Brevet FR2756022A1 — publié le 19980522

La présente invention a pour objet une servovalve électrohydraulique pour une commande asservie d'un dispositif hydraulique tel que vérin ou moteur. Le brevet européen 0 276 188 décrit une servovalve hydraulique comprenant un moteur-couple rotatif à débattement angulaire limité, constitué d'un moteur et d'un stator logés dans un boîtier, un distributeur hydraulique comportant un boisseau rotatif traversant axialement le rotor et solidaire en rotation de ce dernier, ce distributeur pouvant alimenter en fluide hydraulique le dispositif précité. Cette servovalve comprend également un système électronique de commande du moteur-couple du boisseau et d'asservissement de ce dernier en position après un signal de commande, comportant un détecteur de la position angulaire du boisseau, relié à un sommateur d'entrée du système électronique afin d'assurer une recopie de la position angulaire du boisseau consécutive à l'ordre électrique donné. Dans ce dispositif le signal électronique de retour en position est obtenu au moyen d'un capteur coaxial au distributeur. Cette servovalve est utilisée notamment sur différents matériels aéronautiques et automobiles de compétition. Toutefois le capteur coaxial de recopie de position présente un inconvénient appréciable en cas de panne ou de rupture du fil de ce détecteur de position, celui-ci pouvant être potentiométrique ou inductif. En effet dans cette éventualité, si le système n'est pas redondé, I'absence de signal de retour de position engendre sur le point de sommation un signal de commande maximal, sans contre-réaction, qui provoque ainsi une mise en butée de la servovalve. L'invention a donc pour but de proposer une servovalve du type précité mais qui présente une meilleure fiabilité de fonctionnement tout en étant de plus moins onéreuse. En effet le distributeur hydraulique décrit dans le brevet européen précité comporte une multiplicité de pièces de fabrication complexe, de sorte que son prix de revient est élevé. Si pour résoudre ce problème, on supprime purement et simplement la recopie de position, deux cas peuvent se présenter. Dans le premier cas, si la fréquence de commande est faible, le dispositif "suit" mécaniquement la variation sinusoïdale du courant de commande en fonction du temps. Si par contre le courant de commande augmente brutalement et se stabilise immédiatement à un palier, on observe dans les aimants du rotor un courant induit oscillant par rapport au courant de l'ordre donné au moteur couple. La réponse du boisseau ou arbre du distributeur dans ce cas présentera, en raison de son inertie, un déphasage progressif avec les oscillations amorties du courant induit; puis en définitive le boisseau ne répond plus au signal de commande. Le problème est donc de déterminer un moyen pour éviter ces oscillations gênantes et l'amortissement correspondant, tout en dissipant cette énergie d'oscillation. II n'est pas possible pour cela de mettre en oeuvre un système à frottement "sec" tel qu'un patin, car un tel dispositif ne revient pas au zéro. On a donc envisagé pour résoudre ce problème, d'ajouter aux enroulements du moteur-couple un enroulement d'amortissement visqueux. Un tel dispositif pourrait fonctionner mais conduit à surdimensionner le moteur-couple, ce qui n'est pas satisfaisant. La servovalve électrohydraulique visée par l'invention est du type rappelé ci-dessus, comprenant un moteur couple, un distributeur hydraulique comportant un boisseau rotatif, et un système électronique de commande du moteur-couple et du boisseau, et d'asservissement de ce dernier en position après un signal de commande. Conformément à l'invention, la servovalve comprend des moyens mécaniques adaptés pour assurer un retour du boisseau dans sa position asservie. Suivant un mode de réalisation avantageux de l'invention, lesdits moyens mécaniques comprennent une barre de torsion disposée dans le boisseau coaxialement à celui-ci, une extrémité de cette barre étant fixée au boîtier et la seconde extrémité étant liée au boisseau. Suivant une autre caractéristique de l'invention, le système électronique de commande et d'asservissement comprend une liaison électrique reliant le rotor à un sommateur d'entrée lui-même connecté au stator, ainsi qu'un organe de mesure du courant dans le rotor, cet organe étant relié au sommateur. L'invention met à profit les propriétés inverses d'un moteur-couple, qui fonctionne en effet en générateur de courant électrique quand il oscille. La mise en oeuvre de ces caractéristiques résoud de manière satisfaisante le problème à la base de l'invention, laquelle sera exposée plus en détail ciaprès ,en regard des dessins annexés qui illustrent deux formes de réalisations de la servovalve électrohydraulique selon l'invention. La figure 1 est une série de trois diagrammes illustrant le principe de fonctionnement de la servovalve selon l'invention, avec amortissement des oscillations du boisseau consécutives à un signal de commande. La figure 2 est un schéma représentant le circuit électronique de commande du moteur-couple du boisseau et d'asservissement de ce dernier en position. La figure 3 est une vue en coupe longitudinale axiale d'une première forme de réalisation de la servovalve électrohydraulique selon l'invention sans son système électronique de commande. La figure 4 est une vue en coupe transversale suivant 4/4 de la figure 5 à échelle agrandie. La figure 5 est une vue en coupe longitudinale suivant 5/5 de la figure 3. La figure 6 est une vue en coupe suivant 6-6 de la figure 3. La figure 7 est une vue en coupe longitudinale axiale d'une seconde forme de réalisation de la servovalve selon l'invention. Les figures 8 et 9 illustrent deux variantes d'exécution de la servovalve selon l'invention. La figure 1 sur son premier diagramme a) montre la variation du courant électrique I de commande du stator du moteur-couple en fonction du temps t lorsqu'à la suite d'un signal de commande, ce courant passe brutalement d'une valeur Il à une valeur 10. Le diagramme b) montre la variation de l'angle de rotation e du boisseau du distributeur hydraulique en fonction du temps t. On voit que ces variations constituent des oscillations sans amortissement. Enfin le diagramme c) montre la variation de la position angulaire 8 du boisseau du distributeur avec amortissement: on voit que dans ce cas les oscillations du diagramme b) sont entièrement supprimées. La fonction d'un moteur-couple est de produire un couple proportionnel au courant de commande dans une plage de débattement donnée. Si coaxialement à ce couple C = f(e), e étant l'angle de rotation du boisseau de la servovalve, on oppose une raideur R, une position angulaire e résultera de chaque niveau du courant de commande. Cette disposition est viable fonctionnellement en statique ou pour une dynamique de commande faible, en regard de la fréquence de résonance du système. En revanche on conçoit que si la fréquence de commande s'accroît, le distributeur et le rotor du moteur-couple coaxiaux entrent en oscillations sur leur fréquence propre selon la loi R (raideur de la barre) IdC/dO W(pulsation)= = - ~~~ I I (Inertie de la partie tournante) I Cette mise en oscillation sera d'autant plus prématurée que le système tournant se trouve proche de l'ordre le plus faible, là où la raideur est la plus basse. Pour remédier à cet inconvénient, I'invention prévoit de mettre en oeuvre les caractéristiques inverses du moteur-couple, c'est-à-dire celles qu'il présente lorsqu'il fonctionne comme générateur électrique à débattement limité. En effet dans ce cas le rotor induit dans le stator un courant de sens contraire au courant de commande, ce dernier pouvant après la cessation de l'ordre, être égal à O ou différent de O. De ce fait les deux courants s'additionnent algébriquement, ce qui permet d'amortir très rapidement les oscillations. Ainsi, les oscillations parasites génèrent une énergie électrique qui est sommée algébriquement à l'ordre de commande, le signal de commande ayant au préalable été discriminé en signe et en intensité, de l'énergie renvoyée. L'invention résout donc de manière particulièrement élégante le problème technique posé. Le circuit électronique de commande et d'asservissement schématiquement illustré à la figure 2 comprend un sommateur 1 recevant un courant de commande d'une source électrique non représentée, un second sommateur 2 relié au premier sommateur 1, un amplificateur de puissance 3 relié au sommateur 2. L'amplificateur 3 est relié au stator 4 d'un moteur couple 5 qui comprend également un rotor 6. Ce dernier est relié d'une part à un organe 7 de mesure du courant dans le rotor, cet organe 7 étant luimême directement connecté au second sommateur 2. D'autre part, le rotor 6 est relié à un amplificateur de puissance 8 lui-même connecté au sommateur d'entrée 1 avec interposition d'un filtre 9. Les oscillations du rotor et du boisseau qui lui est accouplé provoquent dans le stator 4 I'apparition d'un courant induit de sens contraire au courant de commande. L'angle de rotation du boisseau et du rotor étant proportionnel au courant de commande, la diminution de celui-ci est d'autant plus importante et rapide que le courant induit dans le stator est élevé. II en résulte donc une suppression presque immédiate des oscillations du boisseau et du rotor. Lorsque l'ordre de commande, c'est-à-dire lorsque le courant de commande revient à sa valeur initiale, les moyens mécaniques de retour en position du boisseau prévus par l'invention, rappellent automatiquement ce dernier vers sa position 0, tandis que le vérin ou le moteur commandé par la servovalve reste dans la nouvelle position qui lui a été assignée. On décrira maintenant un premier mode de réalisation de la partie mécanique de la servovalve en se référant aux figures 3 à 5. La servovalve 11 comprend un moteur-couple 12 rotatif à débattement angulaire limité, constitué d'un rotor 13 et des enroulements d'un stator 14, ce moteur-couple 12 étant logé dans un boîtier 15. La servovalve 11 comporte également un distributeur hydraulique 16 constitué d'un corps 17 et d'un boisseau central 18. Ce dernier s'étend à travers le rotor 13 coaxialement autour de l'axe longitudinal X-X du moteur-couple 12 et du distributeur 16. Le boisseau 18 est monté rotatif directement dans le corps 17, sans interposition d'une chemise intermédiaire comme dans le distributeur hydraulique du brevet européen précité. Le corps 17 est partiellement engagé à l'intérieur du boîtier 15, auquel il est fixé par exemple par des rivets 19. Cette fixation du corps 17 au boîtier 15 est rendue étanche par l'interposition d'un joint annulaire 21 au voisinage d'une extrémité du boîtier 15. Le rotor 13 est mécaniquement lié au boisseau 18 par tout moyen approprié, par exemple par des tenons tels que 22 pénétrant dans des mortaises correspondantes du boisseau 18. Des roulements à aiguilles 23 sont interposés entre le boisseau 18 et un alésage central 24 du corps 17 recevant une partie massive du boisseau 18, tandis que sa partie tubulaire complémentaire 20 est reçue à l'intérieur du rotor 13. L'extrémité de cette partie tubulaire 20 est montée sur un roulement à billes 25 prenant appui sur la paroi d'une ouverture centrale 10 de l'extrémité du boîtier 15. Le circuit hydraulique du distributeur 16 comporte deux canalisations diamétrales 26a 26b ménagées dans le boisseau 18, de part et d'autre d'une cloison centrale 27, et également dans le boisseau 18, des orifices 28, 29 orientés perpendiculairement à la cloison 27 (figure 4), communiquant respectivement avec les utilisations U1 et U2 (vérin ou moteur commandé par la servovalve). Dans la position de repos du boisseau 18, sa cloison 27 obture les orifices P sous pression hydraulique et R à basse pression de retour à la bâche. Les ouvertures et alésages U1, U2, P, R sont ménagés dans le corps 17 et peuvent être ouverts ou fermés en fonction de la position angulaire du boisseau 18, comme on le voit clairement à la figure 4. Le fonctionnement d'un tel distributeur hydraulique est connu en soi et ne nécessite donc pas de description plus détaillée. Une barre de torsion 31 est disposée longitudinalement dans le volume intérieur 36 de la partie tubulaire 20 du boisseau 18, donc coaxialement au rotor 13. Une première extrémité 32 de la barre 31 forme un chapeau qui obture l'ouverture centrale 10 de l'extrémité du boîtier 15, auquel cette extrémité 32 est fixée par tout moyen approprié tel que des boulons 33. Le recouvrement de l'ouverture 10 par l'extrémité 32 est rendu étanche grâce à un joint torique 34 interposé entre l'extrémité 32 et la paroi de l'ouverture 10. La seconde extrémité 35 de la barre de torsion 31 est conformée en fourchette 35 ouverte sur le fond du volume intérieur 36. Les deux branches 37 de la fourchette 35 reçoivent entre elles un goujon transversal 50 dont les extrémités sont solidarisées avec le boisseau 18. Ainsi une rotation de ce dernier entraîne une torsion de la barre 31 et un couple de rappel correspondant proportionnel à l'angle de rotation du boisseau. Les enroulements du stator 14 sont reliés à l'alimentation électrique extérieure par une connexion 38 traversant le corps 17 de manière étanche (figure 5) grâce à un joint annulaire 39 reçu dans une gorge du corps 17. La servovalve ne comporte que trois joints d'étanchéité 34, 21 et 39 disposés aux extrémités du boîtier 15, lequel est rempli de fluide hydraulique (huile). En effet l'un des alésages ménagés à l'intérieur du corps 17, par exemple l'alésage R de retour à la bâche, communique par un perçage 41 avec l'intérieur du moteur couple 12, dont le rotor 13 et le stator 14 sont ainsi entièrement plongés dans l'huile, de même évidemment que-le boisseau 18 et la barre de torsion 31. Le corps 17 est muni d'un flasque terminal 42 adapté pour être fixé sur le corps du vérin ou du moteur récepteur. Grâce au fait que tout l'intérieur du moteur-coupie baigne dans l'huile, le joint dynamique d'étanchéité 70 de la figure 12 du brevet européen 0 276 188 peut être avantageusement supprimé, éliminant un frottement à ce niveau. De plus, à la place des roulements 68 du brevet européen précité, qui doivent être lubrifiés à vie, la servovalve selon l'invention ne comporte plus qu'un roulement 25 immergé dans l'huile, ce qui constitue un avantage supplémentaire. Par ailleurs comme déjà indiqué, la fourrure intermédiaire 17 de la servovalve du brevet européen précité est supprimée, le boisseau 18 pouvant tourner directement dans le corps 17. 11 en résulte un abaissement important du coût de la servovalve, grâce à la diminution du nombre des pièces nécessaires et à leur simplification. Le système électronique de commande et d'asservissement schématiquement représenté à la figure 2, est matériellement placé à l'extérieur du boîtier 15, auquel il est relié par la connexion électrique étanche 38. Le fonctionnement de la servovalve des figures 3 à 5 est le suivant. Lorsqu'un courant de commande alimente la connexion 38 et le stator 14, le rotor 13 tourne et entraîne en rotation le boisseau 18. En fonction du sens de la rotation, la cloison 27 pivote en mettant en communication, soit la pression P et l'utilisation U1 via les passages 26b et 28, soit la pression P et l'utilisation U2 via les passages 26a et 29. De ce fait, le vérin ou le moteur prennent la nouvelle position commandée. Lorsque l'ordre de commande (courant de commande) cesse, la barre de torsion 31, qui a tourné d'un angle e avec le boisseau 18 auquel elle est accouplée, rappelle ce dernier vers le zéro en oscillant de part et d'autre. Pour combattre ces oscillations, les aimants du rotor 13, accouplé au boisseau 18, induisent dans le stator 14 un courant de sens contraire au courant de commande, lequel peut après la cessation de l'ordre, être nul ou différent de zéro. Les deux courants s'additionnent algébriquement dans le stator et les oscillations sont très rapidement supprimées, du fait que le courant induit dans le stator par les oscillations du rotor, produit sur ce dernier un couple opposé, antagoniste à la rotation du rotor. Le second mode de réalisation de la servovalve 42 illustré à la figure 7, diffère essentiellement du précédent en ce que le système électroni que 44 de commande et d'asservissement du boisseau 18, est fixé à une extrémité du boîtier 43 contenant le distributeur hydraulique 45 et le moteur couple 46, grâce à des organes de liaison appropriés tels que 47. Le système électronique 44 est contenu à l'intérieur d'un chapeau 48 qui coiffe une extrémité du boîtier 43 de manière étanche, grâce à l'interposition d'un joint souple 49. Le circuit électronique 44 est relié au stator 14 par une connexion 51 partiellement logée dans un alésage longitudinal 52 du boîtier 43. Enfin le corps 43 est fixé au vérin ou au moteur récepteur par des plots 53 d'enfichage. Le fonctionnement de cette seconde servovalve 42 est similaire à celui du précédent. La servovalve selon l'invention est susceptible de recevoir diverses variantes d'exécution. Ainsi par exemple la barre de torsion 31 peut être remplacée par un petit levier équipant le boisseau, fixé à une extrémité au boîtier, et qui subira une flexion lorsque le boisseau subit un déplacement angulaire. La barre de torsion axiale peut également être remplacée par des ressorts transversaux hélicoïdaux 30, fixés d'une part au boîtier 15 ou 43 et d'autre part au boisseau 18 (figure 8). La barre de torsion peut de même être remplacée par un ressort spirale 40 (figure 9) entourant le boisseau 18, une extrémité du ressort 40 étant fixée à ce dernier et l'extrémité opposée étant fixée au boîtier 15 ou 43. Ainsi le ressort 40 exerce sur le boisseau 18 un couple de rappel à sa position zéro, proportionnel à la rotation du boisseau 18. REVENDICATIONS 1. Servovalve électrohydraulique (11; 42) pour une commande asservie d'un dispositif hydraulique tel que vérin ou moteur, comprenant a) un moteur-couple rotatif (12; 46) à débattement angulaire limité constitué d'un rotor (13) et d'un stator (14) logés dans un boîtier (15; 43), b) un distributeur hydraulique (16; 45) comportant un boisseau rotatif (18) traversant axialement le rotor et solidaire en rotation de ce dernier, ce distributeur pouvant alimenter en fluide hydraulique le dispositif précité, c) et un système électronique (1, 2; 44) de commande du moteur-couple et du boisseau et d'asservissement de ce dernier en position après un signal de commande (I), caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens mécaniques (31; 30, 40) adaptés pour assurer un retour du boisseau dans sa position initiale après cessation du signal de commande. 2. Servovalve selon la revendication 1, caractérisée en ce que lesdits moyens mécaniques comprennent une barre de torsion (31) disposée dans un volume intérieur (36) d'une partie tubulaire (20) du boisseau (18) coaxialement à celui-ci, une extrémité (32) de cette barre étant fixée au boîtier (15; 43), et la seconde extrémité (35) étant liée au boisseau. 3. Servovalve selon la revendication 2, caractérisée en ce que l'extrémité de la barre de torsion (31) liée au boisseau (18) est constituée par une fourchette (35) contenant un goujon transversal (50) solidaire du boisseau. 4. Servovalve selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que le système électronique de commande et d'asservissement (1, 2... 9) comprend une liaison électrique reliant ie rotor (6) à un premier sommateur d'entrée (1) lui-même connecté au stator (4), ainsi qu'un organe (7) de mesure du courant dans le rotor, cet organe (7) étant relié à un second sommateur (2) relié au premier sommateur (1). 5. Servovalve selon la revendication 4, caractérisée en ce que ladite liaison électrique est pourvue d'un amplificateur de puissance (8) et d'un filtre (9) relié au premier sommateur (1). 6. Servovalve selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que le boisseau (18) est monté directement dans un corps (17) du distributeur (16; 42), fixé au boîtier (15; 43), percé d'orifices et de canalisations de fluide hydraulique (U1, U2, P, R). 7. Servovalve selon les revendications 2, 4 et 5, caractérisée en ce que le système électronique (44) et le moteur-couple (12) sont logés dans le boîtier (15; 43). 8. Servovalve selon la revendication 6, caractérisée en ce que des joints d'étanchéité sont prévus aux extrémités du boîtier (15; 43), entre celui-ci et la barre de torsion d'une part (34), et (21) entre ledit boîtier et le corps (17) du distributeur (16; 42) d'autre part, et en ce qu'une liaison électrique étanche (38) relie à travers le corps le stator (14) à une source électrique extérieure. 9. Servovalve selon la revendication 1, caractérisée en ce que lesdits moyens mécaniques comprennent des ressorts transversaux (30) fixés au boîtier (15; 53) et au boisseau (18). 10. Servovalve selon la revendication 1, caractérisée en ce que lesdits moyens mécaniques comprennent un ressort spirale (40) entourant le boisseau (18), et dont une extrémité est fixée à ce dernier tandis que l'autre extrémité est fixée au boîtier (15; 43).