Brevet FR2738688A1 — publié le 19970314

L'invention concerne un procédé de commande d'une charge électromagnétique, enparticulier d'une électrovanne pour une pompe d'injection pour moteur Diesel, et plus précisément un procédé de commande d'un étage final de puissance pour une charge électromagnétique montée en série avec celui-ci, en particulier pour une électrovanne d'une pompe d'injection d'un moteur à combustion interne Diesel, au moyen d'un courant d'activation élevée et ensuite d'un courant de maintien faible réglé sur une valeur prédéterminée, le procédé mettant également en oeuvre une commande temporisée et une tension de roue libre commutable. L'invention concerne également un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé et plus précisément un étage final de puissance pour une charge électromagnétique, en particulier une électrovanne pour une pompe d'injection d'un moteur à combustion interne Diesel, qui est connecté en série avec la charge à une tension d'alimentation, et comportant un circuit de roue libre commutable d'une tension de roue libre basse à une tension de roue libre haute et un circuit de commande de temporisation. Dans de nombreuses applications, en particulier dans la technique automobile, on a besoin d'électrovannes capables de commuter des pressions élevées en des temps brefs soumis à des tolérances étroites. Ces électrovannes sont nécessaires par exemple pour la commande électronique de moteurs Diesel afin de réduire la consommation de carburant et d'obtenir des gaz d'échappement de meilleure qualité. Un respect exact de l'instant de début de l'in- jection et de la durée de l'injection sont absolument indispensables. En outre, en particulier lorsque la durée d'activation de l'électrovanne est importante (quelques ms), la puissance dissipée de la bobine excitatrice doit être maintenue aussi faible que possible et les tensions dûes à des parasites électromagnétiques provenant de l'ensemble constitué de la partie électronique et la bobine excitatrice doivent être limitées à des valeurs requises. Les électrovannes à commutation rapide ayant une durée d'activation assez importante sont commandées en trois phases: - pendant la phase d'activation, une tension positive aussi importante que possible est appliquée à la bobine excitatrice (aimantation) afin de pouvoir créer aussi vite que possible un courant élevé et donc un champ magnétique suffisant pour attirer rapidement l'armature; - pendant la phase de maintien, le courant est réglé sur une valeur prédéterminée afin que la puissance dissipée dans la bobine soit limitée; et - pendant la phase de désactivation, une tension négative importante est appliquée à la bobine excitatrice (désaimantation), afin de permettre une décharge rapide du courant accumulé pour faire retomber rapidement l'armature. On connaît deux variantes fondamentales de commande pour les électrovannes à commutation rapide. Dans la première variante, une tension importante (environ 100V) est engendrée et appliquée à la bobine excitatrice pendant la phase d'activation. Après l'ouverture de l'électrovanne, il suffit d'une tension considérablement plus faible (environ 12 V) pour maintenir l'électrovanne ouverte pendant la phase de maintien. Ce sont les moyens nécessaires pour produire la tension élevée et pour accumuler suffisamment d'énergie pour la phase d'activation qui constituent un inconvénient. Les condensateurs électrolytiques limitent de façon significative la température admissible et la durée de vie, tandis que les condensateurs à clinquant sont très grands et onéreux. Dans la deuxième variante, on utilise une bobine excitatrice ayant une faible résistance interne, pour pouvoir commuter rapidement même avec une faible tension (par exemple 12 V). Dans ce cas, le courant de maintien traversant la bobine excitatrice pendant la phase de maintien doit également être limité. Cela se produit soit par un réglage analogique du courant de maintien (faibles parasites électromagnétiques, mais puissance de dissipation importante en cas de durées d'activation importantes), soit par un réglage par commutation qui permet de disposer d'une tension de bobine à modulation d'impulsions en durée et qui entraîne ainsi une puissance dissipée considérablement plus faible par rapport à un réglage analogique. Mais dans ce cas sur les lignes d'alimentation en particulier, les variations rapides de courant entraînent des parasites électromagnétiques importants. A cause des gammes de températures ambiantes importantes, des fréquences élevées (flancs de commutation raides) et des courants élevés, les condensateurs électrolytiques sont peu appropriés comme accumulateurs intermédiaires d'énergie pour le déparasitage. Une électrovanne d'injection de carburant du type décrit est connue par le document DE-OS 28 28 678. Le but de l'invention est de créer un procédé et un dispositif de commande d'une charge électromagnétique sans condensateurs d'accumulation, avec lesquels la puissance de dissipation et les tensions électromagnétiques parasites peuvent être maintenues à un faible niveau sur les lignes d'alimentation. L'invention a donc pour objet un procédé de commande du type défini ci-dessus qui est caractérisé en ce que, lors de l'activation de la charge, la tension de commande est augmentée depuis la valeur zéro, à une vitesse de montée constante importante jusqu'à ce que la tension sur l'étage final ait atteint une valeur prédéterminée et que la phase d'aimantation commence, dans les phases d'aimantation pendant lesquelles le courant traversant l'étage final est égal au courant traversant la charge, la tension sur l'étage final est réglée par la tension de commande sur une valeur prédéterminée jusqu'à ce que le courant, traversant l'étage final ou la charge ait atteint la valeur prédéterminée maximale. chaque fois qu'une valeur maximale du courant d'activation ou du courant de maintien est atteinte, la tension de commande, de façon répétitive jusqu'à la désactivation de la charge, a) est réduite pendant une durée prédéterminée, à une faible vitesse de descente constante jusqu'à ce que le courant traversant l'étage final ait atteint une valeur prédéterminée, b) est ensuite maintenue constante à cette valeur jusqu'à la fin de la durée prédéterminée, c) après la fin de la durée prédéterminée augmente à une faible vitesse de montée constante jusqu'à ce que le courant traversant l'étage final cl) atteigne une valeur prédéterminée ou c2) devienne égal au courant traversant la charge, après quoi a lieu une phase d'aimantation jusqu'à ce que le courant atteigne la valeur prédéterminée et en ce que lors de la désactivation de la charge, par la commutation de la tension de roue libre sur une valeur élevée, la tension de commande est réduite à une vitesse de descente constante élevée jusqu'à la valeur zéro. L'invention a également pour objet un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé, du type défini ci-dessus et qui est caractérisé en ce qu'il comprend: un intégrateur dont la tension de sortie est la tension de commande pour l'étage final, au moins des petite et grande sources de courant ainsi que des petit et grand récepteurs de courant dont les courants de sortie peuvent être envoyés à l'intégrateur par l'intermédiaire de contacteurs, pour en assurer la charge ou la décharge rapide ou lente, et un circuit de commande qui, en fonction d'un signal de commande, active les contacteurs et la commutation du circuit de roue libre à partir de certaines valeurs prédéterminées de la tension appliquée à l'étage final ou à la charge ainsi qu'à partir de certaines valeurs du courant traversant l'étage final ou la charge et à partir d'un circuit de commande de temporisation déterminant une certaine durée. Un exemple de réalisation de l'invention est expliqué plus en détail ciaprès, en référence aux dessins annexés sur lesquels: la figure 1 est un schéma fonctionnel d'un étage final de puissance suivant l'invention, la figure 2 est un diagramme des temps montrant les signaux de cet étage final de puissance, et les figures 3a et 3b représentent un organigramme du déroulement du procédé lors du fonctionnement de cet étage final de puissance. La figure 1 représente un schéma fonctionnel d'un étage final de puissance E suivant l'invention commandé par un microcontrôleur MC, fonctionnant avec une tension d'alimentation Vbat, destiné à la commande d'une électrovanne pour une pompe d'injection de moteur Diesel. Un intégrateur I, inverseur dans cet exemple de réalisation, fournit une tension de commande Vcon pour l'étage final E, lequel présente au moins un transistor bipolaire ou un transistor MOSFET. L'intégrateur peut être chargé par des contacteurs Si à S4 commandés par le microcontrôleur MC au moyen de deux récepteurs de courant Sgr et Skl (Vcon augmente rapidement ou plus lentement) ou être déchargé au moyen de deux sources de courant Qgr et Qkl (Vcon diminue rapidement ou plus lentement). A mesure qu'augmente la tension de commande Vco,n le courant Id traversant l'étage final E augmente. La bobine excitatrice Sol est reliée à un circuit de roue libre commutable qui, lorsque la charge est activée (signal d'activation St = H) peut reprendre le courant Isoi circulant dans la bobine excitatrice Sol avec une chute de tension minimale et qui, lorsque la charge est désactivée (signal d'activation St = L), est commuté sur une tension de roue libre la plus élevée possible, dépendant des valeurs limites des composants utilisés, afin de pouvoir réduire le plus rapidement possible le courant circulant dans la bobine excitatrice. Dans cet exemple de réalisation, la tension Vd sur l'étage final E et le courant Id, traversant l'étage final, qui est transformé en tension au moyen d'un convertisseur courant-tension W, sont comparés au moyen de comparateurs Kv et Ki à des valeurs de seuil Vdmin+, Vdmin, Ipk, IHmax et Idmin dont il sera question dans la suite de la description. Les signaux de sortie de ces comparateurs sont appliqués au microcontrôleur MC qui, à l'aide de ces signaux, commande le déroulement du procédé mis en oeuvre dans l'étage final de puissance E. Le microcontrôleur MC contient une horloge T qui permet d'obtenir le temps de roue libre toff exact et donc un courant de maintien IHmin minimal suffisant dans la bobine excitatrice Sol. La tension Vso0 sur la bobine excitatrice peut être contrôlée en plus (par les valeurs de seuil Vsolmax+ et Vsolmax-) ou alternativement avec la tension Vd. En cas d'une tension d'alimentation Vbat importante, il est possible que le courant d'activation Ipk maximal soit atteint avant que l'électrovanne soit commutée mécaniquement. Dans ce cas, une identification de la commutation de l'électrovanne par l'identification de la modification de l'accroissement de courant n'est plus possible. Pour contribuer à résoudre ce problème, la tension Vso1 sur la bobine excitatrice Sol peut être mesurée et être limitée par un réglage sur une valeur maximale Vsomx. Ainsi, à partir d'une grandeur déterminée de la tension d'alimentation, l'accroissement de courant traversant la bobine excitatrice est limité. Etant donné que tous les éléments du schéma fonctionnel décrit sont connus en soi, un schéma de connexions détaillé est superflu. A l'aide des figures 2 et 3, auxquelles il ne sera plus fait référence, on va maintenant décrire individuellement le procédé de commande se déroulant dans ce dispositif. Lorsque l'électrovanne est fermée, les contacteurs Si à S4 sont ouverts et l'étage final E est non-conducteur. Par le signal d'activation St = H, le microcontrôleur MC ferme le contacteur S1. De ce fait, le grand récepteur de courant Sgr est connecté à l'entrée de l'intégrateur I, de sorte que la tension de sortie de celui-ci, à savoir la tension de commande Vcon de l'étage final E, augmente rapidement, avec une vitesse de montée +dVon0/dt constante importante depuis la valeur zéro jusqu'à ce que, une fois atteinte la tension de seuil, non représentée, de l'étage final, celui- ci devienne conducteur et qu'à la suite de cela la tension Vd sur l'étage final E diminue rapidement. Un courant Id commence à passer dans l'étage final E (et dans la bobine excitatrice Sol), figure 2. Dès que la tension Vd sur l'étage final E a diminué jusqu'à une valeur prédéterminée Vdmin, ce qui est signalé au microcontrôleur MC par un comparateur K, celui-ci ouvre le contacteur S1 et règle ensuite la tension Vd à une valeur prédéterminée constante vdmin (avec une hystérèse comprise entre Vdmin et Vdmin+) jusqu'à ce que le courant Id = Isol (phase d'aimantation) qui continue de monter atteigne, en traversant la bobine excitatrice et l'étage final, une valeur de pointe Ipk prédéterminée. A cet effet, le contacteur S2 est fermé (le petit récepteur de courant Skl est connecté à l'entrée de l'intégrateur I) lorsque la tension Vd est supérieure à une valeur de seuil prédéterminée Vdmin (de sorte que la tension de commande Vcon monte lentement et la tension Vd baisse) et il est ouvert (lorsque Vd est inférieure ou égale à Vdmin), de sorte que (lorsque tous les contacteurs sont ouverts) la tension de commande Vcon reste constante, tandis que le courant Id traversant l'étage final et la bobine excitatrice Sol (Id = Isol), et par conséquent la tension Vd à l'étage final, montent lentement, jusqu'à ce que la tension Vd sur l'étage final E atteigne ou dépasse la deuxième valeur de seuil Vdmin,+ prédéterminée. Ensuite, le contacteur S2 est de nouveau fermé (le petit récepteur de courant Skl est connecté à l'entrée de l'intégrateur I) etc., jusqu'à ce que la valeur de pointe Ipk soit atteinte. Ainsi s'achèvent aussi bien une phase d'aimantation qu'une phase d'activation (organigramme de la figure 3a) et la phase de maintien (organigramme gauche de la figure 3b) commence. Un réglage commuté de ce type, avec une vitesse de montée du courant prédéterminée, entraîne des tensions parasites déterminables, considérablement plus faibles en comparaison avec un régulateur de commutation pur, sans atteindre la puissance de dissipation d'un régulateur analogique. Lorsque la totalité du courant traverse l'étage final, l'accroissement du courant n'est plus déterminé par la tension de commande mais essentiellement par l'inductivité L de la bobine et la tension d'alimentation Vbat (di/dt = Vbat/L). L'étage final devient saturé et l'intégrateur est trop fortement chargé. Si alors une instruction de désactivation arrive, il faut que l'intégrateur soit libéré de l'excès de charge avant que le courant ne diminue. Si cette décharge se produit trop lentement, le temps mort et donc le temps de désactivation de l'électrovanne est trop important; si la décharge est rapide, le passage vers la zone active entraîne une importante variation de courant et donc de fortes tensions parasites sur les lignes d'alimentation. Le réglage de la tension sur l'étage final empêche la saturation et la charge de l'intégrateur correspond exactement au courant traversant l'étage final. Une variation de courant immédiate est ainsi possible à tout moment et il se produit de faibles tensions parasites sur les lignes d'alimentation. Les dispersions des temps de désactivation de l'électrovanne restent donc faibles et indépendants de l'état actuel du dispositif de commutation. Au moment o le courant Id traversant l'étage final E = courant Isoj traversant la bobine excitatrice Sol) atteint la valeur de pointe d'activation Ipk, on passe sur le réglage en courant de maintien, le courant Isol étant maintenu entre les valeurs IHmax et IHmin. Le contacteur S2 est ouvert et le microcontrôleur MC démarre le temporisateur T, qui détermine une durée toff. Simultanément, le contacteur S3 est fermé, de sorte que la petite source de courant Qkl est connectée à l'entrée de l'intégrateur I. De ce fait, la tension de commande Vcon est abaissée à une vitesse réduction - dVcon2/dt constante plus faible, jusqu'à ce que le courant Id, qui de ce fait est également en diminution (hachuré sur la figure 2), atteigne la valeur prédéterminée Idmin- Les étages finaux à transistors bipolaires ou de puissance MOSFET nécessitent une certaine puissance de seuil avant que le courant de sortie ne se modifie. Cette tension de seuil est fonction du type de transistor et de la température et entraîne un temps mort pendant lequel la charge de l'intégrateur doit être modifiée avant qu'une variation de courant n'intervienne. Cela a pour conséquence que la différence entre les courants de maintien maximal et minimal devient trop importante - et que donc les temps de commutation de l'électrovanne se dispersent trop. C'est pourquoi le courant Id traversant l'étage final n'est pas abaissé jusqu'à la valeur zéro mais est maintenu constant à un niveau minimal Idmin identifiable en coupant tous les sources et récepteurs de courant de l'intégrateur. Dès que le courant Id a atteint la valeur prédéterminée Idmin, il est maintenu constant à cette valeur jusqu'à la fin de la durée toff par l'ouverture du contacteur S3. Le courant résiduel Isol qui ne traverse pas l'étage final E, mais la bobine excitatrice Sol est repris par le circuit de roue libre F. Le courant traversant la bobine excitatrice Sol diminue lentement du fait des dissipations dans la bobine et dans le circuit de roue libre. Après écoulement de la durée toff, le contacteur S2 est de nouveau fermé, de sorte que le petit récepteur de courant Skl est connecté à l'entrée de l'intégrateur I et la tension de commande Vcon augmente de nouveau lentement à une vitesse de montée constante +dVcon2/dt (et avec elle également le courant Id), jusqu'à ce que a) Id = Isol IHmax Dans le cas a) la tension Vd sur l'étage final E, qui à partir de l'obtention de la valeur de courant Ipk était supérieure ou égale à la tension d'alimentation Vbat, baisse brusquement, dès que tout le courant Isol dans la bobine traverse l'étage final E. Si Vd est inférieure à la valeur de seuil Vdmin-, la tension Vd sur l'étage final E est de nouveau réglée sur la valeur Vdmin (voir phase d'activation) jusqu'à ce que le courant Id traversant l'étage final E ait atteint la valeur de seuil IHmax (valeur du courant de maintien maximal). En atteignant IHmax, dans les trois cas une nouvelle durée toff est démarrée et le processus se répète comme à partir de l'obtention de la valeur de courant Ipk, voir plus haut. Les vitesses de montée et de descente dVcon2/dt de la tension de commande Vcon ainsi que la durée toff doivent être synchronisées l'une par rapport à l'autre par équilibrage de telle sorte que dans la période pendant laquelle Vcon est diminuée, maintenue constante, puis de nouveau augmentée jusqu'à ce que Id = Isol, le courant Isol traversant la bobine excitatrice Sol de valeur prédéterminée IHmx du courant de maintien ne diminue pas au-dessous d'une valeur IHmln minimale nécessaire. La diminution, le maintien et de nouveau l'augmentation de la tension de commande Vcon, et éventuellement le réglage de la tension Vd se répètent tant que la charge Sol est désactivée (signal de commande St=L). L'état de la tension de commande St est donc constamment interrogé par le microcontrôleur MC. Pendant la phase de désactivation (organigramme droit de la figure 3b), les contacteurs Sl à S3 sont ouverts et le contacteur S4 est fermé, de sorte que la grande source de courant Qgr est connectée à l'entrée de l'intégrateur I et, à la suite de cela, la tension de commande Vcon est abaissée jusqu'à une valeur zéro à une vitesse de descente constante -dVconl/dt élevée et l'étage final E passe ainsi à l'état non conducteur. Simultanément, le circuit de roue libre F est commuté sur la grande valeur de tension de roue libre, de sorte que le courant Isol traversant la bobine excitatrice décroît rapidement. Les tensions parasites sur les lignes d'alimentation sont fonction de leur inductivité et de la vitesse de variation des courants les traversant. Une acquisition de ces tensions parasites Vst et de la température Temp de l'étage final (représentées sur la figure 1 comme entrées du microcontrôleur MC) et une commande des vitesses de montée et de descente du courant adaptée à ces valeurs permettent un réglage des tensions parasites admissibles sans surcharger thermiquement l'étage final. A cet effet, il faut que la petite source de courant Qkî et le petit récepteur de courant Skl soient réalisés sous forme de source et de récepteur de courant réglables, ce qui est indiqué sur la figure 1 par les lignes de raccordement en pointillé entre le microcontrôleur MC et la petite source de courant Qkl et le petit récepteur de courant Skl. Avec un étage final de puissance E comportant un régulateur analogique à la place du régulateur de commutation décrit, le petit récepteur de courant Skl commandé est modifié directement par la tension Vd par l'intermédiaire de l'étage final E ou bien, dans la phase d'activation, (jusqu'à ce que la valeur de pointe Ipk d'activation soit atteinte) le courant de sortie de cet étage E est modifié par la tension Vso, sur la bobine excitatrice Sol de telle sorte que les valeurs de seuil Vdmin ou Vsolmax requises soient respectées. De ce fait, disparaît sur la tension Vd ou Vsol l'ondulation inévitable en cas de régulation commutée. Mais ce mode de réalisation peut engendrer des problèmes de stabilité. REVENDICATIONS 1. Procédé de commande d'un étage final de puissance (E) pour une charge (So:) électromagnétique montée en série avec celui-ci, en particulier pour une électrovanne d'une pompe d'injection d'un moteur à combustion interne Diesel, au moyen d'un courant d'activation élevée (Ipk) et ensuite d'un courant de maintien faible (IH) réglé sur une valeur prédéterminée, le procédé mettant également en oeuvre une commande temporisée et une tension de roue libre commutable, caractérisé en ce que, lors de l'activation de la charge (Sol) la tension de commande Von est augmentée depuis la valeur zéro, à une vitesse de montée constante (+ dVconl/dt) importante jusqu'à ce que la tension (Vd) sur l'étage final (E) ait atteint une valeur prédéterminée (Vdmin) et que la phase d'aimantation commence, dans les phases d'aimantation pendant lesquelles le courant (Id) traversant l'étage final (E) est égal au courant (Iso) traversant la charge (Sol), la tension (Vd) sur l'étage final (E) est réglée par la tension de commande (Vcon) sur une valeur prédéterminée (Vdmin) jusqu'à ce que le courant (Id, Iso:) traversant l'étage final (E) ou la charge (Sol) ait atteint la valeur prédéterminée maximale (Ipk; IHmax) - chaque fois qu'une valeur maximale du courant d'activation (Ipk) ou du courant de maintien (IHmax) est atteinte, la tension de commande (Vcon), de façon répétitive jusqu'à la désactivation de la charge (Sol), a) est réduite pendant une durée prédéterminée (toff) à une faible vitesse de descente constante (-dVon2/dt) jusqu'à ce que le courant (Id) traversant l'étage final (E) ait atteint une valeur prédéterminée (Idmin), b) est ensuite maintenue constante à cette valeur (Idmin) jusqu'à la fin de la durée prédéterminée (toff), c) après la fin de la durée prédéterminée (toff) augmente à une faible vitesse de montée constante (+dVcon2/dt) jusqu'à ce que le courant (Id) traversant l'étage final (E) cl) atteigne une valeur prédéterminée (IHmax) ou c2) devienne égal au courant (Isol) traversant la charge (Sol), après quoi a lieu une phase d'aimantation jusqu'à ce que le courant (Id) atteigne la valeur prédéterminée (IHmax) et en ce que lors de la désactivation de la charge (Sol) par la commutation de la tension de roue libre sur une valeur élevée, la tension de commande (Vcon) est réduite à une vitesse de descente constante élevée (dVconl/dt) jusqu'à la valeur zéro. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la tension parasite (Vst) est réglée à une valeur prédéterminée sur les lignes d'alimentation par la commande de la vitesse de montée et de descente (+dVcon/dt; -dVcon/dt) de la tension de commande (Vcon) en fonction de la température (Temp) de l'étage final (E). 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la tension sur la bobine (Vso1) est réglée à une valeur prédéterminée (Vso.1x) jusqu'à ce que soit atteint le courant d'activation (Ipk) maximal. 4. Etage final de puissance (E) pour une charge électromagnétique (Sol), en particulier une électrovanne pour une pompe d'injection d'un moteur à combustion interne Diesel, qui est connecté en série avec la charge à une tension d'alimentation (Vbat), et comportant un circuit de roue libre (F) commutable d'une tension de roue libre basse à une tension de roue libre haute et un circuit de commande de temporisation (T), caractérisé en ce qu'il comprend: un intégrateur (I) dont la tension de sortie (Vcon) est la tension de commande pour l'étage final (E), au moins des petite et grande sources de courant (Qkl, Qgr) ainsi que des petit et grand récepteurs de courant (Skl, Sgr) dont les courants de sortie peuvent être envoyés à l'intégrateur (I) par l'intermédiaire de contacteurs (Si à S4), pour en assurer la charge ou la décharge rapide ou lente, et un circuit de commande (MC) qui, en fonction d'un signal de commande (St), active les contacteurs (Si à S4) et la commutation du circuit de roue libre à partir de certaines valeurs prédéterminées de la tension (Vd, V1sol) appliquée à l'étage final (E) ou à la charge (Sol) ainsi qu'à partir de certaines valeurs du courant (Id, Isol) traversant l'étage final (E) ou la charge (Sol) et à partir d'un circuit de commande de temporisation (T) déterminant une certaine durée (toff). 5. Etage final de puissance selon la revendication 4, caractérisé en ce que le circuit de commande (MC) est un microcontrôleur dans lequel est intégré le circuit de commande de temporisation (T).