champ perpendiculaire aux deux axes, et permet ainsi de retrouver l'angle d'orientation des lignes de champ dans les quatre quadrants.

La position du capteur (11), peut avantageusement être choisie telle que le champ magnétique des bobines de commande ne l'influence pas, si le capteur est placé, dans ou près du plan de symétrie des deux bobines (8) du noyaux (9) (là où le champ longitudinal des bobines approche zéro) avec ses axes de sensibilité SX et SY orientées approximativement perpendiculairement aux lignes du champ généré par le courant des bobines (ainsi son axe d'insensibilité doit pointer approximativement vers le centre du noyaux). La figure 3 illustre la rotation du vecteur (30) exprimant l'orientation du champ magnétique vu par le capteur en différentes positions par rapport à l'aimant (31). On -4- voit que ce vecteur accomplit une rotation de 360 . A chaque orientation particulière du vecteur correspond une position particulière du capteur ce qui permet de dériver une mesure précise de la position d'une mesure précise de l'orientation de ce vecteur. La figure 4 représente un schéma de principe d'un dispositif obtenu en combinant deux dispositifs selon la figure 2. Le dispositif comporte alors au moins deux aimants (16) et (18) ainsi que deux noyaux parallèles (17) et (19) portant entre deux et quatre bobines. Un tel arrangement équivaut à deux dispositifs selon la figure 2, dont les forces utiles s'additionnent mais dont les champs de dispersion magnétique se soustraient et tendent fortement à s'annuler avec une distance croissante. Ceci diminue fortement l'influence éventuelle non désirée des champs magnétiques de dispersion, particulièrement si des pièces magnétiquement perméables (20) ferment le circuit magnétique des noyaux. Ces pièces peuvent avantageusement être exécutées en matériau massif et porter éventuellement un anneau massif en cuivre ou un bobinage en court-circuit, ceci afin d'interdire la traversée de ces pièces aux composantes alternatives du champ développé par les bobinages tout en conduisant bien le flux des aimants (16) et (17), qui est de nature continue. Ceci abaisse l'inductance des bobinages et facilite ainsi le contrôle du courant. En tournant simultanément les aimants (16) et (18) aussi bien que les noyaux (17) et (19) autour de l'axe AB on peut choisir la direction de la force d'attraction entre les aimants (16) et (18) et les noyaux (17) et (19) (selon le principe illustré dans la figure 1) afin d'obtenir la compensation la plus avantageuse du poids de la charge par cette force d'attraction. Un arrangement selon la figure 4 admet aussi bien que celui de la figure 2 l'utilisation d'un capteur magnétique (22).

Des aimants des dispositifs selon l'invention, tels des aimants (1), (7), (16), (18), peuvent avoir des formes diverses destinées à canaliser au mieux leur flux vers les bobines et à créer des forces d'attraction nécessaires pour diminuer les effets du poids de la charge. Ils peuvent être composés de plusieurs parties, des unes en matériau à aimantation permanente, les autres en matériau magnétiquement doux, pour conduire, concentrer ou distribuer les flux actifs. Ils peuvent être munis de shunts magnétiques permettant de régler leur force. Ils peuvent porter des pièces polaires modifiant la force d'attraction entre des aimants et les noyaux tout en conservant les forces électrodynamiques. Ainsi la pièce polaire selon la figure 5 divise le flux magnétique du pôle (41) en deux parties: La première pénétrante dans le noyau (40) symétriquement par les deux oreilles de la pièce polaire, l'autre pénétrante directement par la voie la plus courte. Les deux parties du flux sont perpendiculaires au courant dans la bobine enveloppante le noyau et produisent donc de la même façon la force électrodynamique qui alors ne dépend que du flux total du -5-pôle. La force d'attraction par contre dépend seulement de la deuxième partie. Les forces d'attraction des oreilles s'annulent mutuellement. Si toutefois les oreilles sont dissymétriques, ou si leurs entrefers sont dissymétriques, il en résultera une composante latérale de la force d'attraction. Ainsi, en dimensionnant les pièces polaires, on peut pour le même effet électrodynamique moduler et la force d'attraction, et sa direction, pour contrecarrer au mieux les effets du poids de la charge sur la friction dans le moyen du guidage. Un aimant, ou plusieurs, parmi les noyaux du dispositif, tels que les aimants (1), (7), (16), (18) peuvent aussi être réalisés comme des électroaimants. Ceci peut permettre de moduler, éventuellement automatiquement à l'aide d'un circuit électronique, le courant des électroaimants pour ajuster la force d'attraction entre ce(s ) électroaimant(s) et le noyau (3) (ou les noyaux) à une variation de l'inclinaison de l'axe de rotation par rapport à la verticale. Un ajustement presque parfait sera possible si au moins deux des électroaimants ont des positions différentes par rapport à l'axe de rotation, tels des positions P1 et P3 de la figure 1. Les noyaux du dispositif tels les (3), (9), (17), (19) peuvent avoir des formes et des sections diverses. Avantageusement, ils peuvent avoir la forme circulaire d'une section de cercle ou d'un cercle complet, s'adaptant aux besoins en rotation de l'axe du dispositif. En effet, la plage du mouvement qui peut être commandé par un dispositif selon l'invention est limitée à la taille de ses bobinages portés par ses noyaux magnétiques. La forme d'un cercle concentrique au l'axe de rotation permet de maintenir la largeur de l'entrefer entre l'aimant et le noyau constante pendant la rotation et de conserver ainsi un couple approximativement constant et de bonnes performances du dispositif dans tous les positions voulues. Les noyaux des dispositifs selon l'invention peuvent même avoir une forme d'une section sphérique portant éventuellement au moins deux bobinages éventuellement superposés, les spires de l'un croisant celles de l'autre de préférence approximativement perpendiculairement, ce qui permet de commander, en faisant passer du courant par l'un ou par l'autre de ces bobinages, des mouvements autour deux axes de rotation distincts sur une suspension sphérique, telle une rotule. Les noyaux des dispositifs selon l'invention peuvent aussi avoir une forme d'une section plane, avantageusement parallélépipédique, portant au moins deux bobinages éventuellement superposés, les spires de l'un croisant celles de l'autre de préférence approximativement perpendiculairement, ce qui permet de commander, en faisant passer du courant par l'un ou par l'autre de ces bobinages, des mouvements de translation selon deux axes croisés. -6- Les noyaux peuvent être avantageusement constitués de matériau magnétique doux feuilleté pour éviter les courants Foucault et des effets de l'hystérésis magnétique. Ils peuvent être couverts partiellement ou entièrement de bobinages dimensionnés par leur nombre de spires et par la section de leur fils pour porter le courant générant les forces électrodynamiques nécessaires. Tous types de capteurs de position peuvent être employés avec des dispositifs décrits, comme capteurs continus capacitifs, inductifs (resolver, synchro, transformateur différentiel), ou magnétiques sensibles à l'intensité du champ, capteurs discrets incrémentaux optiques, magnétiques, inductifs (inductosyn), capteurs absolus optiques, etc. Toutefois, à la différence du capteur (11.) d'orientation du champ magnétique, tous ces capteurs comporteront une partie solidaire des noyaux, et une autre solidaire des aimants. Tous les dispositifs selon l'invention mentionnés peuvent avantageusement être implantés en paires symétriquement disposées par rapport à l'axe de rotation du dispositif. Ceci permet d'avoir une avantageuse symétrie des forces par rapport à l'axe de rotation et, avec un choix de polarités magnétiques correspondant, une antisymétrie des champs de dispersion magnétique tendant à un affaiblissement mutuel. Le placement de deux capteurs angulaires en position opposée pelinet par la combinaison de leurs mesures de réduire l'influence du jeu du guidage en rotation sur la mesure de la position angulaire. Un placement de quatre capteurs en quatre positions cardinales permet de réduire encore plus l'influence de ce jeu sur la mesure de position. Le principe de fonctionnement des dispositifs selon l'invention exige l'utilisation de forts champs magnétiques dans l'entrefer entre les aimants et les noyaux. Inévitablement une partie des lignes du champ magnétique empruntera d'autres chemins en créant des champs magnétiques de dispersion qui parfois peuvent être gênants. Leur intensité peut être affaiblie ou bien par utilisation des configurations symétriques qui viennent être décrites, ou bien par des blindages magnétiques, ou bien par utilisation des aimants de compensation. Ces aimants, de préférence mécaniquement solidaires avec des aimants du dispositif selon invention, doivent être placés près des aimants du dispositif, mais pas assez près pour pouvoir gêner trop leur action, et dimensionnés et orientés de façon à produire à grande distance un champ magnétique d'une intensité égale mais opposée à celle du champ généré par les aimants du dispositif Le moyen de guidage en rotation pour un dispositif selon invention a été symbolisé dans des figures 1, 2 et 4 par des bagues 41, 42, 131, 132, 210, 211. Il peut être réalisé par des paliers, par des roulement à billes, par des ressorts, par de rotules ou -7- autres éléments cinématiques sphériques. Ces moyens de guidage peuvent utiliser, entre autres, des technologies mécaniques, aérodynamiques, hydrauliques, hydrostatiques, magnétiques, électromagnétiques ou électrodynamiques. La distance entre, d'une part, l'axe de rotation d'un dispositif selon l'invention, et ses aimants et noyaux de l'autre part, n'est pas limitée. Si elle prend la valeur infinie, le dispositif résultant est un dispositif de commande de position en translation et les moyens du guidage en rotation deviennent les moyens de guidage en translation. Tous les dispositifs selon l'invention mentionnés peuvent être empilés pour former des dispositifs de rotation autour plusieurs axes, ou de translation selon plusieurs axes. Ainsi, un dispositif complet (y compris sa charge) de rotation autour d'un axe ou de translation selon un axe peut former la charge utile d'un autre dispositif selon invention, indépendant et configuré pour la rotation autour d'un autre axe, ou la translation selon un autre axe. Ainsi on peut composer des suspensions de type Cardan à plusieurs axes en utilisant l'invention pour chacun des axes.

Tous les dispositifs selon l'invention équipés par un capteur de position peuvent avantageusement être complétés par des moyens de calcul analogique ou numérique pour former l'organe d'action d'un asservissement à boucle fermé contrôlant ou stabilisant automatiquement la position de la charge. Tous les dispositifs selon l'invention peuvent être employés montés sur un site fixe ou mobile, portés par des personnes ou animaux ou par des véhicules terrestres, maritimes ou aériens. La charge utile des dispositifs selon invention peut être représentée entre autres par des instruments, tels des instruments optiques, des radars, des antennes, des phares

Claims

REVENDICATIONS

. 1) Dispositif pour réaliser une commande de position d'une charge utile, muni d'au moins un aimant et d'au moins un noyaux magnétique bobiné, ladite charge utile étant solidaire d 'au moins un parmi lesdits aimants ou au moins un parmi lesdits noyaux, caractérisé en ce que au moins un parmi lesdits aimants développe un champ magnétique qui pénètre dans au moins un parmi lesdits noyaux bobinés avec une orientation sensiblement colinéaire à la gravité et exerce à la fois par l'attraction magnétique une force au moins en partie contraire à l'action de la pesanteur sur ladite charge et simultanément, par l'action électrodynamique sur le courant parcourant le bobinage la force nécessaire au positionnement de la charge.
2) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que ledit noyau porte deux bobinages séparés plongés chacun dans le champ magnétique d'un pôle de polarité magnétique opposée.
3) Dispositif selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce qu'il comporte au moins une paire de noyaux bobinés semblables entre eux, orientés de façon approximativement parallèle dans l'espace et situés dans des champs magnétiques, ou régions d'un champ magnétique, aux lignes de force approximativement parallèles entre elles mais dont les sens sur des parties des noyaux homologues (orientées de la même façon dans l'espace) sont mutuellement opposés, lesdits noyaux portant des bobinages qui, si parcourus par un courant commun développent dans chaque élément de la paire des champs magnétiques de sens opposés entre eux.
4) Dispositif selon la revendication 1,2 ou 3 caractérisé en ce qu'il comporte au moins un noyau portant au moins deux groupes de bobinages dont chacun est formé par des bobinages au spires à l'orientations spatiales distinctes, qui, si parcourus par un courant, développent des forces aux orientations distinctes, de préférence mutuellement perpendiculaires.
5) Dispositif selon la revendication 1,2,3 ou 4 caractérisé en ce que ledit champ magnétique est généré pour partie au moins par un aimant permanent, muni ou non par des pièces polaires complétant le circuit magnétique, et muni ou non d'un shunt magnétique permettant de régler sa force.
6) Dispositif selon la revendication 1,2, 3 ou 4 caractérisé en ce que ledit champ est généré pour partie au moins par au moins un électroaimant.
7) Dispositif selon la revendication 6 caractérisé en ce que le courant d'au moins un parmi lesdits électroaimants est commandé par un dispositif électronique de façon à ce que l'attraction que ledit électroaimant exerce sur au moins un parmi lesdits noyaux équilibre, au moins partiellement, l'action de la pesanteur sur la charge utile-9- en fonction des variations de ladite action de la pesanteur avec la position dudit axe de rotation.
8) Dispositif selon une quelconque des revendications 1 à 7 caractérisé en ce qu'il est muni d'au moins un capteur permettant par sa mesure d'établir la position de ladite 5 charge utile.
9) Dispositif selon une quelconque des revendications 1 à 8 caractérisé en ce qu'il est muni d'au moins deux capteurs disposés approximativement diamétralement par rapport à l'axe de rotation permettant par la combinaison de leurs mesures de supprimer au moins partiellement l'influence des jeux du guidage mécanique dans 10 l'estimation de la position de ladite charge utile.
10) Dispositif selon la revendication 7 ou 9 caractérisé en ce que la position de ladite charge utile est mesurée à l'aide d'au moins un capteur à magnétorésistance travaillant en régime saturé et sensible à l'orientation des lignes de force dudit champ magnétique. 15
11) Dispositif selon la revendications 8 à 10, caractérisé en ce qu'il consiste en au moins deux ensembles formés par un aimant, un noyau bobiné et un capteur, lesdits ensembles étant placés dans des positions approximativement diamétralement opposées par rapport audit axe de rotation et que la combinaison des mesures des deux capteurs sert à supprimer au moins partiellement l'influence du jeu radial dudit 20 axe.
12) Dispositif selon une quelconque des revendications 1 à 11 caractérisé en ce qu'il fait partie d'une charge guidée en rotation autour d'au moins un autre axe ou en translation selon un axe par un autre dispositif selon une quelconque des revendications 1 à 11. 25
13) Dispositif selon une quelconque des revendications 1 à 12 caractérisé en ce qu'il est utilisé pour la stabilisation ou le guidage d'une caméra d'une source lumineuse ou radiofrequence.
14) Dispositif selon une quelconque des revendications 1 à 13 caractérisé en ce qu'il est utilisé sur des véhicules. 30