Brevet FR2665547A1 — publié le 19920207

Procédé de commande haute fiabilité d'un système d'entranement et dispositif de mise en oeuvre de ce procédé L'invention concerne un procédé de commande haute fiabilité d'un système d'entraînement et un dispositif de mise en oeuvre de ce procédé. Dans les systèmes d'entralnement, du domaine spatial notamment, se pose un problème de fiabilité et de garantie des performances à long terme ( problèmes d'usure, de résistance à la fatigue,...). Dans les systèmes de l'art connu on ne peut connaître les résultats de fonctionnement de tels systèmes si ce n'est en faisant des tests de durée de vie. Mais on n'est pas capable de prévoir les résultats précis, car les simulations restent très empiriques, et pas forcément représentatives. Les différents paramètres de tels systèmes sont considérés comme s'ils étaient tous indépendants : il n'y a aucune spécification globale ce qui a pour conséquence d'entraîner un surdimensionnement de chaque système. Ainsi dans un document technique de l'ESA (European Space Agency) intitulé " Inter-orbit link antenna pointing mechanism Design, Manufacture and Test " ( Issue 2 ; February 1990 paragraphe 6.15), qui décrit un système de pointage d'antenne pour un satellite relai de type DRS (Data relay system), on prévoit les objectifs suivants - vie en orbite : durée de 10 ans, - cycles de repointage : 100 000, - marges des paramètres à prendre en compte. L'objet de l'invention est de rendre possible une modélisation totale d'un tel système en évitant les inconvénients susmentionnés. Elle propose à cet effet, un procédé de commande haute fiabilité d'un système d'entraînement d'un équipement mobile caractérisé en ce que pendant plusieurs étapes successives - on analyse les réponses dynamiques de l'équipement mobile - on optimise les paramètres mécaniques (inertie, frottement, résistance à la rupture) et - on optimise les paramètres des lois de commande générés électroniquement de manière à limiter les sollicitations sur le système d'entraînement et ainsi garantir une certaine durée de vie opérationnelle du système d'entraînement sans maintenance et sans dégradation des performances. Avantageusement un dispositif de mise en oeuvre de ce procédé comprend - une électronique de commande comportant un module logique qui génère les lois de commande un module de puissance - un système d'entraînement comportant un ou plusieurs organes moteurs éventuellement un système réducteur - un équipement mobile - et une chaîne de retour comportant des capteurs reliés aux différents modules suivants; un module de test et de simulation; un module d'optimisation des paramètres mécaniques; un module d'optimisation des paramètres électroniques. Avantageusement l'invention permet de minimiser les contraintes du système d'entraînement de façon à augmenter la durée de vie du système par l'utilisation de lois de commande adaptées, générées par l'électronique. Cela permet de conserver les caractéristiques intrinsèques du système pour une durée de fonctionnement plus importante. Cette particularité présente un intérêt majeur pour des applications spatiales où les interventions humaines ne sont pas possibles durant la phase opérationnelle. L'invention permet, en effet, de prendre en compte les effets dynamiques sur les mouvements, la vitesse d'échantillonnage de la commande ( discrétisation du temps) et la précision de la commande sur chaque valeur de consigne du mouvement, et a pour effet de minimiser les efforts dynamiques dans la partie mécanique commandée, donc la fatigue correspondante, et d'optimiser le dimensionnement du système d'entraînement. Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront d'ailleurs de la description qui va suivre, à titre d'exemple non limitatif, en référence aux figures annexées sur lesquelles - la figure 1 illustre le dispositif de mise en oeuvre du procédé selon l'invention ; - la figure 2 illustre différents circuits utilisés dans un exemple de réalisation dudit dispositif. Le procédé de commande selon l'invention s'applique à un système d'entraînement d'un équipement mobile dont la chaîne de commande, telle que représentée sur la figure 1, comporte - une électronique de commande 10 comprenant . un module logique 11 qui génère les lois de commande un module de puissance 12 - un système d'entraînement 13 comportant un ou plusieurs organes moteurs 14 par exemple un ou plusieurs moteurs pas à pas éventuellement un système réducteur 15 - ledit équipement mobile 16. Dans le domaine spatial, notamment, le système d'entraînement 13 est soumis à des contraintes spécifiques telles que - les conditions d'environnement ( utilisation dans le vide, plage de températures de fonctionnement contraignante, vibrations, ...), - les sollicitations dynamiques instantanées ou liées aux vitesses et accélérations ( roulement, frottement, vieillissement générant de l'usure et pouvant entraîner des ruptures). L'objet de l'invention est de dimensionner ltélectronique de commande 10 pour minimiser les contraintes du système d'entraînement, tout en répondant aux spécifications demandées à l'équipement telles que - la vitesse d'entraînement - le temps de ralliement - la précision de pointage - la bande passante - etc... Le procédé selon l'invention comporte plusieurs étapes successives pendant lesquelles - on analyse les réponses dynamiques de l'équipement mobile 16 - on optimise les paramètres mécaniques ( inertie, frottement, résistance à la rupture - on optimise les paramètres des lois de commande générées électroniquement. Dans la première étape, on utilise une loi de commande, qui se rapproche le plus possible d'une loi de commande obtenue, issue de simulations numériques réalisées à partir d'un modèle mathématique de la chaîne de commande Ce modèle mathématique étant du type avec I : inertie f : coëfficient de frottement k : coëfficient d'élasticité 6 : position Dans la seconde étape on optimise les paramètres mécaniques En effet le dimensionnement du système mécanique présente les caractéristiques suivantes - le système mécanique est soumis à des contraintes qui influent sur la durée de vie (lu). Pour analyser ces contraintes, le modèle mathématique du système d'entraînement est réalisé. L'essentiel des efforts est lié aux vibrations induites par la loi de mouvement, à la cadence d'échantillonnage de la commande numérique, et au nombre de micropas par pas appliqué au moteur, dans le cas d'un moteur pas à pas. - il existe une fatigue sous effort de la partie mécanique. Les efforts de contact sont décrits par la contrainte mécanique On doit avoir m cycles connu, Y étant un facteur de forme géométrique et O " l'accélération instantanée crète sur l'ensemble du mouvement, habituellement donné par la valeur des oscillations de plus grande amplitude. - L'analyse en fatigue met en évidence les éléments sensibles du système. Compte-tenu de ces informations, des modifications du concept mécanique peuvent être réalisées. - On peut effectuer un choix du mouvement : les valeurs de 1F et m connues initialement, servent à évaluer # " max qui impose le choix des lois de commande ( forme d'entraînement du mouvement, cadence d'échantillonnage, décomposition en micropas). - Pour optimiser les paramètres mécaniques on peut, d'une part, modifier l'état des surfaces et jouer sur certains paramètres tel que le frottement, et d'autre part, jouer sur la nature des matériaux. Dans la troisième étape on procède au dimensionnement de l'électronique de commande. - L'unité logique réalise électroniquement la loi de commande définie ci-avant qui minimise les contraintes mécaniques du système d'entraînement ( exemple : loi polynomiale du 5è ordre ). - L'unité analogique réalise la commande bidirectionnelle en puissance du moteur, pas à pas par exemple, avec un contrôle du courant circulant dans les enroulements moteur. - En rebouclant on affine les lois de commande du système d'entraînement. On réalise ainsi les actions successives suivantes - Simulations numériques donnant les réponses dynamiques, - Analyse de ces réponses dynamiques de façon à identifier les éléments sensibles du système, - Amélioration éventuelle du concept mécanique, - Analyse paramètrique permettant de minimiser les contraintes mécaniques, - Définition de la loi de commande qui optimise la durée de vie du système, - Conception électronique des lois de commande. Le dispositif de mise en oeuvre du procédé de l'invention peut être réalisé par une chaîne de retour qui comprend - des capteurs 17 reliés aux différents modules suivants - un module 18 de test et de simulation, - un module 19 d'optimisation des paramètres mécaniques, - un module 20 d'optimisation des paramètres électroniques. Dans un exemple de réalisation utilisant un moteur pas-à-pas, l'alimentation des enroulements de ce moteur se fait par commande sinus/cosinus pour un moteur biphasé. La loi de commande est échantillonnée électroniquement à une fréquence suffisamment élevée pour minimiser les contraintes sur le système d'entraînement. Les simulations numériques permettant d'optimiser cette valeur. Dans ces conditions le moteur est alimenté avec une commande de type micro-pas. Chaque pas électrique est décomposé en n micro-pas électroniques. Dans un tel exemple le procédé décrit correspond à l'optimisation du nombre d'échantillons définissant la position instantanée, générée par le dispositif de commande. Le mouvement du moteur pas à pas entraîné est alors déterminé en pas et micro-pas. Le déroulement de la loi de commande nominale peut être modifié par l'apparition d'évènements extérieurs ( par exemple : butées électriques, ...) . Dans ce cas des séquences particulières sont prises en compte : la fermeture d'une butée peut générer par exemple une séquence d'arrêt d'urgence. Comme représenté sur la figure 2, l'électronique de commande 10 comporte alors - le module logique 11 qui comprend un module loi de commande 22 . un module commande de vitesse 23 . un registre de position 24 permettant de prendre en compte des informations issues des deux précédents modules en fonction du temps un module 25 de génération d'un signal en sinus/cosinus un module 26 convertisseur numérique/analogique - le module analogique de puissance 12. Il est bien entendu que la présente invention n'a été décrite et représentée qu'à titre d'exemple préférentiel et que l'on pourra remplacer ses éléments constitutifs par des éléments équivalents sans, pour autant, sortir du cadre de l'invention. Revendications 1) Procédé de commande haute fiabilité d'un système d'entraînement d'un équipement mobile, caractérisé en ce que pendant plusieurs étapes successives - on analyse les réponses dynamiques de l'équipement mobile - on optimise les paramètres mécaniques ( inertie, frottement, résistance à la rupture ) et - on optimise les paramètres des lois de commande générés électroniquement de manière à limiter les sollicitations sur le système d'entraînement et ainsi garantir une certaine durée de vie opérationnelle du système d'entraînement sans maintenance et sans dégradation des performances. 2) Dispositif de mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend - une électronique de commande (10) comportant un module logique (11) qui génère les lois de commande un module de puissance (12) - un système d'entraînement (13) comportant un ou plusieurs organes moteurs (14) éventuellement un système réducteur (15) - un équipement mobile (16), - et une chaîne de retour comportant des capteurs (17) reliés aux différents modules suivants . un module (18) de test et de simulation . un module (19) d'optimisation de paramètres mécaniques . un module (20) d'optimisation des paramètres électroniques.