FR3115870A1 - Capteur de position angulaire - Google Patents

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Abstract

Capteur de position angulaire (1) d’un rotor (R) rotatif selon un axe (A) relativement à un stator (S), comprenant une cible (C) ferromagnétique, de section transversale sensiblement ovoïde, solidaire en rotation de l’un parmi le rotor (R) ou le stator (S), et un élément sensible comprenant un premier jeu (J1) de bobines (L11, L12, L13, L14) angulairement équiréparties, solidaire en rotation de l’autre parmi le rotor (R) ou le stator (S), les bobines (L11, L12, L13, L14) étant axialement disposées au droit de la cible (C) afin d’être aptes à mesurer une distance à la cible (C) pour en déduire une position angulaire du rotor (R) relativement au stator (S). Figure d’abrégé : Figure 1

Description

Capteur de position angulaire
L’invention concerne un capteur de position angulaire.
Il est connu pour mesurer une position angulaire, par exemple, d’un rotor relativement à un stator, d’employer un résolveur. Un tel résolveur comporte une bobine primaire emportée par le rotor. Cette bobine primaire nécessite un circuit complexe d’alimentation/excitation. Le stator comprend au moins une première bobine secondaire. Cette première bobine secondaire voit à ses bornes une tension variant sinusoïdalement en fonction de la position angulaire de la bobine primaire et du rotor. Avantageusement, le stator comprend une deuxième bobine secondaire, décalée d’un angle, avantageusement de 45° ou 90°. Cette deuxième bobine secondaire voit à ses bornes une tension similaire à la tension de la première bobine secondaire, déphasée dudit angle, en quadrature. Ainsi, l’amplitude du signal de la première bobine secondaire est indicative du sinus et l’amplitude du signal de la deuxième bobine secondaire est indicative du cosinus d’un angle de position angulaire du rotor relativement au stator.
Un tel résolveur présente un coût important. De plus, il est difficile à intégrer du fait de son encombrement important. Un autre inconvénient est son manque de solution d’approvisionnement alternative.
Il est encore connu d’utiliser un capteur à magnéto résistance anisotrope, AMR ou un capteur à magnéto résistance à effet tunnel, TMR. Un tel capteur est apte à détecter la position d’un aimant. Aussi, une cible magnétique est disposée, typiquement à la périphérie du rotor, et un capteur AMR ou TMR est apte à détecter la position angulaire de ladite cible magnétique.
L’usage d’un aimant additionnel conduit à un surcoût important, tant en matière, qu’en intégration.
Aussi, il est recherché une solution alternative permettant de mesurer une position angulaire.
Pour cela, l’invention a pour objet un capteur de position angulaire d’un rotor rotatif selon un axe relativement à un stator, comprend une cible ferromagnétique, de section transversale sensiblement ovoïde, solidaire en rotation de l’un parmi le rotor ou le stator, et un élément sensible comprenant un premier jeu de bobines angulairement équiréparties, solidaire en rotation de l’autre parmi le rotor ou le stator, les bobines étant disposées au droit de la cible afin d’être aptes à mesurer une distance à la cible pour en déduire une position angulaire du rotor relativement au stator.
Des caractéristiques ou des modes de réalisation particuliers, utilisables seuls ou en combinaison, sont :
- la section transversale de la cible comprend un nombre d’excroissance égal à la moitié du cardinal d’un jeu,
- l’élément sensible comprend encore un deuxième jeu de bobines, de même cardinal que le premier jeu, les bobines du deuxième jeu étant angulairement équiréparties entre elles et angulairement intercalées au milieu des bobines du premier jeu,
- les bobines sont disposées radialement, relativement à l’axe,
- les bobines d’un jeu sont connectées en série magnétique,
- la section transversale de la cible présente deux excroissances symétriques,
- le cardinal du premier jeu, respectivement du deuxième jeu, est égal à 4, et les bobines du premier jeu, respectivement les bobines du deuxième jeu, sont connectées selon un pont de Wheatstone,
- le pont de Wheatstone est alimenté, entre deux premiers points diagonaux, par deux signaux carrés en opposition de phase,
- la mesure est relevée, sur le pont de Wheatstone, entre deux deuxièmes points diagonaux, distincts des deux premiers points diagonaux,
- le capteur comprend encore un amplificateur différentiel, pour traiter la mesure relevée entre les deux deuxièmes points diagonaux,
- le capteur comprend encore un résonateur, comportant un premier condensateur disposé entre les deux deuxièmes points diagonaux et un deuxième condensateur disposé entre les deux premiers points diagonaux,
- les bobines sont des bobines de type montable en surface, SMD, montées sur un circuit imprimé, disposé perpendiculairement à l’axe,
- le capteur comprend encore une unité de traitement de mesure de type résolveur.
Dans un deuxième aspect de l’invention, un ensemble moteur sans balai à courant continu, comprenant un moteur sans balai à courant continu et un tel capteur de position angulaire.
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 :
illustre, vu en bout d’arbre, la disposition des bobines,
illustre le câblage des bobines d’un jeu,
illustre le principe de câblage jusqu’à l’unité de traitement,
illustre le câblage détaillé,
,
et
montrent les signaux de mesure obtenus pour les positions angulaires 0°, 45°-Δ et 90°.
Tel qu’illustré à la , un capteur de position angulaire 1, apte à mesurer la position angulaire relative entre un rotor R et un stator S, le rotor R et la rotation présentant un axe A, comprend d’une part une cible C et d’autre part un élément sensible. La cible C est ferromagnétique, par exemple en acier, afin de faire varier le champ magnétique dans une bobine et présente une section transversale, relativement à l’axe A, ovoïde. Cette cible C est solidaire en rotation du rotor R, telle que représentée à la ou selon un mode de réalisation alternatif, solidaire du stator S. L’élément sensible comprend un premier jeu J1 de bobines L11, L12, L13, L14. Le jeu J1 est solidaire en rotation du stator S, tel que représenté à la ou selon le mode de réalisation alternatif, solidaire du rotor R. Préférentiellement la cible C est solidaire du rotor R. Il est en effet plus facile de connecter les bobines L11, L12, L13, L14 à une électronique de traitement depuis le stator. Les bobines L11, L12, L13, L14 angulairement équiréparties autour de l’arbre A, soit tous les 360°/n avec n le nombre de bobines / cardinal d’un jeu. Ainsi 2 (n = 2) bobines sont disposées à 180°, diamétralement opposées, l’une de l’autre. 3 (n = 3) bobines sont disposées à 120°. 4 (n = 4) bobines, telles que représentées, sont disposées à 90°. 8 (n = 8) bobines sont disposées à 45°. Les bobines L11, L12, L13, L14 sont axialement disposées au droit de la cible C afin d’être aptes à mesurer une distance à la cible C et sa variation pour en déduire une position angulaire du rotor R relativement au stator S.
La section transversale de la cible C présente un rayon variable afin que l’entrefer, tel que vu par une bobine, varie continûment en fonction de la position angulaire. Cette section transversale se répète avantageusement sur une certaine longueur axiale, suffisante afin d’être vue par les bobines et permettant de tolérer un éventuel décalage axial des bobines. Cependant, les bobines sont théoriquement toutes disposées sur une même section transversale, dans un même plan.
Le fait que la cible C soit passive, comparativement à un résolveur, où l’équivalent de la cible est la bobine primaire, permet de supprimer un coûteux circuit d’excitation de ladite bobine primaire. Ce circuit d’excitation comprend un générateur de tension sinusoïdale comprenant typiquement un amplificateur audio. L’invention permet d’éviter un tel circuit et de réduire le coût d’autant.
Le rayon de la section transversale de la cible C varie de préférence continûment afin de produire une variation continue de la mesure. La mesure est avantageusement souhaitée sinusoïdale, alors même que la variation magnétique est quadratique.
Le rayon de la section transversale de la cible C varie entre une valeur minimale et une valeur maximale, où la cible C présente une excroissance E. Selon une autre caractéristique, la cible C comprend un nombre d’excroissance E égal à la moitié du cardinal n d’un jeu J1, J2. Ainsi, sur l’exemple illustré, la cible C comprend 2 excroissances E et chaque jeu J1, J2 comprend 4 bobines. Selon un mode de réalisation la section transversale de la cible C est ellipsoïdale.
Ainsi, théoriquement, le principe de l’invention est applicable à un capteur comprenant une cible C présentant une unique excroissance E avec au moins un jeu J1, J2 de bobines comprenant 2 bobines. Une telle réalisation complique la réalisation de la cible C qui présente une forme excentrique de came. La présence de 2 bobines par jeu J1, J2 diminue nettement la sensibilité du capteur. De plus, 2 bobines interdisent la caractéristique décrite plus avant, très avantageuse, du pont de Wheatstone.
Cette caractéristique a encore pour conséquence que le cardinal d’un jeu J1, J2 est nécessairement pair.
Selon une autre caractéristique, l’élément sensible comprend encore un deuxième jeu J2 de bobines L21, L22, L23, L24. Le cardinal du deuxième jeu J2 est identique au cardinal du premier jeu J1. Les bobines L21, L22, L23, L24 du deuxième jeu J2 sont, à l’instar des bobines du premier jeu J1, angulairement équiréparties entre elles. De plus, elles sont angulairement intercalées au milieu des bobines L11, L12, L13, L14 du premier jeu J1. Ainsi, chaque bobine L21, L22, L23, L24 du deuxième jeu J2 est disposée au milieu entre deux bobines du premier jeu J1. Ainsi, le deuxième jeu J2 est angulairement décalé de 360°/2n relativement au premier jeu J1. Ainsi, pour une configuration à n=4 bobines par jeu J1, J2, les 4 bobines du deuxième jeu J2 sont disposées à 45° des 4 bobines du premier jeu J1.
Selon une autre caractéristique, les bobines L11, L12, L13, L14, L21, L22, L23, L24 sont disposées de manière à présenter une sensibilité maximale à la variation d’entrefer ou de distance à la cible C. Ceci est obtenu avec une disposition radiale, l’axe d’une bobine étant disposé radialement relativement à l’axe A.
De même, la question se pose de l’orientation/sens physique des bobines d’un même jeu J1, J2. Il est possible de disposer les bobines d’un même jeu J1, J2 selon une configuration où toutes les bobines du jeu J1, J2 présentent une même polarité magnétique, soit en série magnétique. Alternativement, le cardinal n étant pair, il est possible d’alterner la polarité magnétique d’une bobine sur deux, au sein d’un même jeu J1, J2, selon une configuration en opposition magnétique. Les deux configurations en série magnétique ou en opposition magnétique sont possibles et fonctionnelles. Cependant, une simulation a montré qu’une meilleure sensibilité du capteur était obtenu pour une connexion des bobines d’un même jeu J1, J2 en série magnétique. Aussi, cette configuration est préférée.
Sur les schémas des figures 2 et 4, des points notés à côté des bobines L1, L2, L3, L4 repèrent les extrémités des bobines en regard de la cible C.
Selon une autre caractéristique, la section transversale de la cible C présente 2 excroissances E symétriques. Cette configuration préférée est celle illustrée sur la . La symétrie impose que les 2 excroissances soient identiques et diamétralement opposées. La section est ici avantageusement ellipsoïdale.
Avantageusement le cardinal du premier jeu J1 est égal à 4. Aussi, le cardinal du deuxième jeu J2, est égal à 4. Selon une autre caractéristique particulièrement avantageuse, les 4 bobines L11, L12, L13, L14 du premier jeu J1 sont connectées selon un pont de Wheatstone. De même, avantageusement, les 4 bobines L21, L22, L23, L24 du deuxième jeu J2 sont connectées selon un pont de Wheatstone.
Sur les figures 2 et 4, les 4 bobines sont repérées L1, L2, L3, L4 et représentent respectivement les bobines L11, L12, L13, L14 du premier jeu J1 ou les bobines L21, L22, L23, L24 du deuxième jeu J2.
A la , le pont de Wheatstone et les 4 bobines d’un jeu sont figurés par un losange en trait fort.
Cette configuration en pont de Wheatstone permet d’atténuer les dérives thermiques des composants, d’augmenter la sensibilité de la mesure et de compenser d’éventuelles tolérances de positionnement des bobines.
Avantageusement, cette configuration permet que les bobines d’un même jeu J1, J2, génèrent elles-mêmes le flux magnétique au travers de la cible C. Ainsi la cible C peut être passive, ce qui est avantageux relativement à un résolveur.
Le fait d’avoir toutes les bobines alimentées simultanément produit un flux magnétique traversant la cible C dont la somme est à peu près constante.
Selon une autre caractéristique, visible aux figures 2-4, pour chacun des ponts de Wheatstone de chacun des jeux J1, J2, le pont de Wheatstone est alimenté, entre deux premiers points diagonaux Vsp, Vsn, par deux signaux carrés en opposition de phase.
Le signal d’alimentation / excitation SE appliqué en Vsn est un signal carré, variant entre une tension basse, par exemple 0V, et une tension haute, par exemple 5V. Il est varié périodiquement selon une période, par exemple, de 20 µs / fréquence de 50 kHz correspondant ici à la fréquence de résonnance du capteur 1, tel que décrit plus loin, avec un rapport cyclique de 50 %. Le signal complémentaire appliqué en Vsp est le signal complémentaire à 5V ou signal en opposition de phase.
Le signal d’alimentation / excitation SE est avantageusement produit par l’unité de traitement U, qui assure le traitement des signaux S1, S2, mesurés entre Vp et Vn, issus des bobines, pour produire la position angulaire. Un même signal d’excitation SE peut avantageusement être utilisé pour exciter les deux ponts de Wheatstone des deux jeux J1, J2.
Tel qu’illustré aux figures 2-4, selon une autre caractéristique, la mesure S1, S2 est relevée, sur le pont de Wheatstone, entre deux deuxièmes points diagonaux Vp, Vn, distincts des deux premiers points diagonaux Vsp, Vsn, d’alimentation / excitation. Ceci est réalisé pour chacun des jeux J1, J2 pour obtenir deux signaux de mesure S1, S2.
Tel qu’illustré aux figures 3-4, selon une autre caractéristique, les deux potentiels mesurés aux deux deuxièmes points diagonaux Vp, Vn, sont transmis à un amplificateur différentiel AOP, pour traitement différentiel de la mesure. Sur la , les amplificateurs AOP1 et AOP2 implémentent un amplificateur différentiel, équivalent à celui AOP de la .
Selon une autre caractéristique, chaque pont Wheatstone / jeu J1, J2 présente une fréquence de résonnance. Cette fréquence de résonnance est équivalente à la fréquence de résonnance d’une bobine, sous l’hypothèse retenue que les 4 bobines d’un jeu J1, J2 soient identiques. Aussi, avantageusement le signal d’excitation SE appliqué à un pont de Wheatstone présente une fréquence égale à cette fréquence de résonance. Ceci permet d'éviter d'avoir des courants d'excitation des bobinages trop élevés pour ces ports de sortie de l’unité de traitement U.
Pour cela le capteur 1 comprend un résonateur. Pour chaque pont de Wheatstone / jeu J1, J2, le résonateur comporte un premier condensateur C1 disposé entre les deux deuxièmes points diagonaux Vp, Vn, utilisés pour l’excitation SE du jeu J1, J2 et un deuxième condensateur C2 disposé entre les deux premiers points diagonaux Vsp, Vsn, utilisés pour les mesures S1, S2. Ceci réalise une auto-excitation par résonance des bobines. La valeur des condensateurs C1, C2 est adaptée à la fréquence de travail du capteur. Ainsi par exemple pour du 50kHz, C1 = C2 = 100 nF.
Ces condensateurs C1, C2 sont avantageusement complétés par des résistances R10, R11 connectées en série aux points Vsp, Vsn. Ces résistances permettent de réduire les courants d’excitation SE issus de l’unité de traitement U.
Tout ceci, en relation avec les bobines d’un jeu J1, J2 permet « d’arrondir » les signaux carrés injectés en excitation SE pour produire des signaux de mesure S1, S2 sinusoïdaux.
Selon une autre caractéristique, les bobines L11, L12, L13, L14, L21, L22, L23, L24 sont des bobines de type montable en surface ou SMD (de l’anglais « Surface Mount Device » : composant monté en surface). De telles bobines SMD sont montées sur un circuit imprimé. Ceci permet un montage sur un circuit imprimé plan, avantageusement disposé perpendiculairement à l’axe A.
Selon une autre caractéristique avantageuse, le circuit imprimé est confondu avec celui de l’unité de traitement U ou calculateur et permet de grandement simplifier l’intégration. Ainsi, pour un résolveur, nécessairement disposé en bout d’arbre, et de ce fait non intégrable à proximité de l’unité de traitement U, un câble de 6 fils est nécessaire entre unité de traitement U et résolveur. La caractéristique de bobines SMD intégrées sur le circuit imprimé de l’unité de traitement U permet avantageusement de supprimer ce câble de 6 fils.
Les figures 5, 6 7, illustrent d’une part le signal carré d’excitation SE et d’autre part les signaux S1, S2 mesurés pour chacun des jeux J1, J2 de bobines. Le signal d’excitation est un signal carré de fréquence 50 kHz. Les signaux S1 et S2 sont des sinusoïdes, en opposition de phase l’une relativement à l’autre, et de même fréquence, égale à la fréquence du signal d’excitation SE. La montre les signaux SE, S1, S2 lorsque l’angle/la position angulaire entre rotor R et stator S est égal à 0°. Il est observé une amplitude maximale du signal S1 et du signal S2. La montre les signaux lorsque l’angle/la position angulaire entre rotor R et stator S est quasiment égal à 45°. Il est observé une amplitude minimale, quasi nulle, du signal S1 et du signal S2. La montre les signaux lorsque l’angle/la position angulaire entre rotor R et stator S est égale à 90°. Il est observé une amplitude maximale du signal S1 et du signal S2, cependant en opposition de phase relativement aux mêmes signaux S1, S2 de la / position 0°.
Il peut être noté que le montage mécanique et électrique des bobines entraîne qu’il est possible de distinguer lorsque les excroissances E sont en regard des bobines L11, L13 ou des bobines L12, L14. Cependant, du fait de la symétrie mécanique et électrique, il n’est pas possible de distinguer lorsque les excroissances E sont en regard des bobines L11, L13 et des bobines L13, L11 et de même de distinguer lorsque les excroissances E sont en regard des bobines L12, L14 et des bobines L14, L12. Aussi, la position angulaire déterminée par le capteur 1, dans sa configuration à 4 bobines par jeu J1, J2, est obtenue modulo 180°.
Les signaux de mesure S1, S2 obtenus par le capteur 1 sont des signaux sinusoïdaux, en quadrature de phase et dont l’amplitude est indicative de la position angulaire. A cet égard, ils sont identiques aux signaux, classiquement appelés Sinus et Cosinus, issus d’un résolveur. Aussi, selon une autre caractéristique, ces signaux S1, S2 sont avantageusement traitables au moyen d’une unité de traitement U pour résolveur. Le capteur 1 intègre avantageusement une telle unité de traitement U de traitement/conditionnement de mesure de type résolveur afin de transformer les signaux de mesure S1, S2 en position angulaire.
L’invention concerne encore un ensemble moteur sans balai à courant continu, comprenant un moteur sans balai à courant continu et un capteur de position angulaire 1 selon l’invention. Un tel ensemble moteur, pour peu que le moteur comprenne un nombre de pôles pair et au moins égal à 4 pôles, s’accommode aisément du fait que la mesure soit obtenue modulo 180°.
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.
1 : capteur,
A : axe,
AOP : amplificateur opérationnel,
C : cible,
C1, C2 : condensateurs,
E : excroissance,
J1, J2 : jeu de bobines,
L1, L2, L3, L4, L11, L12, L13, L14, L21, L22, L23, L24 : bobines,
R : rotor,
S : stator,
U : unité de traitement,
Vp, Vn, Vsp, Vsn : points.

Claims (14)

  1. Capteur de position angulaire (1) d’un rotor (R) rotatif selon un axe (A) relativement à un stator (S), caractérisé en ce qu’il comprend une cible (C) ferromagnétique, de section transversale sensiblement ovoïde, solidaire en rotation de l’un parmi le rotor (R) ou le stator (S), et un élément sensible comprenant un premier jeu (J1) de bobines (L11, L12, L13, L14) angulairement équiréparties, solidaire en rotation de l’autre parmi le rotor (R) ou le stator (S), les bobines (L11, L12, L13, L14) étant disposées au droit de la cible (C) afin d’être aptes à mesurer une distance à la cible (C) pour en déduire une position angulaire du rotor (R) relativement au stator (S).
  2. Capteur (1) selon la revendication précédente, où l’élément sensible comprend encore un deuxième jeu (J2) de bobines (L21, L22, L23, L24), de même cardinal que le premier jeu (J1), les bobines (L21, L22, L23, L24) du deuxième jeu (J2) étant angulairement équiréparties entre elles et angulairement intercalées au milieu des bobines (L11, L12, L13, L14) du premier jeu (J1).
  3. Capteur (1) selon la revendication précédente, où la section transversale de la cible (C) comprend un nombre d’excroissance (E) égal à la moitié du cardinal d’un jeu (J1, J2).
  4. Capteur (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, où les bobines (L11, L12, L13, L14, L21, L22, L23, L24) sont disposées radialement, relativement à l’axe (A).
  5. Capteur (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, où les bobines d’un jeu (J1, J2) sont connectées en série magnétique.
  6. Capteur (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, où la section transversale de la cible (C) présente deux excroissances (E) symétriques.
  7. Capteur (1) selon l’une quelconque des revendications 2 à 6 où le cardinal du premier jeu (J1), respectivement du deuxième jeu (J2), est égal à 4, et les bobines (L11, L12, L13, L14) du premier jeu (J1), respectivement les bobines (L21, L22, L23, L24) du deuxième jeu (J2), sont connectées selon un pont de Wheatstone.
  8. Capteur (1) selon la revendication précédente, où le pont de Wheatstone est alimenté, entre deux premiers points diagonaux (Vsp, Vsn), par deux signaux carrés (SE) en opposition de phase.
  9. Capteur (1) selon la revendication précédente, où la mesure (S1, S2) est relevée, sur le pont de Wheatstone, entre deux deuxièmes points diagonaux (Vp, Vn), distincts des deux premiers points diagonaux (Vsp, Vsn).
  10. Capteur (1) selon la revendication précédente, comprenant encore un amplificateur différentiel (AOP), pour traiter la mesure (S1, S2) relevée entre les deux deuxièmes points diagonaux (Vp, Vn).
  11. Capteur (1) selon l’une quelconque des revendications 9 à 10, comprenant encore un résonateur, comportant un premier condensateur (C1) disposé entre les deux deuxièmes points diagonaux (Vp, Vn) et un deuxième condensateur (C2) disposé entre les deux premiers points diagonaux (Vsp, Vsn).
  12. Capteur (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, où les bobines (L11, L12, L13, L14, L21, L22, L23, L24) sont des bobines de type montable en surface, SMD, montées sur un circuit imprimé, disposé perpendiculairement à l’axe (A).
  13. Capteur (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant une unité de traitement de mesure de type résolveur.
  14. Ensemble moteur sans balai à courant continu, comprenant un moteur sans balai à courant continu et un capteur de position angulaire (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes.
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