FR3114706A1 - Device for converting a sine/cosine position signal into a speed signal - Google Patents
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Abstract
Dispositif de conversion (1) d’un signal de position (2) de type sinus et/ou cosinus issu d’un résolveur ou équivalent en un signal de vitesse (3), comprenant un filtre passe haut (4) suivi d’un redresseur (5). Figure d’abrégé : Figure 1Device for converting (1) a position signal (2) of the sine and/or cosine type coming from a resolver or equivalent into a speed signal (3), comprising a high pass filter (4) followed by a rectifier (5). Abstract Figure: Figure 1
Description
L’invention concerne le domaine de la mesure de vitesse et plus précisément pour des machines à haute vitesse, soit une vitesse angulaire supérieure à 50000 tr.min-1. Plus particulièrement l’invention propose un convertisseur apte à reconstruire un signal de vitesse à partir d’un signal sinus et/ou cosinus, du type de celui produit par un capteur habituellement utilisé pour de telles machines.The invention relates to the field of speed measurement and more precisely for high-speed machines, ie an angular speed greater than 50,000 rpm . More particularly, the invention proposes a converter capable of reconstructing a speed signal from a sine and/or cosine signal, of the type produced by a sensor usually used for such machines.
Il est connu de mesurer directement une vitesse d’une pièce en mouvement linéaire ou rotatif par un capteur de vitesse. Cependant, dans certaines applications il n’est pas possible, pour des questions de coût ou d’encombrement, d’employer un tel capteur de vitesse. Une alternative avantageuse, lorsqu’un capteur de position est présent consiste à reconstruire un signal de vitesse à partir du signal de position.It is known to directly measure the speed of a part in linear or rotary motion by a speed sensor. However, in some applications it is not possible, for reasons of cost or size, to use such a speed sensor. An advantageous alternative, when a position sensor is present, consists in reconstructing a speed signal from the position signal.
Une reconstruction d’un signal de vitesse peut être calculatoire. Une telle approche nécessite un calculateur relativement puissant pour reconstruire un signal de vitesse à partir d’un signal de position. Selon un premier mode de réalisation, ceci se fait par dérivation du signal de position en fonction du temps. Cependant un tel mode de réalisation produit un signal vitesse très bruité, le rendant inexploitable, notamment pour une application de pilotage à haute vitesse. Selon un autre mode de réalisation, ceci se fait, toujours par calcul, au moyen de régulateurs. Cependant pour des vitesses ou des accélérations élevées, une approche calculatoire rencontre ses limites en termes de temps de réponse. Un pilotage basé sur un signal de vitesse ainsi obtenu conduit à un dépassement ou débordement (en anglais « overshot ») au niveau du pilotage.A reconstruction of a speed signal can be computational. Such an approach requires a relatively powerful computer to reconstruct a velocity signal from a position signal. According to a first embodiment, this is done by deriving the position signal as a function of time. However, such an embodiment produces a very noisy speed signal, making it unusable, in particular for a high-speed piloting application. According to another embodiment, this is done, still by calculation, by means of regulators. However, for high speeds or accelerations, a computational approach meets its limits in terms of response time. Piloting based on a speed signal thus obtained leads to an overshot or overflow at the piloting level.
Aussi il est recherché une autre approche permettant d’améliorer notamment le temps de réponse lors de la reconstruction d’un signal vitesse.Also, another approach is being sought that can improve the response time in particular during the reconstruction of a speed signal.
Afin de résoudre ce problème, l’invention concerne un dispositif de conversion d’un signal de position de type sinus et/ou cosinus issu d’un résolveur ou équivalent en un signal de vitesse, comprenant un filtre passe haut suivi d’un redresseur.In order to solve this problem, the invention relates to a device for converting a position signal of the sine and/or cosine type coming from a resolver or equivalent into a speed signal, comprising a high-pass filter followed by a rectifier .
Des caractéristiques ou des modes de réalisation particuliers, utilisables seuls ou en combinaison, sont :
- le filtre passe haut est du premier ordre,
- la fréquence de coupure du filtre passe haut est supérieure à la vitesse la plus rapide mesurable,
- le filtre passe haut comprend un premier condensateur en série et une première résistance en parallèle,
- le redresseur comprend un pont de diodes,
- le dispositif comprend encore un deuxième condensateur disposé en parallèle à l’aval du redresseur et une deuxième résistance disposée en parallèle à l’aval du deuxième condensateur,
- le dispositif est appliqué au signal sinus ou au signal cosinus.Particular characteristics or embodiments, which can be used alone or in combination, are:
- the high pass filter is first order,
- the cutoff frequency of the high pass filter is higher than the fastest measurable speed,
- the high pass filter comprises a first capacitor in series and a first resistor in parallel,
- the rectifier includes a diode bridge,
- the device further comprises a second capacitor arranged in parallel downstream of the rectifier and a second resistor arranged in parallel downstream of the second capacitor,
- the device is applied to the sine signal or to the cosine signal.
Dans un deuxième aspect de l’invention, un dispositif de conversion d’un signal de position de type sinus et cosinus issu d’un résolveur ou équivalent en un signal de vitesse, comprend un premier tel dispositif appliqué au signal sinus et un deuxième tel dispositif appliqué au signal cosinus, additionnés en sortie.In a second aspect of the invention, a device for converting a sine and cosine type position signal from a resolver or equivalent into a speed signal, comprises a first such device applied to the sine signal and a second such device applied to the cosine signal, added at the output.
Dans un troisième aspect de l’invention, un capteur de vitesse comprenant un capteur de position de type résolveur ou équivalent apte à fournir un signal de position de type sinus et/ou cosinus, comprenant encore un tel dispositif, appliqué au signal de position de type sinus et/ou cosinus, afin de le convertir en un signal de vitesse.In a third aspect of the invention, a speed sensor comprising a resolver or equivalent type position sensor capable of supplying a position signal of the sine and/or cosine type, further comprising such a device, applied to the position signal of sine and/or cosine type, in order to convert it into a speed signal.
Dans un quatrième aspect de l’invention, un système de pilotage d’un moteur synchrone à aimant permanent comprenant un moteur, un capteur de position de type résolveur ou équivalent apte à fournir un signal de position de type sinus et/ou cosinus, un contrôleur apte à piloter le moteur à partir d’une mesure de position obtenue à partir du capteur de position et d’une mesure de vitesse, comprenant encore un tel dispositif, afin de convertir le signal de position de type sinus et/ou cosinus en un signal de vitesse, à l’attention du contrôleur.In a fourth aspect of the invention, a system for driving a permanent magnet synchronous motor comprising a motor, a position sensor of the resolver type or equivalent able to supply a position signal of the sine and/or cosine type, a controller capable of controlling the motor from a position measurement obtained from the position sensor and from a speed measurement, further comprising such a device, in order to convert the sine and/or cosine type position signal into a speed signal, to the attention of the controller.
L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, faite uniquement à titre d’exemple, et en référence aux figures en annexe dans lesquelles :The invention will be better understood on reading the following description, given solely by way of example, and with reference to the appended figures in which:
L’invention concerne un dispositif de conversion 1 d’un signal de position 2 de type sinus et/ou cosinus issu d’un résolveur ou équivalent en un signal de vitesse 3. L’invention s’applique plus particulièrement aux machines à haute vitesse. On entend par haute vitesse une vitesse angulaire supérieure à 50000 tr.min-1.The invention relates to a device 1 for converting a position signal 2 of the sine and/or cosine type coming from a resolver or equivalent into a speed signal 3. The invention applies more particularly to high-speed machines . By high speed is meant an angular speed greater than 50,000 rpm .
De manière connu, un résolveur P est un capteur qui observe un déplacement, linéaire ou rotatif, et qui fournit en sortie au moins un signal sinusoïdal. Ce signal sinusoïdal est un signal alternatif d’amplitude fixe et dont la fréquence varie en fonction de la vitesse de rotation. Ce signal est présenté en entrée du dispositif 1, qui assure une démodulation et une conversion de ce signal.In known manner, a P resolver is a sensor which observes a displacement, linear or rotary, and which outputs at least one sinusoidal signal. This sinusoidal signal is an alternating signal of fixed amplitude and whose frequency varies according to the speed of rotation. This signal is presented at the input of device 1, which demodulates and converts this signal.
Un tel résolveur P fournit généralement en sortie deux signaux déphasés de π/2 : un signal nommé sinus et un signal nommé cosinus. La position est obtenue de manière connue au moyen de la formule position = arctangente (sinus/cosinus).Such a resolver P generally outputs two phase-shifted signals by π/2: a signal called sine and a signal called cosine. The position is obtained in a known way by means of the formula position = arctangent (sine/cosine).
Un résolveur P peut être un résolveur classique, un capteur à effet hall de type AMR ou TMR ou encore un capteur inductif.A resolver P can be a conventional resolver, an AMR or TMR type hall effect sensor or even an inductive sensor.
Tel qu’illustré à la figure 1, un dispositif de conversion 1 est un dispositif électronique. Il reçoit en entrée, à gauche de la figure, un signal de position 2 de type sinus et/ou cosinus issu d’un résolveur P ou équivalent, tel que décrit précédemment, pour le convertir en un signal de vitesse 3, à droite de la figure.As shown in Figure 1, a conversion device 1 is an electronic device. It receives as input, on the left of the figure, a position signal 2 of the sine and/or cosine type from a resolver P or equivalent, as described above, to convert it into a speed signal 3, on the right of the figure.
Pour réaliser une telle conversion, selon une caractéristique de l’invention, le dispositif 1 comprend un filtre passe haut 4 suivi d’un redresseur 5.To perform such a conversion, according to a characteristic of the invention, the device 1 comprises a high pass filter 4 followed by a rectifier 5.
Pour le bon fonctionnement de l’invention, l’ordre du filtre passe haut 4 peut être quelconque. Cependant un fonctionnement satisfaisant est observé dès le premier ordre. Aussi, afin de simplifier et réduire les coûts, selon une autre caractéristique, le filtre passe haut 4 est du premier ordre.For the proper functioning of the invention, the order of the high pass filter 4 can be arbitrary. However, satisfactory operation is observed from the first order. Also, in order to simplify and reduce costs, according to another characteristic, the high pass filter 4 is of the first order.
La partie utile du filtre passe haut 4 est, paradoxalement, la partie située en dessous de la fréquence de coupure. Tel qu’illustrée à la figure 5, montrant la fonction de transfert du filtre passe haut 4 d’un dispositif 1, 10, la rampe initiale, ou partie en dessous de la fréquence de coupure Fc, présente une pente sensiblement constante, de -20 dB / décade. La pente de la rampe initiale du filtre passe haut 4 permet de produire un gain variable en fonction de la fréquence du signal de position 2. Ce gain variable assure la conversion et l’obtention du signal de vitesse 3.The useful part of the high pass filter 4 is, paradoxically, the part located below the cutoff frequency. As illustrated in FIG. 5, showing the transfer function of the high-pass filter 4 of a device 1, 10, the initial ramp, or part below the cut-off frequency Fc, has a substantially constant slope, of - 20 dB / decade. The slope of the initial ramp of the high pass filter 4 makes it possible to produce a variable gain as a function of the frequency of the position signal 2. This variable gain ensures the conversion and the obtaining of the speed signal 3.
Ainsi, le dispositif 1, 10 selon l’invention fonctionne y compris dans le cas où le signal d’entrée 2 présente une porteuse haute fréquence à 10 ou 11 kHz, correspondant à la fréquence d’excitation d’un résolveur classique ou à effet hall, cette fréquence n’entraînant pas de variation de gain.Thus, the device 1, 10 according to the invention operates even in the case where the input signal 2 has a high frequency carrier at 10 or 11 kHz, corresponding to the excitation frequency of a conventional resolver or effect hall, this frequency causing no gain variation.
La figure 4 montre sur un graphique en fonction du temps, le signal d’entrée 2 du dispositif 1. Il s’agit donc du signal sinus ou cosinus issu du capteur de position P. La figure 4 montre encore un signal intermédiaire 6, mesurable à la sortie de l’étage d’entrée comprenant le filtre passe haut, avant le pont de diodes. La vitesse recherchée est proportionnelle à l’amplitude du signal intermédiaire 6. La figure 4 montre encore le signal de sortie 3, soit le signal mesuré après l’étage de sortie comprenant le pont de diode et le filtre de sortie R4, C6, indicatif de la vitesse.Figure 4 shows on a graph as a function of time, the input signal 2 of the device 1. It is therefore the sine or cosine signal from the position sensor P. Figure 4 still shows an intermediate signal 6, measurable at the output of the input stage including the high pass filter, before the diode bridge. The speed sought is proportional to the amplitude of the intermediate signal 6. FIG. 4 again shows the output signal 3, i.e. the signal measured after the output stage comprising the diode bridge and the output filter R4, C6, indicative speed.
Afin que le dispositif 1 puisse être utilisé sur toute la plage de fonctionnement de vitesse, il convient que sa fréquence de coupure soit supérieure à la vitesse la plus rapide mesurable, soit à la vitesse maximale de l’objet mobile observé. Il convient encore que la fréquence de coupure soit inférieure à la fréquence de la porteuse ou fréquence d’excitation appliqué à la bobine primaire dans le cas d’un capteur P présentant une telle fréquence d’excitation, tel un résolveur classique.In order for the device 1 to be able to be used over the entire speed operating range, its cut-off frequency should be higher than the fastest measurable speed, i.e. the maximum speed of the moving object observed. The cut-off frequency should also be lower than the carrier frequency or excitation frequency applied to the primary coil in the case of a P sensor having such an excitation frequency, such as a conventional resolver.
Ainsi pour une machine tournante pouvant atteindre une vitesse de 100 000 tr/mn, soit 1666 tr/s, le filtre passe haut est configuré pour présenter une fréquence de coupure de 1666 Hz.Thus for a rotating machine that can reach a speed of 100,000 rpm, i.e. 1666 rpm, the high-pass filter is configured to have a cut-off frequency of 1666 Hz.
Selon une autre caractéristique, le filtre passe haut 4, comprend un premier condensateur C3, C5 en série et une première résistance R6, R11 en parallèle. De manière connue, ces deux composants C3, C5, R6, R11, déterminent la fréquence de coupure Fc, selon la formule Fc=1/2πRC, avec Fc la fréquence de coupure, C la capacité du premier condensateur C3, C5 et R la valeur de la première résistance R6, R11. Ainsi le filtre passe haut 5 illustré, à titre illustratif, présente une fréquence de coupure Fc = 339 Hz.According to another characteristic, the high pass filter 4 comprises a first capacitor C3, C5 in series and a first resistor R6, R11 in parallel. In a known way, these two components C3, C5, R6, R11, determine the cut-off frequency Fc, according to the formula Fc=1/2πRC, with Fc the cut-off frequency, C the capacitance of the first capacitor C3, C5 and R the value of the first resistor R6, R11. Thus the high-pass filter 5 illustrated, by way of illustration, has a cut-off frequency Fc=339 Hz.
Selon une autre caractéristique, le redresseur 5 comprend un pont de diodes D2-D5, D6-D8, D10. Ce pont redresseur a pour fonction de redresser le signal en un signal sensiblement continu. De plus le redresseur a pour fonction d’adapter le signal dans une plage de tension, par exemple 0 -3V, compatible d’un port d’entrée d’un calculateur.According to another characteristic, the rectifier 5 comprises a bridge of diodes D2-D5, D6-D8, D10. This bridge rectifier has the function of rectifying the signal into a substantially continuous signal. In addition, the rectifier has the function of adapting the signal to a voltage range, for example 0 -3V, compatible with a computer input port.
Selon une autre caractéristique, le dispositif 1 comprend encore un deuxième condensateur C6, C11 disposé en parallèle à l’aval du redresseur 5. Ce condensateur a pour fonction de réaliser un filtrage du signal. Le dispositif 1 comprend encore une deuxième résistance R4, R5 disposée en parallèle à l’aval du deuxième condensateur C6, C11. Cette résistance a pour fonction de charger le circuit.According to another feature, device 1 further comprises a second capacitor C6, C11 arranged in parallel downstream of rectifier 5. This capacitor has the function of filtering the signal. Device 1 further comprises a second resistor R4, R5 arranged in parallel downstream of second capacitor C6, C11. This resistor has the function of charging the circuit.
Selon une autre caractéristique, un dispositif 1, tel que précédemment décrit peut être appliqué soit au signal sinus, soit au signal cosinus.According to another feature, a device 1 as previously described can be applied either to the sine signal or to the cosine signal.
Tel qu’illustrée à la figure 2, l’invention concerne encore, afin d’utiliser les deux signaux, sinus et cosinus, issus d’un résolveur ou équivalent, un dispositif de conversion 10 d’un signal de position 2 de type sinus et cosinus en un signal de vitesse 3, réalisé en combinant deux dispositifs 1 tels que décrits précédemment. Un premier tel dispositif 1 traite le signal sinus et un deuxième tel dispositif 1traite le signal cosinus. Les sorties respectives des deux dispositifs 1 sont reliées en sortie afin d’être superposées. Cette superposition d’un signal de vitesse issu du signal sinus et d’un signal de vitesse issu du signal cosinus réalise une moyenne des deux et permet de réduire les ondulations, plus particulièrement à basse vitesse, permettant d’améliorer la qualité de la mesure de vitesse finale. De plus, cette superposition permet de réduire le filtre de sortie et ainsi d’assurer une meilleure dynamique du dispositif double 10.As illustrated in FIG. 2, the invention also relates, in order to use the two signals, sine and cosine, coming from a resolver or equivalent, to a device 10 for converting a position signal 2 of the sine type and cosine into a speed signal 3, produced by combining two devices 1 as previously described. A first such device 1 processes the sine signal and a second such device 1 processes the cosine signal. The respective outputs of the two devices 1 are connected at the output in order to be superimposed. This superposition of a speed signal from the sine signal and a speed signal from the cosine signal achieves an average of the two and makes it possible to reduce the ripples, more particularly at low speed, making it possible to improve the quality of the measurement. final speed. In addition, this superposition makes it possible to reduce the output filter and thus ensure better dynamics of the double 10 device.
L’invention concerne encore un capteur de vitesse. Ce capteur de vitesse comprend un capteur de position P de type résolveur ou équivalent apte à fournir un signal de position 2 de type sinus et/ou cosinus. Ce dernier est équipé d’un dispositif 1, 10 tel que décrit précédemment, appliqué au signal de position 2 de type sinus et/ou cosinus en sortie du capteur de position P afin de le convertir en un signal de vitesse 3.The invention also relates to a speed sensor. This speed sensor comprises a position sensor P of the resolver or equivalent type capable of supplying a position signal 2 of the sine and/or cosine type. The latter is equipped with a device 1, 10 as described previously, applied to the position signal 2 of the sine and/or cosine type at the output of the position sensor P in order to convert it into a speed signal 3.
Le pilotage d’un moteur synchrone à aimant permanent M (en anglais : « Permanent Magnet Synchronous Motor » ou PMSM) ou moteur sans balai à courant alternatif (en anglais « BrushLess Alternative Current » ou BLAC) nécessite classiquement une mesure de position 2 et une mesure de vitesse 3 de la partie mobile en translation ou en rotation (rotor). Aussi, il est avantageux de combiner un résolveur P pour obtenir une mesure de position 2 et un dispositif 1, 10 selon l’invention appliqué au résolveur P pour obtenir une mesure de vitesse 3.The control of a synchronous motor with permanent magnet M (in English: "Permanent Magnet Synchronous Motor" or PMSM) or brushless alternating current motor (in English "BrushLess Alternative Current" or BLAC) conventionally requires a measurement of position 2 and a speed measurement 3 of the movable part in translation or in rotation (rotor). Also, it is advantageous to combine a resolver P to obtain a position measurement 2 and a device 1, 10 according to the invention applied to the resolver P to obtain a speed measurement 3.
Aussi, tel qu’illustré à la figure 3, l’invention concerne encore un système de pilotage d’un moteur synchrone à aimant permanent comprenant un moteur M, un capteur de position P de type résolveur ou équivalent, mécaniquement relié au moteur M, apte à fournir un signal de position 2 de type sinus et/ou cosinus, indicatif de la position du moteur M, un contrôleur U apte à piloter le moteur M à partir d’une mesure de position 2 obtenue à partir du capteur de position P et d’une mesure de vitesse 3. Le système de pilotage comprend encore un dispositif 1, 10 tel que décrit précédemment. Ce dispositif, qu’il soit simple 1 (sinus ou cosinus), ou double 10 (sinus et cosinus) convertit le signal de position 2 (sinus et/ou cosinus) en un signal de vitesse 3, à l’attention du contrôleur U, qui peut alors piloter le moteur M.Also, as illustrated in Figure 3, the invention also relates to a system for controlling a permanent magnet synchronous motor comprising a motor M, a position sensor P of the resolver type or equivalent, mechanically connected to the motor M, capable of supplying a position signal 2 of the sine and/or cosine type, indicative of the position of the motor M, a controller U capable of controlling the motor M from a measurement of position 2 obtained from the position sensor P and a speed measurement 3. The piloting system further comprises a device 1, 10 as described above. This device, whether simple 1 (sine or cosine), or double 10 (sine and cosine) converts the position signal 2 (sine and/or cosine) into a speed signal 3, for the attention of the controller U , which can then drive the motor M.
L’invention a été illustrée et décrite en détail dans les dessins et la description précédente. Celle-ci doit être considérée comme illustrative et donnée à titre d’exemple et non comme limitant l’invention à cette seule description. De nombreuses variantes de réalisation sont possibles.The invention has been illustrated and described in detail in the drawings and the foregoing description. This must be considered as illustrative and given by way of example and not as limiting the invention to this description alone. Many variant embodiments are possible.
1 : dispositif simple,
2 : signal de position,
3 : signal de vitesse,
4 : filtre passe haut,
5 : redresseur,
6 : signal intermédiaire,
10 : dispositif double,
C3, C5 : condensateur filtre d’entrée,
C6, C11 : condensateur filtre de sortie,
D2-D8, D10 : diodes,
M : moteur,
P : capteur de position, résolveur,
R6, R11 : résistance filtre d’entrée,
R4, R5 : résistance filtre de sortie,
U : contrôleur.1: single device,
2: position signal,
3: speed signal,
4: high pass filter,
5: rectifier,
6: intermediate signal,
10: dual device,
C3, C5: input filter capacitor,
C6, C11: output filter capacitor,
D2-D8, D10: diodes,
M: engine,
P: position sensor, resolver,
R6, R11: input filter resistor,
R4, R5: output filter resistor,
U: controller.
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2020
- 2020-09-28 FR FR2009821A patent/FR3114706A1/en active Pending
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