FR2925672A1

FR2925672A1 - Dispositif de mesure de position angulaire

Info

Publication number: FR2925672A1
Application number: FR0708868A
Authority: FR
Inventors: Eric Servel; Yann Monteil
Original assignee: Siemens VDO Automotive SAS
Current assignee: Continental Automotive France SAS
Priority date: 2007-12-19
Filing date: 2007-12-19
Publication date: 2009-06-26
Anticipated expiration: 2027-12-19
Also published as: FR2925672B1; US8525513B2; US20100271013A1; CN101903749B; WO2009077074A1; CN101903749A

Abstract

L'invention concerne un dispositif (20) de mesure de position angulaire comprenant un capteur magnétique (10), coopérant avec un élément magnétique mobile (12), le capteur comprenant au moins un premier (R1-R4) et un second (R5-R8) groupe d'éléments magnéto-résistifs configurés chacun en pont de Wheatstone, adaptés à fournir un premier et un second signal de mesure (Sin, Cos) proportionnels respectivement au sinus et au cosinus du double de la position angulaire (alpha) de l'élément magnétique mobile, et une unité de traitement fournissant une réponse correspondant à ladite position angulaire à partir desdits premier et second signaux de mesure, caractérisé en ce que le capteur est volontairement excentré par rapport à un axe (14) de l'élément magnétique mobile et en ce que ce dernier est volontairement excentré par rapport à son axe de rotation (30), selon des valeurs d'excentrement volontairement choisies pour que la plage de mesure angulaire s'étende au-delà de 180 degres .

Description

La présente invention concerne le domaine de la mesure de la position angulaire d'un élément mobile à l'aide d'un capteur magnétique et, en particulier, un capteur basé sur la technologie de mesure d'un champ magnétique à l'aide d'éléments magnéto- résistifs. Elle concerne plus précisément un dispositif de mesure de position angulaire, comprenant un capteur magnétique, coopérant avec un élément magnétique mobile dont on cherche à mesurer un angle de rotation, le capteur magnétique comprenant au moins un premier et un second groupe d'éléments magnéto-résistifs configurés chacun en pont de Wheatstone, adaptés à fournir un premier et un second signal de mesure proportionnels respectivement au sinus et au cosinus du double de la position angulaire de l'élément magnétique mobile, et une unité de traitement fournissant une réponse correspondant à la position angulaire de l'élément magnétique mobile à partir des premier et second signaux de mesure.

Brièvement, les éléments magnéto-résistifs sont des éléments résistifs sensibles aux champs magnétiques, du fait que la résistivité électrique de certains alliages ferromagnétiques est influencée par des champs externes. Un capteur magnéto-résistif comporte typiquement une couche de matériau magnéto-résistif traversée par un courant dans une direction de mesure, la couche étant 20 magnétisée par un champ magnétique externe dans le plan de la couche. Ces capteurs exploitent classiquement un effet connu, appelé magnétorésistance anisotrope, qui se manifeste dans les métaux de transition ferromagnétiques tels que le nickel, le cobalt et le fer, produisant une variation de la résistivité de l'élément sensible du capteur en matériau magnéto-résistif en fonction de l'angle entre la direction du courant 25 de mesure circulant dans l'élément sensible et les lignes de champ d'un champ magnétique extérieur. L'élément sensible du capteur est souvent composé d'éléments magnéto-résistifs, ou résistances magnétiques, montés en pont de mesure. Ce pont de mesure est prévu pour être alimenté et délivre une certaine tension de repos. Un champ magnétique 30 extérieur influence les branches de ce pont et provoque un déséquilibre qui est amplifié et exploité. Un capteur 10 de ce type est illustré schématiquement à la figure 1. Il comprend un premier groupe d'éléments magnéto-résistifs R1 à R4, configurés en un premier pont de Wheatstone et un second groupe d'éléments magnéto-résistifs R5 à R8, configurés en 35 un second pont de Wheatstone, chaque pont de Wheatstone formant ainsi des moyens de mesure différentielle des signaux fournis respectivement par le premier groupe et le second groupe d'éléments magnéto-résistifs. Les deux ponts sont fabriqués sur un même substrat et sont positionnés à 45° l'un par rapport à l'autre. Dans cette configuration les signaux de mesure issus de chacun des 5 deux ponts sont en quadrature, c'est-à-dire qu'ils ont une différence de phase de 90°. Le premier pont fournit donc une première tension de mesure proportionnelle au sinus du double de la position angulaire a du champ magnétique d'un élément magnétique mobile, entraîné en rotation au dessus de la face du capteur accueillant les éléments magnéto-résistifs et le second pont fournit une seconde tension de mesure, 10 proportionnelle au cosinus du double de la position angulaire a du même champ magnétique. Le signal de mesure du premier pont est donc du type U1sin2a et le signal de mesure du second pont est du type U2cos2a. A partir des deux signaux de mesure en sin2a et cos2a, une unité de traitement 15 est adaptée à retrouver la valeur d'angle a en effectuant un calcul du type suivant : a = 1 arctan(A sin 2a 2 cos 2a Avec A = U1/U2, le ratio des deux amplitudes des deux signaux de mesure. Toutefois, le facteur 2a fait que le capteur ne peut mesurer en fait que des variations d'angle de 180°. 20 La figure 2 illustre un mode de réalisation d'un dispositif 20 de mesure de position angulaire, utilisant un tel capteur 10 pour la mesure de la position angulaire d'un élément mobile, non représenté, couplé mécaniquement à un élément magnétique mobile 12, de type aimant permanent, de forme parallélépipédique selon un axe longitudinal AA' et présentant un pôle nord N et un pôle sud S respectivement à l'une et l'autre de ses 25 extrémités. L'élément magnétique mobile 12 produit un champ magnétique H au niveau du capteur 10, dont les lignes de champ h sont en grande partie sensiblement parallèles à l'axe longitudinal AA'. L'élément magnétique mobile tourne autour d'un axe de rotation 30, perpendiculaire à l'axe longitudinal AA'. La position angulaire de l'élément magnétique 30 mobile est mesurée selon les principes exposés ci-dessus par l'angle a formé entre l'axe longitudinal de l'élément magnétique mobile et une position de référence du même axe, correspondant par exemple à une position initiale où l'axe longitudinal AA' de l'élément magnétique mobile 12 et l'axe longitudinal XX' du capteur 10 sont parallèles. (i) Un déplacement angulaire a de l'élément mobile et en conséquence de l'élément magnétique mobile 12 par rapport à la position initiale produit en effet le même déplacement angulaire a du champ H de l'élément magnétique mobile dans le plan du capteur 10, lequel déplacement peut être mesuré à partir des signaux de mesures issus des deux groupes d'éléments magnéto-résistifs du capteur configurés en ponts de Wheatstone. Dans le cas idéal, la mesure d'angle se fait avec un champ magnétique parallèle homogène. Toutefois, les tolérances mécaniques de montage font que le capteur magnétique 10 10 tel qu'il a été décrit ne permet pas d'avoir une plage de mesure réelle de 180°, mais au contraire une plage inférieure par exemple limitée à 179,8°. En effet, en premier lieu, l'aimant lui-même ne peut pas être centré exactement sur son axe de rotation. On parle alors d'excentrement de rotation. De même pour le capteur, qui ne peut pas être exactement centré sur l'axe de l'aimant (par axe de l'aimant on 15 entend une ligne qui passe par le centre de l'aimant perpendiculairement à l'axe longitudinal de celui-ci). On parle alors d'excentrement radial. Ces deux tolérances entraînent des erreurs angulaires, qui font que, suivant les assemblages, certains dispositif de mesure de position angulaire tels que décrits à la figure 2 ne permettront pas en réalité de mesurer une position de 180°. 20 En outre, une autre limitation vient du capteur lui-même, qui possède une hystérésis pouvant aller jusqu'à 0,3° et une précision de mesure maximale de 0,1°. La conséquence est que pour les positions angulaires se situant vers les extrémités de la plage normale d'utilisation, c'est-à-dire pour des positions angulaires proches de 0° ou 180°, l'erreur est maximale. Par exemple, pour une position angulaire de +0,1°, le capteur 25 peut indiquer une position de +180°. Communément, le problème lié aux tolérances de montage peut être traité par l'accroissement de la taille de l'aimant. En effet, plus l'aimant est gros, plus les effets d'excentrement sont réduits. Toutefois, cela ne règle pas les problèmes liés au capteur lui-même. 30 Le résultat est, qu'en pratique, le dispositif de mesure de position angulaire de l'art antérieur décrit à la figure 2 n'est typiquement utilisé que sur des plages angulaires réduites, classiquement comprises entre 0 et 179,8°, ce qui le rend inutilisable pour certains cas où la détermination de la position angulaire dans une plage réellement comprise entre 0° jusqu'à 180°, et même au-delà, est nécessaire.

Au-delà de 180°, on utilise classiquement une autre technologie comme les effets Hall 360°. Cependant, pour des raisons de volume, de coût et de maîtrise technique, il serait particulièrement intéressant de pouvoir conserver un capteur à base de ponts magnéto-résistifs pour effectuer des mesures sur une plus grande plage angulaire.

La présente invention permet de pallier les inconvénients précités en proposant à cet effet un dispositif de mesure de position angulaire, par ailleurs conforme à la définition générique qu'en donne le préambule ci-dessus, plus particulièrement caractérisé en en ce que ie capteur magnétique est excentré par rapport à l'axe de l'élément magnétique mobile et en ce que l'élément magnétique mobile est excentré par rapport à un axe de rotation dudit élément, selon des valeurs d'excentrement volontairement choisies de manière à ce que la plage de mesure angulaire du capteur magnétique s'étende au-delà de 180°. Un des avantages du dispositif selon l'invention réside dans le fait qu'en étendant la plage de mesure au-delà de 180°, le capteur n'atteint pas ses valeurs limites et il n'y 15 donc plus le problème des erreurs de 180° aux limites. Avantageusement, le dispositif comprend des moyens de calibration d'une valeur d'offset du premier et/ou du second signal de mesure fournis par les ponts de Wheatstone, adaptée à corriger au moins en partie la non linéarité de la réponse fournie. Selon un mode de réalisation, les valeurs d'excentrement définissant 20 l'excentrement entre le capteur et l'axe de l'élément magnétique mobile se décomposent en une valeur de distance d'excentrement et en une valeur d'angle d'excentrement. Avantageusement encore, les valeurs d'excentrement définissant l'excentrement entre l'élément magnétique mobile et son axe de rotation se décomposent en une valeur de distance d'excentrement et en une valeur d'angle d'excentrement. 25 Dans un mode de réalisation préférentiel, les deux ponts de Wheatstone sont disposés à 45° l'un par rapport à l'autre sur un même substrat du capteur. En outre, il est prévu que l'élément magnétique mobile est un aimant permanent mobile de forme annulaire ou parallélépipédique qui tourne dans un plan de rotation sensiblement parallèle à une face du capteur sur laquelle sont déposés les éléments 30 magnéto-résistifs. L'invention concerne encore un procédé de conception d'un dispositif de mesure de position angulaire comportant un capteur magnétique utilisant des éléments magnéto- résistifs, coopérant avec un élément magnétique mobile entraîné en rotation au-dessus du capteur, pour mesurer un premier et un second signal de mesure proportionnels 35 respectivement au sinus et au cosinus du double de la position angulaire de l'élément magnétique mobile et calculer une réponse correspondant à la position angulaire de l'élément magnétique mobile à partir desdits premier et second signaux de mesure, ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend une étape consistant à excentrer volontairement d'une part, le capteur magnétique par rapport à l'axe de l'élément magnétique mobile et, d'autre part, l'élément magnétique mobile par rapport à un axe de rotation dudit élément, selon des valeurs d'excentrement choisies de manière à ce que la plage de mesure angulaire du capteur magnétique s'étende au-delà de 180°. Avantageusement, ledit procédé comprend en outre une étape de calibration d'une valeur d'offset du premier et/ou du second signal de mesure, adaptée à corriger au moins 10 en partie la non linéarité de la réponse du capteur. De préférence, les valeurs d'excentrement choisies se décomposent en une valeur de distance d'excentrement et en une valeur d'angle d'excentrement. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante donnée à titre d'exemple illustratif et non 15 limitatif et faite en référence aux figures annexées dans lesquelles : la figure 1 illustre schématiquement un capteur magnétique à ponts magnétorésistifs et a déjà été décrite ; - la figure 2 illustre un mode de réalisation schématique d'un dispositif de mesure de position angulaire selon l'art antérieur, comprenant un capteur tel qu'illustré à 20 la figure 1 et a déjà été décrite ; - les figures 3a et 3b représentent des vues schématiques de côté et de dessus du dispositif de mesure selon l'invention illustrant le principe d'excentrement maîtrisé, les éléments en commun avec les figures déjà décrites portant les mêmes références ; 25 - la figure 4 représente les courbes des signaux de mesure issus des deux ponts de Wheatstone du capteur et du signal de réponse du capteur fournissant, à partir des signaux de mesure, la position angulaire a du champ magnétique de l'élément magnétique mobile sur la plage de mesure étendue au-delà de 180°. La présente invention repose donc sur le principe, illustré à la figure 3a, de créer 30 volontairement un double excentrement dans le montage du dispositif de mesure angulaire 20 utilisant un capteur 10 à base de ponts magnéto-résistifs comme déjà décrit, en le maîtrisant plutôt que de le subir. Ce double excentrement se décompose donc : d'une part, en un premier excentrement Exc_R entre le capteur magnétique 10 et l'axe 14 de l'élément magnétique mobile 12 (de forme annulaire dans cet exemple de réalisation) et, - d'autre part, en un second excentrement Exc_A entre l'élément magnétique mobile 12 et son axe de rotation 30. En référence à la figure 3b, les valeurs d'excentrement permettant de définir chacun des deux types d'excentrements précités, se décomposent plus précisément en une distance d'excentrement, respectivement Distance_R et Distance_A pour le premier Exc_,R et le second excentrement Exc_A et en un angle d'excentrement respectivement Angle_R et Angle_A pour le premier Exc_R et le second excentrement Exc_A. On dispose donc au total de quatre paramètres pour maîtriser le double excentrement dans le montage. En associant des valeurs d'excentrement déterminées à chacun de ces quatre paramètres, les positions volontairement excentrées qui en découlent, pour le capteur par rapport à l'aimant d'une part, et l'élément magnétique mobile par rapport à son axe de rotation, d'autre part, permettent d'étendre légèrement la plage de mesure angulaire du dispositif au-delà de 180°, tout en assurant un fonctionnement avec une très bonne précision sur la totalité de la plage ainsi étendue. En effet, le cumul des deux excentrements, radial et de rotation, provoque une erreur angulaire Aa, qui est fonction notamment de la constante magnétique calculée à partir des dimensions de l'élément magnétique mobile, et des valeurs d'excentrement prédéfinies. Les signaux de mesure en sinus et en cosinus issus des deux ponts de Wheatstone du capteur positionnés à 45° sont alors déformés par cette erreur, introduisant une déformation en modulation de phase de ces signaux. Autrement dit, la courbure de ces signaux est modulée lors de la rotation de l'élément magnétique mobile. Ce phénomène est illustrée à la figure 4, dont les courbes référencées Sin et Cos représentent respectivement les signaux en sinus et en cosinus issus des deux ponts de Wheatstone du capteur avec un double excentrement maîtrisé et dont la courbe référencée Arctan représente la réponse fournie par le capteur, à savoir la position angulaire mesurée, obtenue à partir du traitement effectué sur les deux signaux susmentionnés. On remarque que les signaux de mesure Sin et Cos ont leur maximum et/ou minimum décalés, dû à la déformation en modulation de phase engendrée par le double excentrement. Ils présentent aussi une périodicité de 360°. Ainsi, suivant les distances et les angles d'excentrement, les courbes vont se déformer différemment. En jouant sur ces valeurs d'excentrement, il est alors possible d'obtenir une déformation des courbes propres à étendre la plage de mesure angulaire, comme représenté sur l'exemple de la figure 4. En effet, sur la courbe Arctan de la figure 4, on voit bien que la plage de mesure angulaire va de 180° à 364°, soit 184°. On note aussi, par symétrie, que l'autre plage de mesure est réduite. Le résultat du cumul de ces deux excentrements avec des valeurs d'excentrement déterminées de manière appropriée, est donc que la plage de mesure angulaire est étendue au-delà des 180°. Pour arriver à ce résultat, il faut donc déterminer des valeurs d'excentrement appropriées permettant de définir une erreur angulaire propre à provoquer une modulation adéquate des signaux de mesure permettant d'étendre la plage de masure. Cette détermination des valeurs d'excentrement dépend notamment du type d'élément magnétique mobile, en particulier sa forme et ses dimensions. Toutefois, le fait d'étendre la plage de mesure angulaire au-delà de 180°, provoque une erreur de linéarité dans la réponse angulaire obtenue à partir des deux signaux de mesure en sinus et en cosinus. Il est donc nécessaire de calculer une calibration appropriée d'une valeur d'offset (décalage par rapport au zéro) pour l'un ou les deux signaux de mesure, adaptée à corriger au moins en partie la non linéarité de la réponse fournie par le capteur. Le fait de modifier les valeurs d'offset sur l'un ou les deux signaux de mesure en sinus et cosinus permet donc avantageusement de rectifier la linéarité de la réponse du capteur sur la totalité de la plage de mesure angulaire étendue. Cependant, au-delà d'une plage de mesure de 200°, la correction de la linéarité en jouant sur l'offset des signaux de mesure en sinus et cosinus peut ne plus être suffisante, et il peut alors devenir nécessaire de linéariser la réponse du capteur par une table de correspondance, la courbe de réponse obtenue étant strictement croissante.

L'invention ne se limite nullement au mode de réalisation détaillé dans la présente description. L'homme du métier pourrait par exemple utiliser une autre combinaison des premier et second signaux de mesure que celle donnée en (i) sans pour autant sortir de la portée de la présente invention.

Claims

REVENDICATIONS

1. Dispositif (20) de mesure de position angulaire comprenant un capteur magnétique (10), coopérant avec un élément magnétique mobile (12) dont on cherche à mesurer un angle de rotation, le capteur magnétique comprenant au moins un premier (R1 à R4) et un second (R5 à R8) groupe d'éléments magnéto-résistifs configurés chacun en pont de Wheatstone, adaptés à fournir un premier et un second signal de mesure (Sin, Cos) proportionnels respectivement au sinus et au cosinus du double de la position angulaire (a) de l'élément magnétique mobile, et une unité de traitement fournissant une réponse (Arctan) correspondant à la position angulaire de l'élément magnétique mobile à partir desdits premier et second signaux de mesure, ledit dispositif étant caractérisé en ce que le capteur magnétique (10) est volontairement excentré par rapport à un axe (14) de l'élément magnétique mobile et en ce que l'élément magnétique mobile (12) est volontairement excentré par rapport à un axe de rotation (30) dudit élément, selon des valeurs d'excentrement (Angle_R, Distance_R, Angle_A, Distance_A) volontairement choisies de manière à ce que la plage de mesure angulaire du capteur magnétique s'étende au-delà de 180°.

2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de calibration d'une valeur d'offset du premier et/ou du second signal de mesure fournis par les ponts de Wheatstone, adaptée à corriger au moins en partie la non linéarité de la réponse fournie.

3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les valeurs d'excentrement définissant l'excentrement entre le capteur et l'axe de l'élément magnétique mobile se décompose en une valeur de distance d'excentrement (Distance_R) et en une valeur d'angle d'excentrement (Angle_R).

4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les valeurs d'excentrement définissant l'excentrement entre l'élément magnétique mobile et son axe de rotation se décompose en une valeur de distance d'excentrement (Distance_A) et en une valeur d'angle d'excentrement (Angle_A).

5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les deux ponts de Wheatstone sont disposés à 45° l'un par rapport 30 à l'autre sur un même substrat du capteur.

6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'élément magnétique mobile (12) est un aimant permanent mobile de forme annulaire ou parallélépipédique qui tourne dans un plan de rotation sensiblement parallèle à une face du capteur sur laquelle sont déposés les éléments 35 magnéto-résistifs.

7. Procédé de conception d'un dispositif (20) de mesure de position angulaire comportant un capteur magnétique (10) utilisant des éléments magnéto-résistifs, coopérant avec un élément magnétique mobile (12) entraîné en rotation au-dessus du capteur, pour mesurer un premier et un second signal de mesure (Sin, Cos) proportionnels respectivement au sinus et au cosinus du double de la position angulaire (a) de l'élément magnétique mobile et calculer une réponse (Arctan) correspondant à la position angulaire de l'élément magnétique mobile à partir desdits premier et second signaux de mesure, ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend une étape consistant à excentrer volontairement d'une part, le capteur magnétique (10) par rapport à un axe (14) de l'élément magnétique mobile et, d'autre part, l'élément magnétique mobile (12) par rapport à un axe de rotation (30) dudit élément, selon des valeurs d'excentrement (Angle_R, Distance_R, Angle_A, Distance_A) choisies de manière à ce que la plage de mesure angulaire du capteur magnétique s'étende au-delà de 180°.

8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une étape de calibration d'une valeur d'offset du premier et/ou du second signal de mesure, adaptée à corriger au moins en partie la non linéarité de la réponse du capteur.

9. Procédé selon les revendications 7 ou 8, caractérisé en ce que les valeurs d'excentrement choisies se décomposent en une valeur de distance d'excentrement (Distance_R, Distance_A) et en une valeur d'angle d'excentrement (Angle_R, Angle_A).