ES2555127T3 - Captador de posición mejorado - Google Patents

Abstract

Sistema de medida de la posición absoluta que comprende un imán permanente, y al menos una sonda en movimiento relativo con relación a dicho imán sobre una carrera dada, engendrando dicho imán en la sonda, un campo magnético que presenta una primera componente magnética Bt, denominada tangencial, según la dirección de desplazamiento y una segunda componente magnética Bn, denominada normal, ortogonal a la primera componente y en cuadratura, suministrando dicha sonda dos señales eléctricas Vn, Vt funciones de dichas componentes respectivamente Bn, Bt, así como unos medios de cálculo que proporcionan una información de posición calculada en función de la arcotangente de la relación entre dichas señales Vn, Vt afectada por un coeficiente de corrección fijo G caracterizado por que dicho medio de cálculo está parametrizado para aplicar a una de las señales Vn, Vt una ganancia fija G no nula estrictamente diferente de k, en donde k designa la relación Vmaxt / Vmaxn en donde Vmaxt y Vmaxn representan respectivamente la amplitud de la señal Vt y Vn en dicha carrera, estando la ganancia fija G calculada para minimizar las desviaciones entre unos valores de posición resultantes de las componentes magnéticas y unos valores de posición mecánica reales correspondientes.

Description

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DESCRIPCION

Captador de posicion mejorado Campo de la invencion

La presente invencion se refiere al campo de los sistemas de posicion absoluta de captador magnetico, destinados a proporcionar una informacion precisa de la posicion lineal o angular. Dichos sistemas de medida, que requieren una gran robustez y precision, se utilizan en particular en la industria del automovil.

Estado de la tecnica

Se conoce en el estado de la tecnica una solucion descrita en la Patente Americana US7741839 que presenta el principio general de un captador de posicion absoluto que realiza un iman que genera un campo continuamente variable y un captador magnetico que suministra dos senales electricas representativas de las componentes magneticas de forma sinusoidal con el fin de determinar la posicion relativa del iman y del captador. Esta patente propone proceder a un calculo de la arcotangente de la relacion entre las senales suministradas por los dos captadores para proporcionar una posicion aproximada del iman movil. De esta manera, se mide directamente el angulo del campo magnetico en el punto de medicion.

La precision de la senal asf determinada no es satisfactoria porque, en el caso general, las dos componentes del campo magnetico tienen unas amplitudes muy diferentes. En consecuencia, el angulo del campo magnetico calculado por la arcotangente y la evolucion de la posicion no son proporcionales, conduciendo por tanto a unas grandes imprecisiones sobre el conocimiento de la posicion. Las configuraciones geometricas que permiten obtener una igualdad entre las componentes estan limitadas o requieren un impacto significativo sobre el volumen tal como se describe por ejemplo en la patente US7030608.

Con el fin de mejorar la precision, se ha propuesto en la Patente Francesa FR2893410 una solucion que consiste en aplicar a la relacion de las senales suministradas por los captadores un coeficiente de ganancia, y una sonda que comprende dos pares de elementos de efecto Hall asociados a un concentrador de flujo. Esta patente de la tecnica anterior describe un captador que comprende un iman de forma cilmdrica imantado segun su diametro. Se situan unos elementos de deteccion en la periferia del iman y captan la evolucion de las componentes tangencial y radial del campo magnetico. Con el fin de poder decodificar el angulo de rotacion efectivo del captador, se aplica una ganancia correctiva igual a la relacion de las amplitudes maximas de la tension resultante de la componente tangencial sobre la tension resultante de la componente radial. De ese modo, se mejora la no linealidad de la senal obtenida. Sin embargo, la configuracion esta limitada al caso del anillo imantado diametralmente.

Esta solucion se ha completado por la invencion descrita en la patente francesa EP1989505. Esta patente describe un captador lineal o rotativo que presenta un iman cuya variacion en la direccion de la imantacion en el seno del iman es linealmente variable. De esta manera, siempre aplicando un factor de normalizacion igual a la relacion de las amplitudes entre la tension procedente de los campo radial y tangencial, es posible, a traves de un calculo de la arcotangente, determinar el desplazamiento angular o lineal de la sonda con relacion al iman. Sin embargo, en numerosos casos, principalmente en el caso en el que los armonicos de la magnetizacion son grandes o bien cuando la imantacion realizada en el material no evoluciona segun un penodo completo, la aplicacion de esta simple relacion no permite obtener una precision suficiente sobre la informacion de la posicion.

Inconveniente de la tecnica anterior

La informacion de posicion proporcionada por los captadores de la tecnica anterior no es totalmente satisfactoria, porque surge que las no linealidades de las senales magneticas y electricas conducen a una precision insuficiente en relacion a unas restricciones impuestas a partir de ahora por la industria.

En efecto, en la practica, las senales realmente medidas no son puramente sinusoidales, sino que presentan un contenido armonico que puede ser grande. Se puede escribir entonces cada una de las componentes magneticas segun las formulas siguientes:

B1 = ^a, • sen(/.9)

i

B2 = ^ b • cos(/.9)

i

En las que,

- B1 designa una componente magnetica normal a la direccion de desplazamiento y generada por un iman,

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- B2 designa una componente magnetica tangencial, en cuadratura, generada por el iman,

- 0 designa el angulo electrico, es decir la posicion angular en el penodo de la senal considerada. Es lo que se busca conocer y que es proporcional a la posicion de la sonda con relacion al iman, no confundir con el angulo magnetico en el punto de medicion que se define como el angulo entre los dos vectores que corresponden a las dos componentes consideradas,

- ai designa la amplitud de los diferentes armonicos que constituyen la senal B1,

- bi designa la amplitud de los diferentes armonicos que constituyen la senal B2,

- i designa el orden del armonico.

Los armonicos de la senal provienen de diferentes perturbaciones, y en particular:

- los efectos de borde intrrnsecos a la geometna del iman, y se producen principalmente en los extremos de la

carrera util. Estos efectos de borde son tanto mas importantes cuanto la dimension del iman en el sentido del desplazamiento se aproxime a la carrera util e incluso sea inferior. Estos efectos podnan disminuirse mediante la

eleccion de un iman de gran dimension, pero esto va contra una miniaturizacion y una reduccion de los costes

buscados,

- las imperfecciones del proceso de imantacion. La realizacion de una imantacion cuya direccion vane continuamente puede plantear unas dificultades ligadas a la fabricacion de la herramienta de imantacion. Es diflcil, por ejemplo, realizar una imantacion que vane de manera perfectamente lineal segun la direccion de desplazamiento, y las desviaciones conducen a unos armonicos de la senal electrica medida por los elementos de efecto Hall,

- la permeabilidad relativa del iman: esta permeabilidad relativa no es totalmente identica a la del aire, lo que produce unos fenomenos parasitos de difraccion entre el iman y el aire, que deforman el campo magnetico local detectado por los elementos de efecto Hall,

- la falta de homogeneidad del iman: cuando se trabaja con ciertos tipos de imanes, particularmente unos imanes aglomerados, la materia es a veces no homogenea, conduciendo a unas propiedades magneticas desiguales y que inducen unas deformaciones del campo magnetico local,

- un mal alineamiento de los elementos de efecto Hall que detectan las componentes del campo magnetico.

De ese modo, la tecnica anterior se coloca en el caso de configuraciones en las que el contenido armonico es

reducido o inexistente y en el que las senales se limitan a la expresion de un fundamental. Las componentes Bi y B2

descritas anteriormente se convierten entonces en:

61 = ay sen(0)

62 = by cos(0)

El acceso al angulo electrico se realiza entonces simplemente realizando el cociente de Bi sobre B2 lo que permite llegar a la formula siguiente:

0 = Arctanl |

l ay 62 J

El conocimiento del angulo electrico en cualquier punto de desplazamiento del captador permite de ese modo acceder a la informacion de posicion absoluta de este ultimo.

De manera general, cuando la senal es una sinusoide deformada y no puramente sinusoidal por las razones descritas anteriormente, el hecho de trabajar con una distancia reducida entre la superficie del iman y la sonda de medicion, es decir proximo al iman, amplifica el contenido armonico. Cuanto mas se aleje del iman, mas reducido es su contenido armonico. Sin embargo, cuando se desea trabajar con un iman lo mas pequeno posible, los efectos de borde pueden inducir un contenido armonico grande incluso cuando este entrehierro de medicion es grande. La formula dada por la tecnica anterior para proporcionar el angulo electrico se revela insuficiente.

El experto en la materia ha intentado mejorar la precision mediante unas soluciones tales como unos procesamientos posteriores de la informacion, por ejemplo aplicando una tabla de correccion que permita un procesamiento digital de la linealizacion. Esta solucion implica un sobrecoste y una falta de robustez del sistema, sensible a las variaciones mecanicas y a las tolerancias de posicionamiento, y en particular a la variacion de la distancia entre el iman y la sonda. Algunos de estos parametros citados mas arriba evolucionan con el tiempo, y solo una compensacion mediante un procesamiento posterior conduce a una deriva en funcion del envejecimiento del captador.

Otra solucion propuesta en la patente FR2893410 consiste en compensar los defectos de linealidad mediante una forma no constante del iman, por ejemplo mediante una seccion elfptica y no circular. Esta solucion implica un procedimiento de fabricacion mas complejo.

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Otra solucion es aplicar unos coeficientes de correccion por sector de curva con el fin de mejorar, zona por zona y de manera iterativa, la linealidad del captador. Sin embargo, esto precisa unos recursos electronicos suplementarios y constituye, ademas, una solucion poco robusta a las tolerancias que conduce a una solucion que evoluciona mal con el tiempo.

Solucion aportada por la invencion

El objeto de la presente invencion es remediar estos inconvenientes proponiendo un sistema de medicion absoluta que presenta una precision mejorada con relacion a los captadores del estado de la tecnica, sin necesitar de procesamientos posteriores ni de un iman de configuracion particular. Por supuesto, es posible aplicar al sistema de medicion segun la invencion unos procesamientos adicionales, pero intrmsecamente, el sistema de medicion segun la invencion presenta una precision superior a la de los captadores de la tecnica anterior.

Se precisa que la expresion de “posicion absoluta” en el sentido de la presente patente se extiende a un sistema de medicion multi-periodico. La posicion absoluta se refiere entonces a la posicion absoluta en un periodo, siendo determinada la informacion sobre el orden numerico del periodo mediante un medio adicional.

Ventajosamente, la presente invencion permite principalmente al experto en la materia realizar unos captadores robustos y permite, en el caso de imanes de forma paralelepipedica, o de sector angular o de teja, minimizar el tamano del iman con relacion a la carrera con la posibilidad de obtener un iman sustancialmente mas pequeno que la carrera mientras se mantiene una buena linealidad.

Ventajosamente, la presente invencion permite al experto en la materia trabajar tanto con unos entrehierros de medida reducida, alla donde el contenido armonico es muy grande, como grande.

En efecto, en este caso, el contenido armonico es ciertamente mas reducido pero los efectos de borde pueden inducir un contenido armonico grande cuando el iman es mas pequeno que la carrera medida.

En los diferentes casos citados en el presente documento, el contenido armonico no es despreciable.

La invencion se refiere segun su acepcion mas general a un sistema de medicion de posicion absoluta que incluye un iman permanente, y al menos una sonda en movimiento relativo con relacion a dicho iman sobre una carrera dada, engendrando dicho iman, en la sonda, un campo magnetico que presenta una primera componente magnetica Bt, denominada tangencial, segun la direccion de desplazamiento y una segunda componente magnetica Bn, denominada normal, y ortogonal a la primera componente y en cuadratura, suministrando dicha sonda dos senales electricas Vn, Vt funciones de dichas componentes respectivamente Bn, Bt, asf como unos medios de calculo que proporcionan una informacion de posicion calculada en funcion de la arcotangente de la relacion entre dichas senales Vn, Vt afectada por un coeficiente de correccion G caracterizado por que dicho medio de calculo esta parametrizado para aplicar a una de las senales Vn, Vt una ganancia G estrictamente diferente de k, en donde k designa la relacion Vmaxt / Vmaxn en donde Vmaxt y Vmaxn representan respectivamente la amplitud de la senal Vt y Vn en dicha carrera, siendo calculada la ganancia G para minimizar las desviaciones entre unos valores de posicion resultantes de las componentes magneticas y unos valores de posicion mecanica reales correspondientes.

Segun una primera variante, el iman permanente presenta una direccion de imantacion que vana continuamente segun la direccion de desplazamiento.

Segun una segunda variante, el iman permanente presenta una imantacion de direccion unica cuya intensidad vana continuamente segun la direccion de desplazamiento.

Preferentemente, dicho medio de calculo esta parametrizado para aplicar a una de las senales Vn, Vt una ganancia G comprendida entre 0,4 k y 0,98 k o entre 1,02 k y 2,5 k, en donde k designa la relacion entre la amplitud de las senales Vt y Vn.

Preferentemente, dicho captador magnetico comprende al menos dos elementos de efecto Hall.

Ventajosamente, dicho captador magnetico comprende al menos dos pares de elementos de efecto Hall asociados a un concentrador de flujo tal como, por ejemplo, la sonda MLX90316 producida por la compafna Melexis.

En un modo de realizacion secundario, la sonda puede ser de efecto Hall sin concentrador tal como, por ejemplo, la sonda HAL3625 de la sociedad Micronas.

En un modo de realizacion secundario, la sonda puede ser de tipo magnetoresistivo.

Segun una primera variante, el iman permanente es de tipo tubular.

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Segun una segunda variante, el iman permanente es de tipo semitubular en forma de teja.

Segun una tercera variante, el iman permanente es un sector angular.

Segun una cuarta variante, el iman permanente es un elemento paralelepipedico.

Segun una quinta variante, el iman permanente tiene forma de disco.

Segun un modo de realizacion particular, el iman esta imantado diametralmente.

Segun un modo de realizacion particular, el iman es de tipo tubular e imantado diametralmente.

La imantacion, cuya direccion vana continuamente, puede presentar una direccion preponderante en una zona situada a lo largo de la dimension de medicion. Se puede imponer en el centro del iman, por ejemplo, una imantacion normal o tangencial segun que se aplique un campo magnetico perturbador (que procede de un cable por ejemplo) sobre el iman y que se desee minimizar el efecto de manera que se conserve en cualquier circunstancia una precision no degradada en esta posicion media del iman. El conocimiento de la direccion del campo perturbador en el centro del iman permite entonces elegir razonablemente la direccion de la imantacion en el centro del iman. De ese modo si el campo perturbador tiene una direccion tangencial en la mitad del desplazamiento entonces se optara por una imantacion que presente una direccion tangencial en la mitad del iman. Evidentemente el ejemplo propuesto anteriormente no esta limitado en absoluto a la posicion media de la carrera del captador y puede concebirse en no importa que punto de la carrera del captador.

Segun un modo particular, el iman permanente esta imantado con una direccion que vana entre una direccion central normal, y unas direcciones tangenciales a los extremos de la carrera, siendo la rotacion total del angulo electrico sobre la carrera sustancialmente igual a 180°.

Segun otro modo particular, el iman permanente esta imantado con una direccion que vana entre una direccion central tangencial, y unas direcciones tangenciales a los extremos de la carrera, siendo la rotacion total del angulo electrico sobre la carrera inferior a 360°.

En el caso de un iman de tipo no tubular, el tipo de imantacion (normal al medio o tangente al medio) y la rotacion total de la imantacion sobre el iman se determinaran siguiendo las limitaciones dimensionales y los rendimientos buscados. Las tablas de las figuras 4 y 5 muestran algunos ejemplos realizados para una carga dada y unas dimensiones de iman fijas. Estas tablas muestran que en funcion de un tamano del iman deseado la eleccion de un tipo de imantacion se grna, entre otros, por el rendimiento obtenido sobre la no linealidad.

Segun una variante, el iman es de tipo anisotropo, estando alineada la direccion de imantacion con la direccion de anisotropfa.

Preferentemente, el iman presenta una anisotropfa cuya direccion de anisotropfa vana continuamente a lo largo de la carrera del iman.

La invencion se refiere igualmente a un procedimiento de parametrizacion de un sistema de medicion de posicion absoluta que consiste en determinar el valor maximo Vmaxn, Vmaxt de dichas senales Vn, Vt sobre la carrera util, en calcular un coeficiente k igual a la relacion Vmaxt / Vmaxn y en fijar un coeficiente de ganancia G estrictamente diferente de k mediante el minimizado global de la diferencia de la posicion real y la posicion calculada antes del calculo de la arcotangente.

La invencion se refiere incluso a un procedimiento de realizacion de un sistema de medicion de posicion absoluta del tipo anteriormente descrito, que incluye un iman y una sonda, y en el que las senales Vn y Vt son unas sinusoides deformadas o pseudo-sinusoides y no puras sinusoides, comprendiendo este procedimiento una operacion preliminar de calibrado que consiste en establecer, mediante medicion o mediante simulacion y para una pluralidad de posiciones relativas diferentes de la sonda y del iman, una ley que vincule la medida X de cada una de la estas posiciones relativas con la relacion Vn / Vt de las senales electricas Vn y Vt obtenidas para esta posicion relativa X, una operacion preliminar de optimizacion que consiste en determinar el valor de la ganancia G para el que las desviaciones, obtenidas para la pluralidad de posiciones relativas, entre las diferentes medidas de X y los diferentes valores correspondientes de la funcion C ■ Arctan(G ■ Vn / Vt) en la que C es una constante de construccion conocida, son mmimos, y una operacion posterior de aprovechamiento, realizada durante la utilizacion de este sistema, y que consiste en asimilar la medida X de una posicion relativa cualquiera de la sonda y del iman con el valor de la funcion C ■ Arctan(G ■ Vn / Vt).

En un procedimiento asf de realizacion, y como se comprendera por el experto en la materia con la lectura de la presente descripcion, las operaciones preliminares de calibrado y de optimizacion constituyen un procedimiento de parametrizacion del sistema de medicion de posicion absoluta afectado.

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Por otro lado, la constante de construccion C se define mediante el paso de imantacion del iman y representa la relacion de la distancia de un desplazamiento relativo de la sonda y del iman a la variacion correspondiente del angulo Arctan(G ■ Vn / Vt).

Descripcion detallada de ejemplos de realizacion

La presente invencion se comprendera mejor con la lectura de la descripcion de ejemplos de realizacion no limitativos, que se refieran a los dibujos adjuntos en los que:

- la figura 1 representa una vista esquematica del sistema de medicion que comprende un iman paralelepipedico que presenta una imantacion cuya direccion vana continuamente,

- la figura 2 representa las inducciones magneticas medidas en la proximidad del iman de la figura 1,

- las figuras 3a, 3b y 3c presentan el angulo electrico calculado y los resultados de no linealidad obtenidos segun el tipo de coeficiente aplicado a la relacion de las inducciones de la figura 2,

- la figura 4 muestra una tabla que recapitula, para un iman paralelepipedico, los rendimientos y parametros correctivos a aplicar para unos casos en los que la imantacion es tangente en la parte media del iman

- la figura 5 muestra una tabla que recapitula, para un iman paralelepipedico, los rendimientos y parametros correctivos a aplicar para unos casos en los que la imantacion es normal en la parte media del iman

- las figuras 6a, 6b y 6c representan respectivamente una vista esquematica del sistema de medicion que comprende un iman de disco, las inducciones el punto de medicion y los resultados en terminos de no linealidad

- las figuras 7a, 7b y 7c representan respectivamente una vista esquematica del sistema de medicion que comprende un iman tubular, las inducciones en el punto de medicion y los resultados en terminos de no linealidad

- las figuras 8a y 8b representan respectivamente una vista esquematica de un primer sistema de medicion que comprende una teja y los resultados en terminos de no linealidad

- las figuras 9a y 9b representan respectivamente una vista esquematica de un segundo sistema de medicion que comprende una teja y los resultados en terminos de no linealidad

- la figura 10 representa una vista esquematica de un tercer sistema de medicion que comprende una teja

- la figura 11 representa una vista esquematica de un sistema de medicion que comprende un anillo multi- periodico

- la figura 12 representa una vista esquematica de un sistema de medicion que comprende un iman de imantacion en direccion unica pero de intensidad variable segun la direccion de desplazamiento.

La figura 1 representa una vista esquematica de un primer ejemplo de realizacion de un sistema de medicion de posicion absoluta lineal, de iman (1) paralelepipedico. En este ejemplo, se trata de realizar un captador de posicion lineal en una carrera de 28 mm con un iman (1) de longitud (L) mas pequena, fijada en 24 mm. El interes es de ese modo una ganancia de material y de volumen y por tanto de coste y de masa. En esta figura 1, el iman (1) tiene de anchura (An) 5 mm y de altura (A) 3 mm. Se ha de observar, que la anchura y la altura del iman (1) no tienen mas que escasa influencia sobre el contenido armonico, e influenciaran solamente la amplitud de las senales obtenidas. Este iman (1) se imanta con una direccion de imantacion continuamente variable en el interior del iman en un angulo proximo a 180°. Este angulo se ha determinado analtticamente como el que permite obtener los mejores resultados en terminos de no linealidad. Por encima de este iman (1), a la distancia (D) de 3,5 mm de la superficie superior, se situa la sonda (2) que contiene unos medios de deteccion magnetosensibles capaces de detectar la amplitud Bt y Bn del campo magnetico sobre dos ejes perpendiculares, siendo respectivamente la componente tangencial y la componente normal del campo magnetico, definidas con relacion a la direccion de desplazamiento, en este punto del espacio. Se ha de tomar nota de que se puede concebir por supuesto desviar dichos medios de deteccion del plano de simetna del iman (1) segun la dimension (An) con el objetivo de aprovechar las componentes magneticas tangencial y axial mas que la tangencial y normal.

La figura 2 muestra los resultados de medida de la induccion, en el caso de la figura 1, de las componentes normal (Bn) y tangencial (Bt) del campo magnetico en el punto en el que se situa el iman (1) en funcion de la posicion relativa de la sonda con relacion a los elementos de efecto Hall de los medios de deteccion (2).

En esta configuracion, las senales tangenciales y normales son sustancialmente diferentes a dos senos desfasados en 90° porque el contenido armonico es grande, principalmente debido a los efectos de borde aunque mas generalmente segun las diversas razones expuestas anteriormente.

De hecho, si se calcula la posicion en base al calculo de la arcotangente entre las dos componentes (tal como se describe en el documento US7741839), como se muestra en la figura 3a o si se aplica previamente un coeficiente k igual a la relacion de las amplitudes Vmaxt / Vmaxn, tal como se describe en el documento EP1989505, como se muestra en la figura 3b, esto conduce a unas importantes imprecisiones.

En la figura 3a, la curva POS representa el angulo electrico calculado, imagen de la posicion, a partir del calculo de la arcotangente aplicado a la relacion de las senales de la figura 2, sin aplicacion de ganancia. La senal NL representa la no linealidad de la senal POS en funcion de la posicion mecanica real. Como se puede ver, los resultados son malos puesto que la no linealidad obtenida en la senal es de +/-2,8%.

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En la figura 3b, la ganancia aplicada a las componentes normal y tangencial, antes del calculo de la arcotangente, es igual a la relacion de las amplitudes de estas componentes. Segun la figura 2, tomando 433 gauss como la amplitud de la senal tangencial y 660 gauss como amplitud de la senal normal, este valor de ganancia es por tanto proximo a 0,65 (433/660). Aplicado a la relacion de los componentes en la carrera y a traves del calculo de la arcotangente, la posicion calculada, POSk, con esta relacion presenta una no linealidad, indicada por NLk, de +/-1,3%. En muchas aplicaciones, una linealidad asf no es aceptable. El experto en la materia tendra por tanto tendencia a corregir esta no linealidad gracias a las diferentes tecnicas descritas mas arriba.

Para hacer esto, se aplica el calculo de la arcotangente no a la relacion de las senales electricas detectadas por los elementos de efecto Hall, ni a unas senales ponderadas por la simple relacion k de las amplitudes Vmaxt / Vmaxn, sino por una senales ponderadas por un coeficiente de ganancia G espedfico de la invencion.

En efecto, en el caso de que estas senales electricas sean unas sinusoides deformadas y no una sinusoides puras, este coeficiente de ganancia, aunque eventualmente proximo a la relacion de las amplitudes Vmaxt / Vmaxn, es siempre diferente a esta relacion. El valor exacto de este coeficiente se determina mediante un algoritmo de optimizacion aplicado a los datos simulados de posicion magnetica calculada y de posicion mecanica real. Se procede a un minimizado de las desviaciones entre los valores de posicion magnetica y de posicion mecanica, para determinar el coeficiente de ganancia G que se mantendra para el medio de calculo del sistema de medicion.

En el caso en el que no se pueden obtener mediante simulacion los campos de induccion o cuando se trata de corregir un defecto de posicionamiento de las sondas, se procede entonces, en el prototipo, a una medicion de las componentes en funcion de la posicion mecanica real, siendo medida esta posicion mecanica con ayuda de un captador de posicion patron. Se procede entonces, igual que anteriormente, a un minimizado de las desviaciones entre los valores de posicion magnetica calculados mediante la arcotangente de la relacion Vn/Vt y los valores de posicion mecanica, para determinar el coeficiente de ganancia G que se mantendra para el medio de calculo del sistema de medicion.

La figura 3c representa los resultados en terminos de senal de salida y no linealidad de esta senal, siempre en el caso del ejemplo de la figura 1, pero en aplicacion del metodo propuesto en la invencion. La senal POSG representa la senal obtenida por calculo de la arcotangente de la relacion de las tensiones imagenes de las componentes tangencial y normal a las que se aplica una ganancia G. Si se aplica una ganancia G igual a 0,76, la no linealidad de la senal de posicion obtenida, indicada por NLG, se reduce tambien a +/-0,62%, es decir a un valor 2 veces mas reducido que el obtenido con el de la unica ganancia de la relacion de las amplitudes.

El ejemplo vinculado a la realizacion de la figura 1 no es en ningun caso limitativo, unas dimensiones de imanes y de condiciones de medicion diferentes implican un valor correctivo de ganancia diferente.

Los diferentes ensayos que se han conducido muestran que esta ganancia G evoluciona o bien por debajo del valor k de la relacion de las amplitudes en un intervalo que vana de 0,4 k a 0,98 k, o bien por encima del valor de k en un intervalo que vana de 1,02 k a 2,5 k, sabiendo que si el contenido armonico no es despreciable, el coeficiente G sera muy diferente de k.

La figura 4 muestra una tabla que recapitula los ensayos realizados para una investigacion de un captador de posicion lineal de carrera 28 mm en el caso en el que la direccion de imantacion es tangente en la parte media del iman paralelepipedico con el fin de mostrar la evolucion de los resultados y la diferencia con la ganancia k preconizada por la tecnica anterior y la ganancia correctiva G optima a aplicar a la relacion de las componentes normal y tangente con el objetivo de obtener el mejor resultado en terminos de no linealidad de la senal obtenida sobre la carrera. La primera columna “dimensiones” muestra las dimensiones de los diferentes casos geometricos considerados. Se trata cada vez de un iman paralelepipedico cuya longitud evoluciona de 20 mm a 32 mm. La segunda columna “espacio de aire” expone el entrehierro o la distancia (D) de medicion entre la superficie del iman y los medios de deteccion. La tercera columna muestra la evolucion del coeficiente k tal como se calcula segun las ensenanzas de la tecnica anterior correspondiente a la relacion de las amplitudes tangencial (bi) y normal (a-i). La cuarta columna muestra la evolucion del coeficiente G preconizado por la presente invencion e igual a X veces el valor de k. La quinta columna expone el valor de X. La sexta columna muestra el valor de la no linealidad obtenida sobre la carrera de 28 mm tomando el coeficiente corrector G mientras que la septima columna muestra la no linealidad obtenida sobre la carrera de 28 mm obtenida tomando el coeficiente corrector k de la tecnica anterior.

Todos estos casos concretos, ejemplos no limitativos pero tfpicos, muestran que, para cada uno de ellos, la no linealidad obtenida con el coeficiente k de la tecnica anterior puede mejorarse sensiblemente utilizando el coeficiente G estrictamente diferente de k.

Esta tabla de la figura 4 muestra principalmente que es posible realizar un captador cuya longitud sea muy inferior a la carrera mientras se asegura una muy buena linealidad. Tomando el ejemplo “caso #5”, la longitud del iman es de 20 mm es decir muy inferior a la carrera de 28 mm. Utilizando el coeficiente corrector k preconizado por la tecnica anterior de 0,47, la mejor no linealidad obtenida es de +/-9%. Este valor es incompatible con las especificaciones industriales. Utilizando un coeficiente corrector G de 1,05, la mejor no linealidad obtenida es entonces de +/-0,94%.

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La tecnica anterior prohibina la utilizacion de una configuracion de ese tipo en la que el iman es mucho mas pequeno que la carrera, mientras que, con la ayuda del coeficiente corrector preconizado por la invencion, es posible hacer viable la solucion.

La figura 5 muestra una tabla que recapitula unos ensayos realizados para una investigacion de un captador de posicion lineal de carrera 28 mm en el caso en el que la direccion de imantacion es normal en la parte media del iman paralelepipedico. Las mismas columnas que las ya mostradas en la tabla de la figura 4 son visibles en esta tabla. El lector podra asf observar la influencia y el interes de realizar una imantacion normal o tangente en la parte media del iman (1) en funcion de los casos realizados.

Por ejemplo, tomemos el “caso #14”, se trata de un iman (1) de longitud 24 mm, por tanto mas pequeno que la carrera, para el que la distancia de medicion es de 6,5 mm por encima del iman, es decir una distancia relativamente grande. Utilizando el coeficiente corrector k preconizado por la tecnica anterior de 0,52, la mejor no linealidad obtenida es de +/-3,7%. Este valor es incompatible con la mayor parte de las especificaciones industriales. Utilizando un coeficiente corrector G 1,30 veces mayor es decir igual a 0,69, la mejor no linealidad obtenida es entonces de +/-0,08%. Observando la tabla de la figura 4 con relacion a los casos en los que la direccion de imantacion es tangente al punto medio, vemos que el mejor resultado obtenido es de +/-0,21% para el coeficiente G de 0,87. De ese modo, realizando una imantacion normal en la parte media del iman (1), se obtiene un captador cuyo tamano de iman (1) se minimiza mientras se mantiene la posibilidad de trabajar a una gran distancia del iman y asegurando una no linealidad minima y compatible con las especificaciones mas severas.

Siempre en la tabla de la figura 5, tenemos otro ejemplo de realizacion. El “caso #20” que representa un caso en el que el iman es mas grande que la carrera (longitud de 32 mm). Trabajando a una distancia de 3,5 mm del iman, podemos mejorar la no linealidad pasando de +/-4,6% para el caso de un coeficiente k de 0,48 a una no linealidad de +/-0,29% para el coeficiente correctivo G de 0,3. Es posible de ese modo realizar un captador de precision mejorada incluso cuando el iman es de longitud mayor que la carrera.

Esta tabla de la figura 5 permite ventajosamente determinar un caso particularmente optimo en el que las limitaciones son severas. El “caso #21” que corresponde a un caso en el que el entrehierro de medicion es reducido (2 mm), y en el que el iman (1) es de longitud mucho mas pequena que la carrera (20 mm para una carrera de 28 mm). En este caso, los efectos de borde son grandes y la proximidad entre la sonda (2) y el iman (1) hacen que el contenido armonico sea muy rico. Con un coeficiente corrector k de la tecnica anterior de 0,55, la mejor no linealidad obtenida es de +/-6% mientras que la no linealidad obtenida con un coeficiente correctivo G de 0,31, vale +/-0,6%. Se ha realizado asf un captador de gran precision con un iman de pequeno tamano y trabajando con un reducido entrehierro de medicion.

La figura 6a representa la vista esquematica de un primer ejemplo de realizacion del sistema de medicion de posicion absoluta angular, de iman de disco.

La imantacion, cuya direccion vana continuamente segun el grosor del iman (1), realiza una rotacion de 360°. La sonda se situa sobre un cfrculo indicado por (S), concentrico con el iman (1) y por encima del iman (1), y que representa el camino virtual sobre el que se desplaza la sonda (2) con relacion al iman (1) o el iman (1) con relacion a la sonda (2). Las componentes utilizadas para calculo de la posicion absoluta son las componentes electricas tangencial y normal, indicadas Vt y Vn, imagenes de las componentes magneticas Bt y Bn.

En la figura 6b, se representan en 360° de carrera angular mecanica las componentes Bt y Bn vistas por la sonda (2) situada a una distancia (D) de 3 mm de la superficie en el caso del iman (1) de diametro exterior de 20 mm, de diametro interior 10 mm y de grosor 2,5 mm. Se observa que estas senales contienen un armonico de orden i=3 que tiene la tendencia a generar una deformacion triangular y trapezoidal segun la componente.

En la figura 6c, se puede constatar de nuevo la aportacion del coeficiente G tal como se reivindica por la invencion que permite obtener una no linealidad del captador de +/- 0,4% contra +/-3,6% segun la proposicion de la tecnica anterior. El coeficiente aplicado es entonces de 0,67 contra 0,44 para la relacion simple de las amplitudes de las 2 senales.

La figura 7a representa una vista esquematica de un primer ejemplo de realizacion de un sistema de medicion de posicion absoluta angular, de iman (1) tubular.

La imantacion cuya direccion, vista por la sonda (2), vana continuamente en el interior del iman (1) realiza una rotacion de 360° sobre la carrera angular completa de 360°. La sonda (2) se situa sobre la trayectoria en forma de cfrculo indicada por (S), concentrica con el iman (1) y situada ventajosamente en la altura (A) del iman (1). Las componentes utilizadas para calculo de la posicion absoluta son las componentes electricas tangencial y normal indicadas como Vt y Vn, imagenes de las componentes magneticas Bt y Bn. Segun la altitud del diametro de lectura (S), se pueden elegir ventajosamente las componentes axial (Va) y tangencial (Vt) por razones de amplitud de induccion o de precision del captador.

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

En la figura 7b, se representan en 360° de carrera angular mecanica las componentes Bt y Bn vistas por la sonda (2) situada a una distancia (D) de 3,16 mm de la superficie en el caso de un iman (1) de diametro exterior de 7 mm, de diametro interior de 5 mm y de 3, 5 mm de grosor. Se observa el contenido armonico muy reducido de estas curvas que, a primera vista, tienen un perfil perfectamente sinusoidal.

En la figura 7c, se puede sin embargo constatar que, aunque la diferencia entre el coeficiente (G) reivindicado y el coeficiente (k) de la tecnica anterior sea reducido puesto que es igual a 1,03 debido a un contenido armonico reducido principalmente debido a la geometna de la herramienta de imantacion y a la permeabilidad del iman, su aporte es bien notable con una no linealidad del captador que se mejora de +/-0,3% a +/-0,04%.

La figura 8a representa la vista esquematica de un primer ejemplo de realizacion de un sistema de medicion de la posicion absoluta angular, de iman de teja.

La direccion de imantacion vana continuamente en el interior del iman (1) siguiendo la direccion de desplazamiento y la carrera angular estudiada completa es de 80°. La sonda (2) se situa delante del iman (1) sobre una trayectoria (S) que corresponde a un diametro mayor que el diametro exterior del iman (1), concentrico con el iman (1) y situada ventajosamente en la altura (A) del iman (1). Las componentes utilizadas para el calculo de la posicion absoluta son las componentes electricas tangencial y normal indicadas como Vt y Vn, imagenes de las componentes magneticas Bt y Bn. Segun la altitud del diametro de lectura (S), se pueden elegir ventajosamente las componentes axial (Va) y tangencial (Vt) por razones de amplitud de induccion o de precision del captador.

En la figura 8b, se pueden constatar las mejoras aportadas por la utilizacion de la ganancia G de la invencion con relacion a la utilizacion del coeficiente k de la tecnica anterior. Para una longitud angular del iman (1) de 90°, 100° y 120°, la mejor no linealidad obtenida pasa respectivamente de +/-4% a +/-1%, de +/-1,51% a +/-0,65% y de +/-0,9% a +/-0,39%.

La figura 9a representa la vista esquematica de un segundo ejemplo de realizacion del sistema de medida de la posicion absoluta angular, de iman de teja.

La direccion de imantacion vana continuamente en el interior del iman (1) segun el sentido de desplazamiento y la carrera angular completa estudiada es de 40°. La sonda (2) se situa delante del iman (1), a la distancia (D) del iman (1), sobre una trayectoria en forma de arco de cfrculo (S), concentrica con el iman (1). Las componentes utilizadas para el calculo de la posicion absoluta son las componentes electricas tangencial y normal indicadas como Vt y Vn, imagenes de las componentes magneticas Bt y Bn. Segun el diametro de lectura (S), se pueden elegir ventajosamente las componentes axial (Va) y tangencial (Vt) por razones de amplitud de induccion o de precision del captador.

En la figura 9b, se pueden constatar las mejoras aportadas por la utilizacion de la ganancia G de la invencion con relacion a la utilizacion del coeficiente k de la tecnica anterior. Para una longitud angular del iman (1) de 30°, 40°, 50° y 70°, la mejor no linealidad obtenida pasa respectivamente de +/-2,53% a +/-0,14%, de +/-5,3% a +/- 0,13%, de +/-3,7% a +/-0,45% y de +/-0,24% a +/-0,04%.

La figura 10 representa la vista esquematica de un tercer ejemplo de realizacion de un sistema de medicion de la posicion absoluta angular, de iman de teja. En este caso, la sonda (2) se situa sobre una trayectoria (S), concentrica con el radio de curvatura del iman (1), pero sobre un radio mas pequeno que este radio de curvatura. En efecto, una trayectoria (S) de un radio mas pequeno que el radio de curvatura, induce unos resultados diferentes en terminos de factor correctivo a aplicar debido a que el desplazamiento desarrollado es menor que si la trayectoria (S) es de un radio mayor que el radio de curvatura del iman (1).

La figura 11 presenta una configuracion de captador segun la invencion constituida por un iman anular (1) que presenta una imantacion multipolar cuya direccion vana continuamente. Se puede constatar en efecto que el anillo presenta 5 periodos imantados de angulo mecanico de 72°. Para cada penodo, se puede constatar que la rotacion de la direccion de imantacion vale 360°. La sonda (2) situada en la proximidad de la superficie del iman permite decodificar de ese modo la posicion angular en los 5 periodos durante la rotacion del iman con relacion a la sonda o de la sonda con relacion al iman. El captador de posicion no proporciona entonces ya una posicion absoluta en 360° de angulo de rotacion sino una posicion absoluta en un penodo de 72°. Este tipo de configuracion de iman multipolar permite proporcionar por ejemplo una posicion absoluta sobre el periodo electrico del motor. La precision del codificador influencia el rendimiento del motor o incluso la estabilidad del acoplamiento dinamico proporcionado por este ultimo. La invencion permite mejorar estos 2 factores mediante el empleo de la ganancia adaptada.

Se presenta en la figura 12 una variante del tipo de imantacion. A diferencia de la imantacion cuya direccion vana continuamente, le imantacion propuesta en este caso se realiza a traves de una modulacion de la amplitud de imantacion que vana continuamente segun una direccion unica, la que corresponde al desplazamiento del captador. Incluso en este caso si esta imantacion permite la obtencion de senales electricas casi sinusoidales, la introduccion de una ganancia diferente de la relacion de las amplitudes de las 2 senales medidas previamente al calculo de la arcotangente permite una precision incrementada.

La presente invencion, detallada en el presente documento e ilustrada en algunos ejemplos no esta por supuesto limitada a los captadores segun una direccion de desplazamiento. Con el mismo principio que el descrito anteriormente en el presente documento para una direccion de desplazamiento, un captador que siga dos direcciones de desplazamiento (se habla de captadores 2D) se realiza con la ayuda de una o varias sondas que 5 utilizan las 3 componentes (tangencial y las dos normales) del campo magnetico creado en el punto de medicion.

Claims (19)

1. 5

   10

   15

   20

   25

   30

   35

   40

   45

   50

   55

   60

   65

   REIVINDICACIONES

   1. Sistema de medida de la posicion absoluta que comprende un iman permanente, y al menos una sonda en movimiento relativo con relacion a dicho iman sobre una carrera dada, engendrando dicho iman en la sonda, un campo magnetico que presenta una primera componente magnetica Bt, denominada tangencial, segun la direccion de desplazamiento y una segunda componente magnetica Bn, denominada normal, ortogonal a la primera componente y en cuadratura, suministrando dicha sonda dos senales electricas Vn, Vt funciones de dichas componentes respectivamente Bn, Bt, as^ como unos medios de calculo que proporcionan una informacion de posicion calculada en funcion de la arcotangente de la relacion entre dichas senales Vn, Vt afectada por un coeficiente de correccion fijo G caracterizado por que dicho medio de calculo esta parametrizado para aplicar a una de las senales Vn, Vt una ganancia fija G no nula estrictamente diferente de k, en donde k designa la relacion Vmaxt / Vmaxn en donde Vmaxt y Vmaxn representan respectivamente la amplitud de la senal Vt y Vn en dicha carrera, estando la ganancia fija G calculada para minimizar las desviaciones entre unos valores de posicion resultantes de las componentes magneticas y unos valores de posicion mecanica reales correspondientes.
2. 2. Sistema de medicion de posicion absoluta segun la reivindicacion 1 caracterizado por que el iman permanente presenta una direccion de imantacion que vana continuamente segun la direccion de desplazamiento.
3. 3. Sistema de medicion de posicion absoluta segun la reivindicacion 1 caracterizado por que el iman permanente presenta una imantacion de direccion unica cuya intensidad vana continuamente segun la direccion de desplazamiento.
4. 4. Sistema de medicion de posicion absoluta segun una de las reivindicaciones precedentes caracterizado por que dicho medio de calculo esta parametrizado para aplicar a una de las senales Vn, Vt una ganancia fija G comprendida entre 0,4 k y 0,98 k
5. 5. Sistema de medicion de posicion absoluta segun una de las reivindicaciones 1 a 3 caracterizado por que dicho medio de calculo esta parametrizado para aplicar a una de las senales Vn, Vt una ganancia fija G comprendida entre 1,02 k y 2,5 k.
6. 6. Sistema de medicion de posicion absoluta segun una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5 caracterizado por que dicho captador magnetico comprende al menos dos elementos de efecto Hall.
7. 7. Sistema de medicion de posicion absoluta segun una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5 caracterizado por que dicho captador magnetico comprende al menos dos pares de elementos de efecto Hall asociados a un concentrador de flujo.
8. 8. Sistema de medicion de posicion absoluta segun al menos una de las reivindicaciones precedentes caracterizado por que el iman permanente es tubular.
9. 9. Sistema de medicion de posicion absoluta segun al menos una de las reivindicaciones 1 a 7 caracterizado por que el iman permanente es semitubular en forma de teja.
10. 10. Sistema de medicion de posicion absoluta segun al menos una de las reivindicaciones 1 a 7 caracterizado por que el iman permanente es de disco.
11. 11. Sistema de medicion de posicion absoluta segun al menos una de las reivindicaciones 1 a 7 caracterizado por que el iman permanente es un sector angular.
12. 12. Sistema de medicion de posicion absoluta segun al menos una de las reivindicaciones 1 a 7 caracterizado por que el iman permanente es paralelepipedico.
13. 13. Sistema de medicion de posicion absoluta segun la reivindicacion 2 y al menos una de las reivindicaciones 6 a 12 caracterizado por que el iman permanente esta imantado con una direccion que vana entre una direccion central normal, y unas direcciones tangenciales a los extremos de la carrera, siendo la rotacion total del angulo electrico sobre la carrera sustancialmente igual a 180°.
14. 14. Sistema de medicion de posicion absoluta segun la reivindicacion 2 y al menos una de las reivindicaciones 6 a 12 caracterizado por que el iman permanente esta imantado con una direccion que vana entre una direccion central tangencial, y unas direcciones tangenciales a los extremos de la carrera, siendo la rotacion total del angulo electrico sobre la carrera inferior a 360°.
15. 15. Sistema de medicion de posicion absoluta segun al menos una de las reivindicaciones 1 a 14 caracterizado por que el iman es de tipo anisotropo, estando alineada la direccion de imantacion con la direccion de anisotropfa.

    5

    10

    15

    20

    25
16. 16. Sistema de medicion de posicion absoluta segun la reivindicacion 15 caracterizado por que el iman presenta una anisotropfa cuya direccion de anisotrc^a vana continuamente.
17. 17. Procedimiento de parametrizacion de un sistema de medicion de posicion absoluta de acuerdo con al menos una de las reivindicaciones precedentes que consiste en determinar el valor maximo Vmaxn, Vmaxt de dichas senales Vn, Vt sobre la carrera util, en calcular un coeficiente k igual a la relacion Vmaxt / Vmaxn y en fijar un coeficiente de ganancia fija G no nulo estrictamente diferente de k antes del calculo de la arcotangente.
18. 18. Procedimiento de parametrizacion del sistema de medicion de la posicion absoluta de acuerdo con al menos una de las reivindicaciones 1-16 caracterizado por que se miden las senales Vn y Vt, se calcula la posicion magnetica mediante la arcotangente de la relacion Vn / Vt y se procede al minimizado de las desviaciones entre los valores de posicion magnetica calculados mediante la arcotangente y los valores de la posicion mecanica real, para determinar el coeficiente de ganancia fijo G.
19. 19. Procedimiento de realizacion de un sistema de medicion de posicion absoluta de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 16, caracterizado por que comprende una operacion preliminar de calibrado que consiste en establecer, mediante medicion o mediante simulacion y para una pluralidad de posiciones relativas diferentes de la sonda y del iman, una ley que vincule la medida X de cada una de la estas posiciones relativas con la relacion Vn/ Vt de las senales electricas Vn y Vt obtenidas para esta posicion relativa X, una operacion preliminar de optimizacion que consiste en determinar el valor de la ganancia fija G para el que las desviaciones, obtenidas para la pluralidad de posiciones relativas, entre las diferentes medidas de X y los diferentes valores correspondientes de la funcion C ■ Arctan(G ■ Vn / Vt) en la que C es una constante de construccion conocida, son mmimos, y una operacion posterior de aprovechamiento, que consiste en asimilar la medida X de una posicion relativa cualquiera de la sonda y del iman con el valor de la funcion C ■ Arctan(G ■ Vn / Vt).