FR2622967A1 - Transducteur de position et moteur pas a pas - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un transducteur de position en rotation. Elle se rapporte à un transducteur comprenant un rotor 40 ayant des dents espacées annulairement et un stator 30 ayant des pièces polaires qui ont des dents espacées annulairement en face des dents du rotor. Un ou plusieurs bobinages sont excités par une source de courant alternatif, et une ou plusieurs tensions induites sont produites et ont des composantes dont la caractéristique varie avec la position angulaire du rotor par rapport au stator. Le transducteur est avantageusement monté sur le même arbre qu'un moteur pas à pas associé et les couches de feuilletage du moteur et du transducteur sont identiques. Application aux circuits d'asservissement à moteur pas à pas.

Description

La présente invention concerne de façon générale des transducteurs de

position destinés à indiquer la position angulaire d'organes rotatifs, par exemple de moteurs pas à pas, utilisés pour une commande d'un mouvement dans des applications industrielles. Plus précisément, l'invention

concerne un appareil destiné à être fixé à un organe d'en-

traînement, par exemple l'arbre d'un moteur pas à pas, et destiné à donner un ou plusieurs signaux électriques de sortie ayant une ou plusieurs caractéristiques qui varient avec la position angulaire de l'organe d'entraînement, si

bien qu'une mesure précise de position est possible.

Des moteurs pas à pas des types généraux décrits dans les brevets des Etats-Unis d'Amérique n0 2 589 999, 2 982 872 et 3 343 014 sont actuellement très utilisés pour la commande de mouvements dans des éléments de machines

industrielles et autres. Bien que l'invention ait des ap-

plications potentielles en dehors de son utilisation avec de tels moteurs, ceux-ci constituent un exemple de l'état

de la technique et en particulier des problèmes et restric-

tions particuliers qui ont apparu lors de l'obtention et de l'utilisation de mesures précises de positions angulaires

dans des conditions de travail.

Les moteurs pas à pas du type précité comportent en général un rotor ayant un aimant permanent dont l'axe polaire est orient& suivant l'axe de l'arbre et, pour chaque pôle de l'aimant, une pièce polaire correspondante

du rotor ayant des dents espacées annulairement. Ils com-

portent aussi un stator ayant des pôles et des faces po-

laires ayant des dents espacées annulairement placées en

face des dents des pièces polaires du rotor. De tels mo-

teurs sont appelés "moteurs hybrides" de façon générale, car ils possèdent à la fois des éléments des moteurs à réluctance variable et des moteurs à aimant permanent. Lors d'une excitation convenable des bobinages de stator, le moteur peut avancer d'un ou plusieurs pas. Dans le cas d'un rotor ayant n dents, le pas des dents est égal à 2t/n, et l'amplitude angulaire d'un pas est égale au pas des dents

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divisé par le nombre de phases des bobinages du stator. Par exemple, s'il existe cinquante dents du rotor et quatre phases, chaque pas est égal à n/100 soit 1,8 . Il existe deux modes principaux de commande. Le premier est le mode à pas complet ou à demi-pas dans lequel le moteur avance d'angles élémentaires qui sont égaux à l'angle sous-tendu par une seule dent du rotor et un espace adjacent entre des dents ou à la moitié de cet angle. Le second mode forme des micropas, le moteur n'avançant pas suivant de tels pas élémentaires mais les bobinages du stator étant excités par

des courants sinusoïdaux et cosinusoldaux en quadrature.

Ces courants provoquent un déplacement régulier du champ magnétique dans le moteur plutôt que sous forme de pas angulaires discrets. Aux faibles vitesses, l'utilisation des micropas permet au moteur de travailler régulièrement, en étant pratiquement insensible aux problèmes posés par la

résonance, et permet des déplacements en position quel-

conque entre zéro et la position d'un pas complet.

Quel que soit le mode d'excitation, il est souvent nécessaire de disposer d'une mesure et d'une, indication précise du déplacement angulaire réel du moteur, soit pour l'obtention d'une indication directe soit dans un circuit à

rétroaction. Les dispositifs de détection de position uti-

lisés jusqu'à présent, tels que les codeurs optiques, les

dispositifs à effet Hall et les dispositifs magnétorésis-

tifs, ont présenté des difficultés. Dans ces dispositifs, des erreurs relatives à la précision des indications de position absolue sont dues à au moins l'une de plusieurs causes. De telles causes comprennent l'excentricité de l'arbre sur 360 , une faible résolution propre, du bruit qui peut introduire une erreur permanente dans l'indication

de position, et une sensibilité du dispositif à la tempé-

rature dans les conditions de travail, par exemple.lorsque le moteur pas à pas travaille à température élevée ou

variable.

L'invention a principalement pour objet un transduc-

teur formant des données précises et fiables de position

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angulaire sans introduction d'erreurs dues aux causes pré-

cédentes ni à d'autres, existant dans les transducteurs connus de détection de position, si bien que la précision

et la reproductibilité des performances sont accrues.

Un second objet de l'invention est la réalisation

d'un transducteur de détection de position dont la fabrica-

tion est relativement peu coûteuse, et en particulier d'un

transducteur qui a les mêmes matériaux et les mêmes confi-

gurations que ceux qui sont utilisés pour la fabrication

des moteurs pas à pas eux-mêmes.

Un troisième objet de l'invention est la réalisation d'un transducteur qui peut travailler d'une manière fiable dans les mêmes conditions que le moteur pas à pas et en

particulier un transducteur qui est insensible aux va-

riations de température ou aux températures extrêmes créées par le moteur lors du fonctionnement. De préférence, il est souhaitable que le transducteur puisse être logé dans le même boitier que le moteur pas à pas, et il peut être

partie intégrante du moteur si bien que l'espace est éco-

nomisé.

Un quatrième objet de l'invention est la réalisation d'un transducteur'qui n'augmente que faiblement le moment

d'inertie du moteur pas à pas lui-même.

Un cinquième objet de l'invention est la réalisation d'un transducteur qui ne comporte ni balai ni autre partie

d'usure si bien que les coûts d'entretien sont réduits.

Un sixième objet de l'invention est un transducteur destiné à travailler à la fois dans des circuits numériques et analogiques de rétroaction qui sont utilisés dans les

commandes de moteur pas à pas.

Plus précisément, l'invention concerne un transduc-

teur de position en rotation à réluctance variable compre-

nant un rotor d'un matériau magnétique ayant des dents espacées angulairement et un dispositif destiné à être fixé rigidement à un organe rotatif d'entraînement tel que l'arbre d'un moteur pas à pas, et un stator ayant une configuration de pôle qui a une face comprenant plusieurs dents espacées annulairement placées en face des dents du rotor. Une ou plusieurs tensions alternatives de porteuse sont transmises à un ou plusieurs bobinages polaires qui

induisent dans les bobinages des tensions ayant des compo-

santes qui varient en fonction de la position du rotor. La tension ou les tensions de sortie peuvent être appliquées à divers types de circuits de détection et de conversion sous

forme de signes correspondants de position.

Les tensions de sortie ainsi induites sont dues aux variations de la réluctance des trajets magnétiques passant dans les bobinages des pôles du stator. Des variations de l'autoinductance des trajets magnétiques passant dans les bobinages excités existent et des variations existent aussi dans l'inductance mutuelle des trajets magnétiques reliant les bobinages des différents pôles, surtout les pôles qui

sont adjacents dans la structure du stator.

Les tensions induites tirées des variations de ré-

luctance sont dues directement à l'alignement variable des dents du rotor par rapport aux dents du stator et ces variations subissent un cycle complet pour chaque rotation angulaire égale au pas des dents du rotor. Les tensions de sortie induites par ces changements de réluctance ont des

composantes multiples et, suivant la configuration particu-

lière des bobinages et le mode d'excitation, les compo-

santes utiles peuvent être modulées en amplitude ou en

phase par une fonction de la position angulaire. Les compo-

santes modulées peuvent alors être démodulées afin que des données de position soient obtenues sous forme d'un signal

utile de sortie.

D'autres caractéristiques et avantages de l'inven-

tion ressortiront mieux de la description qui va suivre,

faite en référence aux dessins annexés sur lesquels: la figure 1 est une élévation latérale en coupe partielle d'un mode de réalisation préféré de l'invention dans lequel le transducteur de position est disposé dans un boîtier avec un moteur pas à pas hybride; la figure 2 est une élévation latérale suivant la ligne 2-2 de la figure 1; la figure 3 est une élévation agrandie suivant l'axe du moteur, analogue à la figure 2 et représentant tous les pôles du stator du transducteur; la figure 4 est un schéma du circuit représentant

les connexions des bobinages correspondant aux pôles numé-

rotés sur la figure 3, donnant des tensions de sortie qui sont modulées en amplitude en fonction de la position du rotor; la figure 5 est un diagramme synoptique d'un circuit de transformation des tensions de sortie obtenues avec le

circuit de la figure 4 en un signal numérique utile repré-

sentatif de la position; la figure 6 est un schéma de circuits représentant des premières connexions des pôles numérotés comme indiqué sur la figure 3, destinées à donner une tension de sortie qui est modulée en phase en fonction de la position du rotor; la figure 7 est un schéma d'un circuit représentant des secondes connexions aux pôles numérotés comme indiqué sur la figure 3, destinées à donner une tension de sortie qui est modulée en phase en fonction de la position du rotor; et la figure 8 est un diagramme synoptique représentant un circuit de transformation de la tension de sortie du circuit de la figure 6 ou de celui de la figure 7 en un

signal numérique utile représentatif de la position.

On se réfère d'abord aux figures i à 3; un moteur pas à pas hybride ayant un transducteur de position selon

l'invention qui en est solidaire porte la référence géné-

rale 12. Le moteur a un bottier 14 de construction clas-

sique ayant des extrémités 16 et 18 portant chacune des roulements 20 de support d'un arbre 22. Les extrémités du boîtier sont fixées à un manchon 24 de boitier de forme

générale cylindrique.

Deux jeux d'empilements feuilletés 26 de stator constitués d'un matériau magnétique sont fixés à distance dans le manchon 24, c'est-à-dire un jeu 28 destiné au

stator du moteur et un Jeu 30 destiné au stator du trans-

ducteur. De préférence, les couches du feuilletage du jeu sont identiques à celles du jeu 28 si bien que les matériaux de construction et les configurations des tôles

du feuilletage sont tels que représentés sur la figure 3.

Ainsi, la référence 26 s'applique également aux tôles du feuilletage des deux jeux. Chaque couche 26 est formée d'une tôle en une seule pièce ayant un anneau externe et une partie formant chacun des pôles P1 à P8 du transducteur

ou des pôles correspondants du stator du moteur.

On se réfère d'abord au jeu 28 du stator qui déli-

mite les pôles d'un moteur pas à pas hybride 31 à quatre phases et huit pôles, qui, mis à part le transducteur de

position décrit dans la suite, à une construction clas-

sique. Le moteur 31 comporte un aimant permanent cylin-

drique 32 polarisé suivant l'axe de l'arbre 22 et fixé coaxialement à l'arbre, avec des pièces polaires 34 et 36 de rotor. les pièces polaires 34 et 36 ont une construction feuilletée et sont formées d'un matériau magnétique, ayant des dents espacées annulairement. Des faces dentées du pôle du jeu 28 du stator sont placées en face de ces dents. Les formes des dents du rotor et du stator ainsi que leurs espacements angulaires et leurs relations peuvent être

choisis d'après les enseignements de la technique anté-

rieure concernant la réalisation des moteurs pas à pas. Par raison de simplicité, les bobinages des pôles du moteur et leurs connexions à une source de courant électrique n'ont pas été représentés sur le dessin, car ils ne font pas partie de la présente invention. Il suffit de noter que l'excitation de ces bobinages, en mode à pas complet ou à demi-pas ou par des courants sinusoïdaux et cosinusoïdaux,

provoque la rotation angulaire de l'arbre 22 par des mul-

tiples du pas des dents des pièces polaires 34 et 36 du

rotor. On se réfère aux brevets précités pour la descrip-

tion détaillée du fonctionnement du moteur pas à pas.

Une entretoise cylindrique 38, formée de préférence d'un matériau non magnétique, sépare la pièce polaire 36 du rotor d'un transducteur 39 de réluctance variable ayant un rotor 40 comprenant un jeu de tôles circulaires identiques 42 de feuilletage (figure 3). Ces tôles ou couches 42 de feuilletage sont formées avec des dents espacées annulaire- ment 44. De préférence, les dents 44 ont un nombre et un espacement annulaire identiques à ceux des dents des pièces polaires 34 et 36 du rotor. Les couches de feuilletage 42

peuvent être identiques, par la configuration et les maté-

riaux de construction des dents, aux couches des pièces polaires 34 et 36 qui sont placées entre les extrémités de

l'aimant 32. L'utilisation de couches identiques de feuil-

letage pour la construction du moteur et du transducteur permet une économie notable sur le coût de fabrication. Le rotor 40 est fixé sur l'arbre 22, de préférence de la même

manière que les pièces polaires 34 et 36 du rotor.

Le jeu 30 de stator du transducteur 39 délimite, dans ce mode de réalisation, huit pôles P1 à P8 ayant des bobinages correspondants L1 à L8. Chaque pôle du stator a des dents 46 qui sont-de préférence identiques aux dents

des pôles du jeu 28 de stator du moteur pas à pas 31.

Ainsi, les dents opposées 44 du rotor et 46 du stator ont le même alignement et les mêmes relations qu'une pièce polaire du rotor et les dents de stator du moteur pas à pas. Dans un mode de réalisation préféré, un moteur pas à pas 31 à quatre phases et huit pôles est décrit à titre

illustratif, le rotor ayant cinquante dents. Les emplace-

ments des dents des pôles du stator sont de préférence choisis de manière que, pour la position particulière de l'arbre représentée sur la figure 3, les dents du rotor et du stator des pôles P3 et P7 soient exactement alignées et

que celles des pôles P1 et P5 soient exactement désa-

lignées. Pour une même position du rotor et dans l'hypo-

thèse o le sens de rotation correspond au sens des aiguilles d'une montre, les dents placées en face des pôles P2 et P6 sont en avance par rapport aux dents en regard des pôles du stator du quart d'un pas des dents alors que les dents du rotor qui sont en face des pôles P4 et P8 sont en

avance par rapport aux dents en regard des pôles des trois-

quarts du pas des dents.

En conséquence, pour la position précitée du rotor, la réluctance magnétique des entrefers des dents des pôles P3 et P7 est minimale et l'inductance des bobinages de ces pôles a une valeur maximale. Inversement, la réluctance des entrefers des dents des pôles P1 et P5 est maximale et

l'inductance des bobinages de ces pôles est minimale.

D'autre part, la réluctance magnétique de chacun des entre-

fers des pôles L2, L4, L6 et L8 est la même pour la posi-

tion représentée sur la figure 3, et est comprise entre les valeurs maximale et minimale. Les inductances des bobinages

de ces pôles ont donc des valeurs égales.

Les bobinages Ll à L8 des pôles de numéro correspon-

dant P1 à P8 du transducteur sont de préférence formés et montés sur les pôles de la même manière que les bobinages

des pôles du moteur pas à pas, comme décrit précédemment.

Dans un premier mode de réalisation de l'invention, -

les bobinages Ll à L8 sont connectés de manière qu'ils forment des circuits 48 et 50 à pont de capteurs tels que représentés sur la figure 4. Les circuits en pont sont

connectés par un fil 52 à une source d'une tension sinusoï-

dale alternative de porteuse ayant une amplitude V et une fréquence f, la valeur instantanée de cette tension étant

représentée par Vcosw t, w étant égal à 2n fois la fré-

c c quence f de la tension de la porteuse et t représentant le temps. La tension de sortie du circuit en pont 48 est

représentée par e et celle du circuit en pont 50 par e.

i 2 Le fonctionnement du circuit de la figure 4 peut être décrit par considération initiale de la position

supposée du rotor de la figure 3 et par prise en considéra-

tion, à titre de simplification, des seules modifications de l'autoinductance des bobinages des pôles comme décrit précédemment. Les inductances L3 et L7 ayant une valeur maximale et les inductances Ll et L5 une valeur minimale,

la tension de sortie du pont e a une amplitude maximale.

Inversement, pour cette position du rotor, les inductances

L2, L4, L6 et L8 ont toutes des valeurs égales et la ten-

sion de sortie e du pont a théoriquement une amplitude nulle. Lorsque le rotor avance d'un pas complet des dents, les valeurs des inductances des circuits en pont varient

chacune suivant un cycle complet. De préférence, la fré-

quence f de la porteuse est choisie de manière que sa

période soit très courte par rapport à la durée du déplace-

ment du rotor d'un pas des dents, si bien que les tensions e et e sont sous forme d'ondes sinusoïdales modulées en

1 2

amplitude, en quadrature l'une avec l'autre, c'est-à-dire déphasées de quatre-vingt-dix degrés électriques, chaque cycle de modulation correspondant à un déplacement du rotor

d'un pas des dents.

La figure 5 représente un exemple de circuit d'uti-

lisation des tensions de sortie e et e donnant un signal

1 2

numérique utile de sortie représentatif de la position. La tension à la fréquence porteuse transmise par le fil -52 parvient au circuit en pont du transducteur, représenté sur

la figure 4, indiqué schématiquement par la référence 54.

Les tensions de sortie e et e des circuits en pont sont

1 2

représentées en 56 et 58 sous forme d'ondes modulées en amplitude. Les amplitudes des modulations varient comme le sinus et le cosinus de A@, A étant égal au nombre de dents du rotor et e à l'angle de rotation du rotor. Ainsi, chaque tour complet du rotor correspond à A cycles complets de modulation.

Les tensions e et e sont alors décodées en infor-

1 2

mation binaire de position qui peut être utilisée pour l'indication ou l'affichage de la position en rotation ou pour le réglage du couple, dela vitesse ou de la position d'un moteur fixé au transducteur. Ces tensions sont d'abord démodulées séparément et de manière synchrone dans des

circuits 60 et 62, à l'aide du signal de la porteuse origi-

nale transmise par le fil 52, grâce à une connexion 64.

Cette démodulation assure la disparition de la fréquence porteuse f du signal de sortie des circuits du capteur. Les circuits 60 et 62 sont de type connu et échantillonnent les tensions e et e lorsqu'elles ont leur amplitude maximale,

I 2

le terme cos (w t) ayant sa valeur maximale égale & 1. Cet c échantillonnage donne, en 64 et 66, des signaux ayant les

valeurs Vsin(Ae) et Vcos(Ae). Ces signaux sont alors trans-

mis à des convertisseurs analogiques-numériques 68 et 70 destinés chacun à représenter l'amplitude de sa tension d'entrée sous forme binaire avec m bits, la valeur de m étant choisie afin qu'elle donne la résolution voulue. Les signaux de sortie des convertisseurs, représentés par les références 72 et 74, sont représentés par des flèches

larges indiquant qu'ils sont sous forme numérique.

Les signaux binaires 72 et 74 parviennent à un arrangement 72 de mémoire numérique adressable ayant 2m

bits d'adresse. L'arrangement comporte une cellule de mé-

moire pour chacune des combinaisons possibles de valeurs du 2m

signal 72 et du signal 74. 2 cellules sont donc pré-

sentes. Chacune des cellules de mémoire à n bits conservés en permanence qui représentent, sous forme numérique, l'angle e correspondant aux valeurs transmises à cette cellule. Ainsi, une valeur particulière de e apparaît à la sortie 78, avec une résolution de n bits. De cette manière, n 2 positions distinctes peuvent être déterminées pour chaque pôle du transducteur. Dans le cas d'un transducteur n ayant P pôles, un nombre total de positions égales à P(2)

peut être déterminé par tour du transducteur.

En pratique, le fonctionnement du circuit en pont de la figure 4 est compliqué par le fait que le mouvement du

rotor fait varier non seulement l'autoinductance des bobi-

nages mais aussi leur inductance mutuelle. Ceci est du au fait que chaque couche de matériau magnétique, par exemple une tôle, passe dans chacun des bobinages. Bien qu'il existe un couplage mutuel entre chaque bobinage et chaque

autre bobinage, on doit en pratique considérer habituel-

lement uniquement le couplage d'un bobinage particulier et des bobinages adjacents. En outre, le transducteur monté ne peut pas posséder une symétrie magnétique parfaite, si bien

que les inductances mutuelles varient avec l'angle de rota-

tion. Une analyse des tensions de sortie e et e des ponts

1 2

tenant compte des inductances mutuelles indique que ces tensions comprennent, en plus des termes représentés sur la figure 5, des termes supplémentaires qui sont des ondes sinus et cosinus modulées en amplitude, leurs amplitudes étant proportionnelles au rapport As/w, s étant la vitesse c

angulaire de/dt du rotor.

Il est préférable que la chute de tension par induc-

tion dans chaque bobinage soit bien supérieure à la chute

de tension par résistance afin que la sensibilité du trans-

ducteur aux variations de température soit réduite.

Les connexions de sortie des circuits en pont 48 et sont de préférence reliées aux circuits électroniques 60

et 62 de démodulation d'amplitude ayant une impédance éle-

vée, si bien que les intensités des courants circulant dans les circuits de sortie sont réduites. Ceci réduit l'effet

de ces courants sur les tensions de sortie e et e.

1 2

Comme les tensions de sortie e et e sont propor-

1 2

tionnelles à V, il apparaît ainsi qu'une dérive ou varia-

tion à faible fréquence de l'amplitude de la tension de la porteuse d'entrée transmise par le fil 52 provoque une variation proportionnelle des amplitudes des tensions de sortie. En conséquence, surtout dans les applications à rétroaction analogique, il est souhaitable que la tension

de porteuse d'entrée transmise donne une bonne régulation.

Les figures 6 à 8 représentent deux schémas diffé-

rents d'excitation des bobinages du stator de la figure 3, destinés & donner une tension de sortie qui est modulée en phase en fonction de la position du rotor. Dans le schéma le plus simple de la figure 6, une source 80 forme un

courant sinusoïdal circulant dans les bobinages diamétrale-

ment opposés L1 et L5. De même, une source 82 forme un

courant sinusoïdal déphasé de 900, circulant dans les bobi-

nages L3 et L7. Dans ce cas, étant donné les trajets du

flux magnétique reliant les bobinages adjacents, des ten-

sions de sortie sont produites aux bornes des bobinages L2 et L6. Plus précisément, il existe une inductance mutuelle entre les bobinages Ll et L2 et entre les bobinages L3 et L2 étant donné que les bobinages de ces paires sont adja-

cents. La tension aux bornes du bobinage L2 a une caracté-

ristique qui est fonction de la position angulaire du rotor, affectant l'inductance mutuelle de ce bobinage avec chacun des bobinages Ll et L3. On a constaté qu'une tension aux bornes du bobinage L2 pouvait s'exprimer comme la somme de composantes ou termes à variation sinusoïdale, l'un des

termes ayant un déphasage, par rapport aux courants pro-

duits par les sources 80 et 82, qui dépend de la position

du rotor.

FPour des raisons analogues, la tension aux bornes du bobinage L6 a un terme ayant une phase, par rapport aux courants produits par les sources 80 et 82, qui dépend de la position du rotor, cette tension étant additive et étant en phase avec la tension du bobinage L2. Ensemble, ces tensions donnent une tension de sortie e ayant la phase indiquée par rapport aux courants appliqués. En fait, l'un quelconque des jeux de bobinages Ll, L3, L2 ou L5, L7, L6 peut être utilisé sans l'autre pour l'obtention d'un signal

utile de sortie modulé en phase.

En plus de la composante modulée en phase de la tension de sortie e0, il existe une composante de tension induite ayant une amplitude et une phase constantes. Comme cette composante n'est pas utile, elle peut être soustraite

à une connexion d'addition d'un amplificateur opérationnel.

La tension résultante de sortie e est alors simplement une O

tension sinusoïdale modulée en phase.

La figure 8 représente un circuit de transformation de la tension de sortie e de la figure 6 en un signal O numérique utile de sortie de position. Les connexions des bobinages de la figure 6 sont schématiquement désignées par la référence 84. La tension de sortie e est représentée par l'équation suivante: (1) e e Vsin(w t+Ae)+f(t) 0 c dans laquelle f(t) est un terme d'amplitude et de phase constantes. Un circuit 86 assure la soustraction de ce

terme par application de la fonction inverse -f(t) en 88.

Le signal de sortie en 90 est donc une tension variant au

cours du temps, ayant la même fréquence et la même ampli-

tude que la source 82, mais avec un déphasage qui dépend de

la position par rapport à celle-ci.

Les circuits 92, 94 et 96 traitent les signaux reçus

en 90 et provenant d'une connexion à la source 82 et don-.

nent un signal binaire de sortie représentatif de la posi-

tion. Ceci est réalisé par mesure du déphasage des deux

signaux comme décrit plus en détail dans la suite.

Le circuit 94 est un détecteur de passage à zéro qui donne un signal numérique 100 de sortie lorsque le signal 98 a une valeur nulle avec une pente positive. Ceci se produit lorsque w t est un multiple de 2n. Le signal 100 c

est périodique et a une fréquence égale à 1/(w t).

c Le circuit 92 est aussi un détecteur de passage à

zéro dont la fonction est semblable à celle du circuit 94.

Le circuit 92 traite le signal 90 et forme en 102 un signal lorsque le signal 90 a une valeur nulle de pente positive, ce signal ayant aussi une fréquence égale à 1/(w t), mais c

ayant, par rapport au signal 100, un déphasage proportion-

nel à la position de l'arbre.

Le circuit 96 est un compteur binaire à fenêtre qui, lorsqu'il est validé, compte à une fréquence y grâce à une source convenable de signaux reliée en 104. La validation et l'inhibition de ce compteur sont commandées par les signaux présents en 100 et 102 si bien que le signal 100

provoque la remise à zéro et le début du comptage du comp-

teur et le signal 102 inhibe le comptage. De cette manière, le passage à zéro du signal appliqué par la source 82 provoque le début du comptage du compteur et le passage à zéro du signal en 90, à un moment dépendant de la position, provoque l'arrêt du comptage du compteur. Lorsque le comp-

teur a cessé de compter, le contenu est disponible à une sortie 106, sous une forme binaire, comprenant tout nombre choisi de bits, représentant le déphasage et en conséquence

la position du transducteur.

La figure 7 représente une autre variante de circuit 108 qui peut remplacer le circuit 84 de la figure 6 pour la création du signal e. Dans ce circuit, tous les bobinages du transducteur sont utilisés. Les bobinages sont connectés

de manière que toutes les inductances variables qui au-

raient tendance à produire des termes indésirables dans la tension e se compensent mutuellement. En particulier, les bobinages sont placés dans le circuit de manière que les termes de variation angulaire se compensent lorsque le rotor tourne. Par exemple, si l'on compare la configuration des pôles représentés sur la figure 3 aux connexions de la figure 7, on note que les autoinductances des bobinages L1 et L5 sont déphasées de 180 par rapport à celles des

bobinages L3 et L7. En conséquence, la somme des autoinduc-

tances de ces quatre bobinages est simplement un niveau continu. Dans la mesure o les inductances mutuelles des bobinages sont concernées, la disposition des polarités des connexions permet la compensation de tous les termes mutuels, y compris les termes en courant continu. Ceci

s'applique aussi aux termes dépendant de la vitesse.

Pour l'analyse, on peut supposer que tous les bobi-

nages des pôles ont des caractéristiques identiques de

résistance et d'inductance. Ainsi, R peut désigner la ré-

* sistance de chaque bobinage. Comme l'inductance de chaque bobinage varie périodiquement en fonction de l'angle du rotor, l'autoinductance peut être exprimée sous forme d'une valeur constante L et d'une valeur fondamentale variant

avec l'angle du rotor. On peut alors montrer que les cou-

rants I et I circulant dans les circuits de la figure 7

1 2

peuvent être représentés par les expressions suivantes: (2) I = Vcos(wt) /[(4L)S+4R] 1o (3) I - Vsin(wt)/[(4L)S+4R]

2 O

dans lesquelles S désigne l'opérateur laplacien. Ces ex-

pressions peuvent encore être simplifiées, si l'on suppose que la réactance inductive totale, dans chaque circuit, est bien supérieure à la résistance totale, sous forme des expressions suivantes: (4) I = Vsin(wt) /4L w i o (5) I = -Vcos(wt)/4L w 2 0

- Des expressions peuvent alors être tirées des si-

gnaux e et e2. Ces signaux sont transmis aux entrées

d'une connexion 110 d'addition d'un amplificateur opéra-

tionnel donnant un signal alternatif e ayant une phase

proportionnelle à l'angle du rotor.

Il est évident, d'après la description qui précède,

que l'invention concerne un tranducteur peu coûteux et très précis qui peut être utilisé dans une boucle de rétroaction du circuit d'un moteur pas à pas. Le transducteur donne une information précise de position pour un pas des dents du moteur, si bien qu'un bruit de faible amplitude n'est pas introduit sous forme d'une erreur permanente sur la position. Un transducteur selon la présente invention est relativement peu coûteux car il est réalisé essentiellement à partir de cuivre et de fer et il est formé avec des mêmes couches de rotor et de stator que le moteur pas à pas. En conséquence, aucune technologie nouvelle ou différente n'est nécessaire au fabricant de moteur pour la production du transducteur, et le même appareillage de fabrication peut être utilisé pour le transducteur et pour le moteur

pas à pas.

Le transducteur peut être facilement monté dans le même boîtier ou carter que le moteur, et il n'augmente que faiblement le moment d'inertie puisque la tension utile de sortie ne nécessite que quelques bobinages et quelques couches de feuilletage. Le transducteur peut supporter les mêmes conditions sévères que le moteur lui-même et il est

insensible aux températures extrêmes créées par le moteur.

Le transducteur n'a pas de balai si bien qu'il n'a pas de

pièce d'usure nécessitant un entretien ou un remplacement.

Le transducteur selon l'invention est relativement insensible aux défauts de concentricité de l'arbre puisque ces défauts sont compensés par les connexions en pont comme indiqué sur la figure 4. En outre, le transducteur peut être utilisé avec des circuits numériques ou analogiques de rétroaction pour moteur pas à pas.

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Claims (17)

REVENDICATIONS

1. Tranducteur de position en rotation, caractérisé en ce qui comprend: un rotor (40) formé d'un matériau magnétique ayant des dents espacées annulairement et un dispositif de fixa- tion à un organe d'entraînement en rotation, un stator (30) ayant au moins un pole qui a une face

comportant plusieurs dents espacées annulairement et pla-

cées en face des dents du rotor, et au moins deux bobinages de pôles, un dispositif de connexion d'une source alternative à l'un au moins des bobinages des pôles, et un circuit de détection de position connecté à l'un

au moins des bobinages des pôles et sensible à une compo-

sante de la tension induite dans le bobinage,- ayant une

caractéristique qui varie en fonction de la position angu-

laire du rotor par rapport au stator.

2. Transducteur selon la revendication 1, caracté-

risé en ce que le circuit de détection est sensible au déphasage entre la composante de la tension induite et la

source de tension.

3. Transducteur selon la revendication 2, caracté-

risé en ce qu'il a au moins deux poles de stator (P1, P5) espacés angulairement, ayant chacun un bobinage (Ll, L5), la source de tension (80) étant connectée au bobinage d'un pôle et le circuit de détection au bobinage d'un autre pôle.

4. Transducteur selon la revendication 3, caracté-

risé en ce qu'il comprend un premier et un second pôle.(P1-

P8) de stator, distants angulairement, ayant chacun un bobinage (L1-L8), un dispositif de connexion d'une première phase de la source de tension au bobinage du premier pôle, un dispositif de connexion d'une seconde phase de la source de tension, décalée par rapport à la première phase, au bobinage du second pôle, et un troisième pôle de stator

placé entre le premier et le second pôle et ayant un enrou-

lement connecté au circuit de détection.

5. Tranducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le stator (30) a plusieurs pôles (P1-P8) espacés

annulairement, les dents des pôles adjacents avançant pro-

gressivement dans leur déplacement angulaire par rapport aux dents du rotor placées en regard.

6. Transducteur selon la revendication 5, caracté-

risé en ce que deux pôles au moins (P1-P5) ont des bobi-

nages, la sburce de tension (80) étant connectée au bobi-

nage d'un pôle et le circuit de connexion au bobinage d'un

autre pôle.

7. Transducteur selon la revendication 6, caracté-

risé en ce qu'il comporte un dispositif de connexion d'une première phase de la source de tension au bobinage d'un premier pôle, un dispositif de connexion d'une seconde phase de la source de tension, décalée par rapport à la

première phase, au bobinage d'un second pôle, et un dis-

positif de connexion du bobinage d'un troisième pôle, placé entre le premier et le second pôle, au circuit de détection.

8. Transducteur selon la revendication 5, caracté-

risé en ce qu'il a un nombre de pôles régulièrement espacés

angulairement (P1-P8) qui est un multiple entier de quatre.

9. Transducteur selon la revendication 5, caracté-

risé en ce qu'il comporte au moins quatre pôles (P1-P8) espacés & 90", les dents de chaque pôle ayant le même décalage angulaire par rapport aux dents du rotor que les

dents du pôle diamétralement opposé, le circuit de détec-

tion comprenant deux branches de circuit connectées en parallèle à la source de tension, chaque branche comprenant en série les bobinages (L!, L7; L3, L5) de deux pôles séparés de 90 , les branches formant un circuit en pont (48).

10. Transducteur selon la revendication 9, caracté-

risé en ce que le circuit de détection est sensible à la modulation d'amplitude de la tension de sortie du circuit

en pont.

11. Transducteur selon la revendication 9, caracté-

risé en ce qu'il comporte huit pôles, le circuit de détec-

tion comprenant deux paires de branches de circuit formant deux circuits en pont (48, 50), les bobinages des pôles adjacents étant connectés à des circuits différents en pont si bien que les tensions de sortie aux bornes des circuits

en pont sont en quadrature.

12. Moteur pas à pas ayant un transducteur de posi-

tion en rotation, caractérisé en ce qu'il comprend: un rotor (34, 36) formé d'un matériau magnétique et ayant des dents espacées annulairement, un stator (28) ayant deux jeux de pôles, chaque pôle ayant un enroulement et une face comprenant plusieurs dents annulairement espacées placées en face des dents du rotor, chaque jeu ayant un nombre de pôles uniformément espacés angulairement qui est un multiple entier de -quatre, les

dents des pôles adjacents de chaque jeu ayant un déplace-

ment angulaire qui avance progressivement par rapport aux dents de rotor placées en face, les bobinages d'un jeu étant destinés à étre connectés à un source de tension de -pilotage,

un dispositif de connexion d'une source d'une ten-

sion alternative de porteuse à l'un au moins des bobinages d'un pôle de l'autre jeu, et un circuit de détection de position connecté à l'un au moins des bobinages des pôles de l'autre jeu et sensible à une composante d'une tension qui y est induite et qui a une caractéristique qui varie en fonction de la position

angulaire du rotor par rapport au stator.

13. Moteur pas à pas selon la revendication 12,

caractérisé en ce que les jeux de pôles sont décalés sui-

vant l'axe du rotor.

14. Moteur pas à pas selon la revendication 12, caractérisé en ce que les deux jeux (28, 30) de pôles de stator sont formés de couches de feuilletage ayant la même

configuration.

15. Moteur pas à pas selon la revendication 12, ayant un bottier (24) qui entoure les deux jeux de pôles de

stator avec le rotor.

16. Moteur pas à pas selon la revendication 12, caractérisé en ce que la fréquence de la source de tension alternative est notablement supérieure à la vitesse du moteur donnée par la source de tension d'excitation.

17. Transducteur selon la revendication 11, caracté-

risé en ce que le circuit de détection comporte: un dispositif de conversion (60-74) destiné à mettre le signal analogique de sortie de chaque circuit en pont sous forme numérique, et une mémoire adressable (76) ayant ses bits d'adresse reliés au dispositif de conversion et comprenant autant de cellules qu'il existe de combinaisons de signaux simultanés de sortie du dispositif de conversion, chaque cellule ayant

une information numérique qui y est mémorisée et qui cor-

respond au déplacement angulaire représenté par lesdits

signaux simultanés de sortie.