FR3036888A1 - Procede de reduction du bruit pour codeur numerique d'arbre tournant - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un procédé de réduction du bruit de mesure pour codeur numérique ou analogique d'arbre tournant, caractérisée par l'insertion en aval du codeur (2) et en amont de l'unité de commande (3), laquelle contrôle un processus (4), d'au moins une PLL (1) sur au moins un des signaux (SP1) reliant le codeur (2) à l'unité de commande (3).

Description

PROCEDE DE REDUCTION DU BRUIT POUR CODEUR D'ARBRE TOURNANT L'invention concerne un procédé de réduction du bruit de mesure pour codeur numérique ou analogique d'arbre tournant. Dans la description de l'invention, le mot « codeur » décrit tout type de capteur numérique ou analogique de position d'arbre tournant, fournissant au moins un signal numérique lié à la position dudit arbre tournant. Dans 10 la description de l'invention, le mot « arbre » décrit l'arbre mécanique sur lequel est monté le codeur. Dans la description de l'invention, le mot « processus » décrit tout système tournant ou non-tournant, qui utilise l'information délivrée par un 15 codeur monté sur un arbre. De façon particulière, le processus peut être une commande, d'une machine électrique tournante, de type vectorielle ou scalaire, laquelle machine électrique tournante peut être de type synchrone, asynchrone, à courant continu ou à réluctance variable. 20 De manière connue, de nombreux processus de diverses nature, dont les commandes de machines tournantes, utilisent une mesure de la position d'un arbre tournant, laquelle mesure est interprétée pour donner à l'unité de commande, soit une position exacte ou relative, soit une vitesse, soit une accélération, soit toute autre information issue de la rotation dudit 25 arbre tournant. De manière connue la mesure de la position d'un arbre tournant se fait sonde manière analogique, soit de manière digitale. 3036888 2 Dans le premier cas numérique de l'état de l'art, le capteur de position numérique fournit un jeu de signaux, qui permettent de calculer la position absolue de l'arbre. La figure 1 présente les trois signaux issus d'un codeur incrémentai de l'état de l'art, où les signaux Si et S2 sont décalés de 900 entre eux, et le signal SH optionnel apparaît une fois par tour électrique. En utilisant un procédé de comptage temporel, lequel comptage est réinitialisé à chaque tour de l'arbre par le signal SH, il est possible de calculer la position exacte de l'arbre tournant, avec une résolution égale à quatre fois le nombre Ni d'impulsions S1 (ou S2) par tour mécanique.

Dans le deuxième cas de l'état de l'art, d'un capteur de position analogique, le codeur fournit au moins un signal analogique, dont l'amplitude varie par exemple de façon sinusoïdale en synchronisme avec la position de l'arbre sur lequel il est connecté. Lorsque plusieurs signaux sont fournis, au moins deux, afin d'avoir une position absolue, lesdits signaux sont déphasés typiquement de 90° (cas d'un codeur qui fournit deux signaux). L'unité de commande peut alors calculer une position absolue, laquelle est exprimée soit en angle absolu, soit en angle relatif, par exemple vis-à-vis du nombre de paires de pôles de la machine électrique commandée. L'exploitation industrielle de ces codeurs se heurte à des difficultés de mise en oeuvre en raison des bruits et parasites qu'ils génèrent, notamment aux vitesses élevées, ou lorsque leur conception est économique, ou encore lorsqu'ils sont intégrés dans le corps de la machine dont ils mesurent la position. Les processus de commande associés au capteur sont souvent très sensibles audits bruits de mesure, et limitent leur utilisation. La figure 2 illustre à titre d'exemple la perturbation temporelle d'un signal Sth, issu d'un codeur numérique. Le signal Sth est théoriquement régulièrement répété, mais il arrive décalé de 3036888 façon aléatoire, ou régulière, du temps noté « delta » sur le signal Smes restitué. Dans certains cas extrêmes, certaines impulsions peuvent venir à manquer, de façon répétée ou non. Lesdites perturbations sont générées soit par le codeur lui-même, soit par le câble de transmission qui relie le 5 codeur au processeur de traitement de signal. . De manière connue, une boucle à verrouillage de phase 10, encore appelée PLL (phase locked loop), comporte au minimum, telle-que la présente la figure 3, les éléments suivants : un comparateur de phase 11, 10 un filtre passe-bas optionnel 12, un oscillateur commandé 13 (noté VCO) et un diviseur de fréquence 14 optionnel. Ce système connu permet de synchroniser un signal entrant Se sur un signal généré Svco. De manière connue, une des applications de la PLL est le filtrage des perturbations aléatoires de la phase du signal entrant Se, telles que décrites 15 précédemment, et aussi le conditionnement du rapport cyclique dudit signal entrant Se à une valeur constante de 50% de sa période. De manière connue, une PLL peut intégrer de manière optionnelle un diviseur de fréquence en amont de l'entrée du signal Se. De manière connue, on dit que la PLL 10 est accrochée, lorsque les deux signaux Se et Svco ont 20 sensiblement la même fréquence. L'invention propose une solution économique 20 de réduction des bruits de mesure issus d'un codeur 2, elle est décrite à la figure 4. L'invention est caractérisée par l'insertion en aval du codeur 2 et en amont de l'unité 25 de commande 3 d'un processus 4, d'au moins une PLL 1, telle que décrite en 10, sur au moins un des signaux reliant le codeur 2 à l'unité de commande 3. Dans un mode de réalisation particulier 30, décrit à la figure 5, l'invention 30 utilise autant de PLL indépendantes 1, que de signaux issus du codeur 2, 3036888 lesquelles PLL 1 filtrent indépendamment les bruits issus du codeur 2. La figure 5 illustre à titre d'exemple ledit mode de réalisation particulier 30, par le cas d'un codeur dit absolu, à trois impulsions, telles que décrites à la figure 1. Dans le cas d'un codeur dit relatif, où le signal SH et/ou le signal S2 sont absents, seulement la PLL n°1 et/ou la PLL n2 sont utilisées. De manière générale, un codeur 2 qui fournit un nombre quelconque de signaux peut être associé dans l'invention à une ou plusieurs PLL de différentes manières possibles. Dans un premier mode de réalisation le codeur 2 est connecté en 10 aval à autant de PLL 1 indépendantes, lesquelles PLL 1 sont connectées en amont dudit codeur 2 sur chacun de ses signaux de sortie respectifs, lesquelles PLL 1 sont connectées en aval des entrées correspondantes de position de l'unité de commande 3. - Dans un deuxième mode de réalisation, qui utilise la structure du 15 premier mode de réalisation, certaines des sorties du codeur 2 ne sont pas interfacées par une PLL, et sont par conséquent reliées directement à l'entrée correspondante de l'unité de commande 3. Dans un troisième mode de réalisation 40, décrit à la figure 6, les PLL 1 sont déconnectées, ledit mode de réalisation 40 est 20 caractérisé par l'utilisation d'un multiplexeur 41, lequel est intercalé en premier lieu pour une de ses entrées en aval de l'une des sorties (S1) du codeur 2 d'une part, en second lieu pour son autre entrée en aval de la sortie (Spll) de la PLL 1, laquelle est reliée à la sortie correspondante (S1) du codeur 2, et en troisième lieu pour sa 25 sortie en amont de l'entrée correspondante (Cl) de l'unité de commande 3, laquelle est connectée sa sortie multiplexée. Dans un quatrième mode de réalisation 50 utilisant la description du troisième mode de réalisation 40,. les autres sorties du codeur 2 non-connectée à une PLL 1, sont connectées directement à l'unité 30 de commande 3.

3036888 Les figures 6 et 7 d'illustrent à titre d'exemple les modes de réalisation 40 et 50, où un multiplexeur 41 est placé entre la sortie Spll de la PLL 1 et l'entrée Cl correspondante de l'unité de commande 3. Ledit multiplexeur 5 41 aiguille sur l'entrée Cl de l'unité de commande 3, soit le signal Spll qui est une image filtrée par la PLL du signal Si issu du codeur 2, soit le signal Si non-filtré, en aval sur l'entrée Cl de l'unité de commande, lequel aiguillage est déterminé par la valeur numérique de l'entrée MUX de sélection du multiplexeur notée « PLLon ».

10 Le choix de la transmission, directe ou indirecte, du signal S1 via le multiplexeur 41 est libre. Mais dans un mode de réalisation préférentiel astucieux, la transmission est directe (cas S1 = C1) pour les valeurs faibles de la vitesse de l'arbre, puis lorsque la vitesse de l'arbre augmente 15 et que la PLL 1 est accrochée la transmission est filtrée par la sélection de la PLL 1 (cas Cl = Sp11). De façon évidente, dans tous les modes de réalisation décrits, il est possible de remplacer tout ou partie des PLL 1 par plusieurs PLL 20 connectées en cascade, ce qui permet d'améliorer le filtrage des bruits de mesure de position de l'arbre. Dans un mode de réalisation particulier, l'activation de la PLL 1 (cas Cl = Spll) est validée par un signal « PLLaccrochée » généré par la PLL 1 25 qui n'active ladite PLL 1 que lorsqu'elle est accrochée, ladite sélection du mode de fonctionnement du multiplexeur 41 est réalisée par une porte logique 42, par exemple de type ET. De façon évidente, la description de l'invention intègre les réalisations 30 utilisant des codeurs numériques d'un part et/ou d'autre part analogiques.

3036888 L'homme de l'art choisira la PLL et/ou le multiplexeur de technologie adaptée à la configuration matérielle retenue. Dans un mode de réalisation préférentiel du mode de réalisation 50, représenté à la figure 7, du mode de réalisation particulier 40, lorsque la PLL est activée (Cl = Sp11), seule une des voies mesurées par le codeur 2 est filtrée par une PLL 1, afin de conduire à une réalisation économique. Dans ledit mode de réalisation préférentiel, deux états de fonctionnement existent : 10 dans un premier état de fonctionnement, correspondant par exemple à une vitesse réduite, tous les signaux de l'unité de commande 3 sont reliés chacun aux entrées correspondantes non-filtrées du codeur 2, la PLL 1 n'est alors pas sélectionnée (cas Cl = S1), 15 dans un deuxième état correspondant par exemple à une vitesse élevée l'unité de commande 3 est reliée à la sortie filtrée par la PLL 1 (cas Cl = Sp11), et les autres signaux générés par le codeur 2 ne sont pas utilisés par l'unité de commande 3, lequel second état impose de calculer la position absolue de l'arbre à l'aide d'un 20 algorithme ou d'un moyen physique par exemple d'intégration temporelle calée sur les impulsions Cl filtrées issues du codeur. Dans un mode de réalisation astucieux, adapté au cas d'une machine électrique tournante, le nombre d'impulsions par tour mécanique de l'arbre 25 est égal au nombre de paires de pôles de ladite machine électrique tournante. De manière générale, dans tous les modes de réalisation décrits, il est possible d'utiliser sur tout ou partie des voies issues du codeur 2, un 30 multiplexeur 41 et/ou une porte logique 42 (ou un multiplexeur ou tout 3036888 autre moyen de sélection) reliée au signal PLLaccrochée de sa PLL correspondante, afin de ne faire fonctionner chaque PLL 1, indépendamment les unes des autres, que lorsqu'elles sont accrochées.

5 Dans d'autres modes de réalisations équivalents, l'ensemble formé par la PLL 1, le multiplexeur 41 et la porte logique 42 optionnelle, peut être interposé entre l'une quelconque des voies de sortie du codeur 2 et les voies correspondantes de l'unité de commande 3.

10 Dans un mode de réalisation préférentiel, le filtre passe bas 12 de chaque PLL 1 est un filtre passe-bas du premier ordre. Dans un mode de réalisation préférentiel, le filtre passe bas 12 de chaque PLL 1 a une fréquence de coupure au moins inférieure à la fréquence maximale du spectre fréquentiel des bruits de mesure delta.

15 Dans un mode de réalisation particulier, la PLL 1 est un modèle numérique de type 4046, laquelle PLL est largement utilisée dans l'industrie.

20 Dans tous les modes de réalisation décrit dans cette invention, le codeur et les PLL peuvent être de nature numérique et/ou analogique de façon indépendante les unes des l'autres. Dans un mode de réalisation particulier, la PLL 1 et/ou le multiplexeur 41, 25 sont localisés près du codeur 2. - La figure 1 présente les impulsions fournies par un codeur numérique absolu. - La figure 2 présente le bruit temporel introduit dans la position d'un 30 codeur numérique.

3036888 8 La figure 3 présente une PLL de l'état de l'art. La figure 4 présente l'introduction d'une PLL dans rà chaîne de mesure de la position de l'arbre. La figure 5 présente l'introduction d'autant de PLL que de signaux 5 générés par le codeur. La figure 6 présente une réalisation astucieuse, qui n'utilise qu'une seule PLL. La figure 7 présente une autre réalisation astucieuse, qui n'utilise qu'une seule PLL.

10 Le procédé de réduction du bruit de codeur de l'invention peut être associé à un procédé de commande en boucle ouverte de tension. Tous les éléments qui ont été présentés dans cette invention peuvent être 15 étendus à d'autres machines électriques tournantes ou statiques, comportant un nombre quelconque de phases électriques et de pôles électromagnétiques. La présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation décrits, mais s'étend à toute modification et variante évidente pour un homme du métier, tout en restant dans l'étendue de la 20 protection définie dans les revendications annexées.

Claims (4)

1. REVENDICATIONS1. Procédé de réduction du bruit de mesure pour codeur numérique ou analogique d'arbre tournant, caractérisée par l'insertion en aval d'un codeur (2) et en amont de l'unité de commande (3) d'un processus (4), d'au moins une PLL (1) sur au moins l'un des signaux reliant le codeur (2) à l'unité de commande (3).
2. 2. Procédé de réduction du bruit selon la revendication précédente, caractérisé par l'insertion d'autant de PLL (1) que de signaux reliant le codeur (2) à l'unité de commande (3).
3. 3. Procédé de réduction du bruit selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par l'insertion sur au moins un des signaux interfacés par une PLL et reliant le codeur (2) à l'unité de commande (3) d'un multiplexeur (41) comportant une première entrée connectée en aval de la PLL (1), une deuxième entrée connectée en aval d'une sortie du codeur (2), laquelle sortie correspond à une entrée de la PLL (1), et une sortie connectée en amont d'une entrée (Cl) correspondante de l'unité de commande (3), afin que multiplexeur (41) aiguille sur l'entrée (Cl) de l'unité de commande (3) soit un signal filtré (SOI) du codeur (2), soit un signal (Si) directement issu du codeur (2).
4. 4. Procédé de réduction du bruit selon la revendication précédente, caractérisé par la sélection, sur tout ou partie des voies sortant du codeur (2), des PLL (1) uniquement lorsque chacune desdites PLL (1) sont accrochées.30