Brevet FR2647922A1 — publié le 19901207

DISPOSITIF DE COMMANDE ELECTROMECANIQUE UTILISABLE POUR LE PILOTAGE D'UN VEHICULE. La présente invention concerne un dispositif de commande électromécanique utilisable pour le pilotage d'un véhicule, tel que, par exemple, un aéronef. D'une manière générale, on sait que l'utilisation des commandes électriques de vol sur les aéronefs amène à repor- ter au niveau des manches de pilotage deux fonctions essen- tielles, à savoir: - la création d'un effort résistant (fonction de sensation artificielle), - la fixation du point neutre de cet effort résistant en un emplacement déterminé de la course du manche de pilotage (fonction de "trim"). Dans les dispositifs de commande mécanique, ces fonctions sont réalisées le plus souvent par un dispositif placé en parallèle sur la timonerie (actionneur de "trim" et de sensation d'effort). Bien entendu, ces mêmes fonctions sont à prévoir, en général avec des caractéristiques différentes, sur les deux axes (longitudinal et latéral) de chaque manche, dont les posi- tions mesurées par des capteurs constituent les ordres de -2- pilotage, que ce soit par commande de position ou de vitesse (ou commande intégrale). Par ailleurs, pour tenir compte des conditions extérieures (par exemple la vitesse), ces dispositifs de commande doivent comprendre des moyens permettant de faire varier en vol certaines caractéristiques de la loi d'effort appliquée au manche en vue d'obtenir la sensation d'effort résistant la plus appropriée. Les dispositifs de commande électriques utilisés sur les aéronefs font plus particulièrement intervenir: - un manche de pilotage dont une extrémité est munie d'une pluralité de boutons de commande ("sapin de trim", débrayage et priorité) et dont l'autre extrémité est articulée sur un support au moyen d'un dispositif d'arti- culation à deux degrés de liberté, qui présente donc deux axes de sortie correspondant respectivement au roulis et au tangage; - un ensemble de détection comportant un ou plusieurs capteurs de position associés à chacun de ces axes; - deux électromécanismes conçus de manière à opposer aux mouvements du manche un effort résistant déterminé (élas- tique ou visqueux), ces deux électromécanismes étant habituellement reliés aux axes de roulis et de tangage, soit directement, soit par l'intermédiaire d'un disposi- tif de transmission; et - un circuit électronique de commande de l'ensemble qui reçoit des ordres d'un calculateur et lui transmet des informations utiles. De même que les dispositifs de commande mécanique précédem- ment évoqués, ces dispositifs de commande électrique doivent être conçus de manière à garantir un maximum de sécurité, -3- notamment en limitant les pannes non catastrophiques (fonc- tionnement dégradé) et en interdisant les pannes catastro- phiques. Ainsi, dans les dispositifs de commande électrique du type de celui précédemment décrit, les moyens de sécurité contre les risques de blocage ou de fonctionnement erroné des élec- tromécanismes servant à engendrer la loi d'effort désirée, comprennent généralement un embrayage monté dans le disposi- tif de transmission reliant le manche à chacun de ces élec- tromécanismes; cet embrayage permet notamment de libérer le manche à la suite de la réception d'un signal de commande émis à la suite de la détection d'une anomalie présente au niveau de l'électromécanisme et des circuits électroniques qui lui sont associés. Il s'avère toutefois que ces dispositifs de sécurité demeu- rent imparfaits et ne permettent pas de pallier à toutes les anomalies de fonctionnement dont peut faire l'objet le dispositif de commande. Tel est notamment le cas lorsque survient: - un blocage du dispositif de transmission associé à un électromécanisme (y compris un blocage mécanique au niveau de l'embrayage), - un fonctionnement erroné des circuits électroniques de commande et d'asservissement des électromécanismes, - un défaut du circuit de commande de l'embrayage. L'invention a donc plus particulièrement pour but de suppri- mer les risques engendrés par de telles anomalies. A cet effet, elle propose un dispositif de commande électri- que du type susdit dans lequel le dispositif de transmission reliant le manche à chacun des électromécanismes comprend une liaison élastique disposée en série. - 4 - Avantageusement, ce dispositif pourra en outre comprendre des moyens permettant d'effectuer la mesure des déformations de la susdite liaison élastique ainsi que des moyens aptes à déterminer la valeur de l'effort exercé sur le manche par chacun des électromécanismes à partir de la valeur mesurée desdites déformations. La commande de chacun des électromécanismes pourra être alors assurée par un dispositif d'asservissement engendrant un signal de commande représentatif de la différence entre la valeur de l'effort exercé sur le manche (telle que précé- demment déterminée) et une valeur de consigne élaborée par un calculateur selon une loi d'effort, en fonction de la position du manche. Un mode de réalisation de l'invention sera décrit ci-après, à titre d'exemple non limitatif, avec référence aux dessins annexés dans lesquels: La figure 1 est une représentation schématique illus- trant la structure générale d'un dispositif pour la commande électrique de vol d'un aéronef (miniman- che); La figure 2 est un schéma synoptique de la liaison cinématique reliant le manche à l'un des électroméca- nismes servant à engendrer un effort résistant, varia- ble selon une loi d'effort, cette figure représentant en outre schématiquement les circuits électroniques associés à cette liaison; et La figure 3 est un diagramme représentant la variation du couple résistant appliquée sur le manche par l'une des liaisons cinématiques, selon une loi d'effort déterminée en fonction de la position angulaire du manche, ainsi que la variation des principaux efforts mis en jeu pour engendrer ce couple, - 5 - Tel que représenté sur la figure 1, le dispositif de comman- de électrique fait intervenir un manche 1, dont une extrémi- té porte une poignée 2 pouvant être équipée de boutons de commande usuels ("sapin de trim", débrayage et priorité) et dont l'autre extrémité est articulée sur un support au moyen d'un dispositif d'articulation 3 à deux degrés de liberté qui présente donc deux axes de sortie 4, 5, l'un de ces axes correspondant au roulis, tandis que l'autre correspond au tangage. Ce manche 1 est accouplé à deux électromécanismes 6, 7 pouvant, par exemple, comprendre chacun un motoréducteur conçu de manière à opposer un effort résistant déterminé (élastique ou visqueux) aux mouvements du manche 1. Ces deux électromécanismes 6, 7 sont respectivement reliés aux deux axes 4, 5 du manche 1 par l'intermédiaire de deux dispositifs de transmission 8, 9 respectifs, représentés ici schématiquement par deux blocs. La position angulaire du manche 1 est détectée par deux capteurs 10, 11 respectivement accouplés aux deux axes de sortie (ou à un élément des dispositifs de transmission 8, 9 associé à ces axes). Ce dispositif est géré par un calculateur 12, par l'intermé- diaire d'un circuit électronique 13 de commande et de détec- tion qui assure la commande des électromécanismes 6, 7 ainsi que des éléments de commande des dispositifs de transmission 8, 9, et qui reçoit des informations relatives aux paramè- tres utiles détectés au niveau du manche 1 et des disposi- tifs de transmission 8, 9. Dans le mode d'exécution représenté sur la figure 2, 1'élec- tromécanisme associé à chacun des axes de sortie de l'arti- culation du manche consiste en un moteur à courant continu M, qui peut être avantageusement de type autoasynchrone (sans balais). I1 est accouplé à l'axe 4 ou 5, par l'intermédiaire -6- d'un dispositif de transmission rotatif comprenant succes- sivement, à partir du moteur: - un embrayage E à commande électrique de type à appel de courant (débrayé en l'absence de courant d'alimenta- tion) ; - un amortisseur A à courant de Foucault; - un premier réducteur R1 démultiplicateur présentant un rapport de démultiplication r1; - une liaison élastique L pouvant par exemple consister en un ressort de torsion T (présentant une précontrainte P et une raideur g) dont une extrémité est reliée'à l'arbre de sortie du réducteur R1; - un second réducteur R2 présentant un rapport de réduction r2 dont l'arbre d'entrée est relié à la deuxième extrémi- té de la liaison élastique L et dont l'arbre de sortie est accouplé à l'axe de sortie 4, 5 du manche 1. Dans cet exemple, les positions angulaires des arbres de sortie des réducteurs R1, R2 sont respectivement mesurées par deux détecteurs D1, D2. Par ailleurs, le manche 1 est rappelé en position centrale, grâce à deux ressorts R0, R'0 de précontrainte P0, P'0 et de raideur g0, g'0 appliquant respectivement un couple relativement faible sur les deux axes de sortie 4, 5 de l'articulation 3 (ce dispositif est nécessaire pour assurer la commande des gouvernes en vitesse ou en commande intégrale, en mode dégradé, si ce type de pilotage est prévu). Il ressort de la structure précédemment décrite que le dispositif de commande permet d'opposer aux mouvements du manche 1 des efforts de nature élastique engendrés par une combinaison de moyens électromécaniques (moteur M) et de moyens purement mécaniques (moyens élastiques L). -7- La précontrainte p du ressort T engendre un seuil qui est ramené sur l'axe de sortie 4, 5 de l'articulation 3 (seuil désiré) auquel se rajoutent les frottements engendrés dans l'articulation 3. Les caractéristiques du ressort T et du réducteur R2 étant connues, les valeurs mesurées par les détecteurs D1, D2 (dont l'écart est représentatif des déformations angulaires du ressort T) permettent de calculer le couple transmis à l'axe 4, 5 par le dispositif de transmission 8, 9. L'embrayage E permet notamment de libérer le manche 1 du couple résistant exercé par le moteur M, en cas d'anomalie de fonctionnement de ce dernier. Dans ce cas, l'amortisseur A permet de garantir encore une certaine qualité du pilota- ge. A cette fonction de sécurité s'ajoute celle conférée par le ressort T dans le cas d'un blocage du moteur M et o de la partie du dispositif de transmission située en amont de ce ressort T. Dans ce cas, l'actionnement du manche 1 demeure possible et s'effectue avec un effort résistant essentielle- ment dû à l'action du ressort. Comme précédemment mentionné, le moteur M (qui constitue ici le susdit électromécanisme) est alimenté de manière à engen- drer un couple résistant variant en fonction de la position angulaire a du manche 1 selon une loi d'effort prédétermi- née. Dans cet exemple, la loi d'effort est déterminée par un circuit électronique 15 qui élabore un signal C0 représenta- tif du couple qui-doit être exercé sur l'axe de sortie 4, 5 de l'articulation 3 du manche 1, en fonction de la position angulaire a du manche 1 mesurée par le détecteur D2 et d'ordres divers provenant notamment du système de pilotage (liaison 15' avec le calculateur 12). En fait, le signal a émis par le détecteur D2 est appliqué à l'une des entrées d'un soustracteur 16 dont l'autre entrée reçoit un signal de -8référence aO élaboré par le calculateur 12. Ce soustracteur 16 délivre donc un signal La = a0 - a qui est appliqué au circuit 15. Le signal C0 délivré par le circuit 15 est transmis, en tant que valeur de consigne, à l'une des entrées d'un soustrac- teur 17 qui reçoit, sur son autre entrée, un signal C repré- sentatif du couple transmis à l'axe de sortie 4, 5 de l'articulation 3 du manche 1 par le dispositif de transmis- sion 8, 9. Ce signal C est lui-même élaboré par un circuit de calcul 18 en fonction des valeurs angulaires a, a ' détectées par les détecteurs D1, D2, et des caractéristiques du ressort T. Le signal d'erreur AC délivré par le soustracteur 17 est alors appliqué au moteur M après amplification par un ampli- ficateur de puissance 19. On obtient ainsi une commande asservie du moteur M à deux boucles d'asservissement successives (position angulaire/- couple) qui permet d'utiliser une loi d'effort relativement complexe, par exemple de type élastique ou de type visqueux. La figure 3 montre, à titre d'exemple, une loi d'effort C1 de type élastique à deux pentes, ainsi que les différents couples pris en compte pour l'élaboration de cette loi d'effort, en particulier, le couple C2 exercé par le ressort principal T et le couple engendré par le ressort d'équili- brage R0. Le couple de consigne C0 est élaboré ici, à partir de l'écart La = a - apar le circuit de calcul 15, lequel peut être aussi bien analogique que numérique. Tous les paramètres caractéristiques de cette loi peuvent être commandés de l'extérieur. Dans le cas o la loi d'effort est de type visqueux, la consigne oD demeure égale à 0. Seule la loi d'élaboration de la consigne de couple est différente. On a en effet: -9- C = C0 + go a = Za Z étant l'amortissement désiré. D'o la loi d'élaboration du couple: C0 = za - g0a Bien entendu, la dérivation nécessaire sera imparfaite, et de la forme a 1 + IS avec T voisin de 1 ms. On en déduit la nouvelle fonction à réaliser: 1+ (1- --) s C0 = - gog CO -go 1 + Ts Si la compensation du ressort d'équilibrage est parfaite, le manche reste à l'endroit o on le lâche, pourvu que sa vitesse soit nulle. Comme précédemment mentionné, dès le départ le système est conçu pour éliminer l'éventualité de pannes catastrophi- ques. Les principales dispositions permettant d'aboutir àce résultat sont énnumérées ci-après. 1) FONCTIONNEMENT AVEC COUPURE DES EFFORTS Dans ce cas, l'embrayage n'est pas alimenté et la comman- de du moteur est inhibée. Le manche est rappelé au zéro par le ressort d'équilibra- ge. Il bénéficie de l'amortissement apporté par l'amor- tisseur à courants de Foucault A, au travers du ressort principal T. - 10 - Ce cas correspond, bien entendu, à un mode dégradé de fonctionnement. 2) PERTE DE L'INFORMATION DE POSITION Du point de vue électrique, il est clair que le problème est résolu par l'utilisation de quatre chaînes indépen- dantes sur chaque axe. Du point de vue mécanique, on dispose des détecteurs au plus près du manche 1. Les quatre détecteurs d'un axe ne sont pas entraînés par le même organe: on pourra admet- tre cependant deux détecteurs double entraînés par deux roues différentes. 3) BLOCAGE MECANIQUE C'est la raison profonde de l'utilisation du ressort qui permet de surpasser tout blocage en amont dans la chaine. De plus, si le blocage a lieu au niveau du moteur, on pourra encore annuler les efforts par un débrayage. Un blocage dans le ressort principal T lui-même, qui perd ainsi son élasticité, est ressenti immédiatement par le pilote qui est ainsi amené à débrayer le mécanisme. Le blocage au niveau de l'articulation ou du ressort d'équilibrage est la seule cause catastrophique de bloca- ge. Quelle que soit la solution adoptée, elle ne peut être éliminée. Par conséquent, il est nécessaire que la conception même et, en particulier, la simplicité du dispositif, interdisent pratiquement tout risque de blocage (probabilité de l'ordre de 10-8 à 10-9 par heure de vol). Le ressort d'équilibrage pourrait d'ailleurs être supprimé dans le cas o on n'exigerait pas de mode dégra- dé en commande intégrale: en effet, cette situation - 11 - pourrait éventuellement être remplacée par un passage en commande de position. 4) RUPTURE DE LA CHAINE Pourvu que la rupture se produise en amont des détecteurs a, il n'en résulte pas de conséquence désastreuse. On se retrouve en situation d'annulation des efforts. Le cas de la rupture au niveau des détecteurs ramène au paragraphe 2). ) PANNES D'ELECTRONIQUE On se prémunit contre les pannes d'électronique, entre 15. autres celles conduisant à un emballement du moteur, en effectuant des contrôles de cohérence sur certains paramètres internes. On peut remarquer qu'en fonctionnement normal: a) le terme d'écart AC = C0 - C de l'asservissement de couple doit être voisin de zéro; b) que le manche soit piloté ou non, le couple appliqué au manche 1 s'annule en même temps que l'écart a0 - a. Donc, si on désigne par X, Y et Z les fonctions logiques suivantes: x > c0 - cl > E1 Y > I C | > E2, ce couple C étant cal- culé par la formule: C = P0 sign a0 + g0a + mg (ma - a') Z > 1a0 - > E3 - 12 - On pourra utiliser comme signal de défaut la fonction suivante: DEF = X + Yz + ZY Les E, E1 et E2 sont de petites quantités à optimiser. Dans l'exemple représenté figure 1, le dispositif est en outre complété par un dispositif de surveillance 20 qui surveille en permanence les valeurs du signal d'erreur de position La, du signal d'erreur de couple AC ainsi que les valeurs relatives des angles a, a' mesurées par les détec- teurs D1, D2 ainsi que la valeur du signal de référence a0. Ce dispositif de surveillance est conçu de manière à émet- tre, lorsque survient une anomalie dans les paramètres précédemment évoqués, un signal de défaut qui est transmis au calculateur de gestion 12 de l'ensemble du dispositif. A la suite de l'émission de ce signal de défaut, le calcula- teur 12 commande l'interruption de l'alimentation en courant électrique de l'embrayage E, de manière à provoquer un débrayage. Dans ce cas, le dispositif d'asservissement n'intervient plus et l'amortisseur garantit encore une certaine qualité du pilotage. - 13 - Revendications 1. Dispositif de commande électromécanique utilisable pour le pilotage d'un véhicule, ce dispositif faisant inter- venir: - un manche de pilotage (1) articulé sur un support au moyen d'un dispositif d'articulation (3) à deux degrés de liberté et qui présente donc deux axes de sortie (4, 5); - un ensemble de détection comportant un ou plusieurs capteurs de position (10, 11) associés à chacun de ces axes (4, 5); - deux électromécanismes (6, 7) agissant respectivement sur lesdits axes (4, 5) par l'intermédiaire de deux dispositifs de transmission respectifs, de manière à opposer aux mouvements du manche (1) des efforts résis- tants conformément à une loi d'effort prédéterminée, caractérisé en ce que chacun des dispositifs de transmission comprend une liaison élastique (T) disposée en série. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la commande de chacun des électroméca- nismes (M) est assurée par un dispositif d'asservissement engendrant un signal de commande représentatif de la diffé- rence (AC) entre la valeur de l'effort (C) exercé sur le manche (1) par l'électromécanisme (M) et une première valeur de consigne (C0) élaborée par un calculateur (15) selon une loi d'effort, en fonction de 'la position du manche (1). 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la valeur de l'effort (C) exercé sur le manche (1) par l'électromécanisme (M) est déterminée à l'aide de détecteurs (D1, D2) mesurant les déformations de la liaison élastique (T). - 14 - 4. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la susdite première valeur de consigne (C0) est élaborée en fonction de l'écart entre une valeur (a) représentative de la position du manche et une valeur de consigne (ao). 5. Dispositif selon l'une des revendications précé- dentes, caractérisé en ce que le susdit électromécanisme comprend un moteur (M) apte à engendrer un couple (C) sur un axe de sortie (4, 5) correspondant de l'articulation (3) du manche (1), et en ce que le susdit dispositif de transmission comprend successivement, à partir du moteur: un embrayage (E) à commande électrique de type à appel de courant, - un amortisseur (A) à courant de Foucault, - un premier réducteur (R1), - un ressort de torsion constituant la susdite liaison élastique, - un second réducteur (R2) dont l'arbre de sortie est accouplé à l'axe de sortie,(4, 5) de l'articulation (3) du manche (1). 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que les deux détecteurs (D1, D2) permet- tent de déterminer l'écart angulaire formé entre les deux extrémités du ressort (T), et en ce qu'il comprend des moyens (18) permettant de déterminer, à partir de cet écart angulaire, le couple (C) appliqué au manche (1) par le dispositif de transmission. 7. Dispositif selon l'une des revendications 5 et 6, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens (20) de détec- tion de défaut de fonctionnement du dispositif d'asservisse- ment et des moyens (E) permettant de provoquer le débrayage du dispositif de transmission lorsqu'un défaut a été consta- té. - 15 - 8. Dispositif selon l'une des revendications précé- dentes, caractérisé en ce que le manche (1) est sollicité par un ressort d'équilibrage (To)